專利名稱：一種固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于土工常規實驗(固結實驗和一維蠕變實驗)領域，涉及一種固結實驗和一維蠕變實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統。
背景技術：
目前，土工固結實驗和一維蠕變實驗，多為人工讀取壓縮量、蠕變量，雖然近幾年來，也有能自動采集壓縮變形、蠕變變形的固結儀器，但到目前為止，固結實驗或一維蠕變實驗能同步連續自動采集壓縮變形、蠕變變形量和其相應的結構指標的測讀儀器，還未見報道。巖土電阻率是巖土固有特性參數之一。一些學者的研究成果表明，巖土電阻率可很好地反映巖土結構性及其變化情況近年來，國外有些專家學者開始探索應用電阻率不規則因子技術來監測巖土體的變形過程，揭示其變形過程中的內在結構變化機理。比如，Jackson等[3]將電阻率不規則因子定義為Apt= (ρ「Ρο)/Ρ。，其中Λ PtS電阻率不規則因子，P 0> P t分別為初始電阻率和實時電阻率；通過歷時18個月電阻率不規則因子的現場測試，監測出路堤中的異常狀況。Samouelian等M通過測試黃土塊在干濕循環產生裂隙過程中，不同方向和深度上的電阻率變化，得到了土塊的裂隙發展和發育規律。盡管目前國內外尚未發現電阻率不規則因子應用于固結實驗和一維蠕變實驗的研究報道，但上述工作表明，電阻率不規則因子具備表征和測定土樣變形過程中的結構變化的良好研究基礎，這是本實用新型研究的基本出發點。參考文獻:[I]Samouelian a, b,1.Cousin a,A.Tabbagh c,A.Bruand d,G.Richard e,2005,Electrical resistivity survey insoil science:a review[J], Soil and TillageResearch,83(2): 173-193[2] Tabbagh, A.，Dabas, M.，Hesse, A.，Panissod, C., 2000, Soil resistivity:anon-1nvasive tool to map soilstructure horizonation[J], Geoderma 97,393-404.[0008][3] Jackson, P.D., Northmore, K.J., Me I drum, P.1., Gunn, D.A., Hal lam, J.R.,Wambura, J., Wangusi, B., Ogutu, G.,2002.Non-1nvasive moisture monitoring withinan earth embankment-a precursor to failure[J].NDT&E Int.35.107-115.[0009][4] Samouelian, A., Cousin, 1., Richard, G., Tabbagh, A., Bruand, A.,2003，Electrical resistivity imaging fordetecting soil cracking at the centimetricscale [J], Soil Sc1.Soc.J.Am.67:1319-1326.[0010]關于土樣的水平和垂直電阻值的測讀:在現實中，欲求得微弱的電阻變化，一般通過電橋電路來實現。目前電阻率測定儀都是通過調節電橋平衡后，利用電橋平衡公式來求得土體的電阻。但是調節電橋平衡需要手動操作，不利于自動采集
實用新型內容
[0011]本實用新型的目的，在于提供一種固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，旨在克服當下常規土工固結實驗儀的以下幾點不足:1)壓縮變形量和蠕變變形不能自動采集。2)對土樣壓縮、蠕變過程中的內在結構變化情況未能進行同步、連續測讀。3) 土樣的變形、蠕變特性與其內在的結構變化情況未能有機結合。4)目前電阻率測定儀都是通過調節電橋平衡后，利用電橋平衡公式來求得土體的電阻。但是調節電橋平衡需要手動操作，不利于自動采集。本實用新型特點:在土工固結實驗和一維蠕變實驗過程中，該系統能同步、自動、連續、無損地采集土樣的壓縮變形、蠕變變形和電阻率不規則因子，且將土樣壓縮變形蠕變特性與其內在的結構變化情況有機結合，從而揭示土樣固結變形和蠕變變形的內在結構變化機理。另外，系統采用非平衡電橋來測量土體的水平和垂直電阻值，可解決目前電阻率測定儀調節電橋平衡需要手動操作，不利于自動采集的問題。本實用新型是這樣實現的，一種固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，在固結儀水平方向、垂直方向上分別放置電極；該測試系統包括:用于采集固結實驗和一維蠕變實驗中土樣的水平電阻信號及垂直電阻信號，并對所采集的水平電阻信號及垂直電阻值信號進行輸出的數據采集探測器；與所述數據采集探測器相連接，用于接收所述數據采集探測器輸出的水平電阻值信號及垂直電阻值信號，根據非平衡電橋原理計算出土樣固結或蠕變過程中的水平電阻值及垂直電阻值，并對計算出的水平電阻值及垂直電阻值以電信號的形式進行輸出的數據采集控制模塊；與所述數據采集控制模塊相連接，用于接收所述數據采集控制模塊輸出的水平電阻值及垂直電阻值，根據所測試土體的水平電阻值及垂直電阻值計算獲得電阻率不規則因子，并根據電阻率不規則因子反映土樣的結構性變化的工控模塊。進一步，所述測試系統采用絕緣處理，與土樣接觸部分全部為非金屬材料。進一步，所述測試系統采用不平衡電橋、大功率交流電源發生器。進一步，所述數據采集探測器通過屏蔽線與所述數據采集控制模塊相連接，所述數據采集控制模塊通過屏蔽線與所述工控模塊相連接。進一步，所述數據采集探測器包括:水平圓柱狀石墨電極、垂直圓柱狀石墨電極，溫度傳感器、位移傳感器；所述水平圓柱狀石墨電極安裝在試樣水平方向的兩端，垂直圓柱狀石墨電極安插在土樣垂直方向的上下兩端位置上，所述溫度傳感器設置在所述試樣帽根基處，所述電極及溫度傳感器通過屏蔽線與所述數據采集控制模塊相連接，所述位移傳感器設置在定位桿上。進一步，所述數據采集控制模塊進一步包括:交流電源發生器、交直流轉換電路、不平衡電橋、多檔切換開關、信號調理電路、USB數據采集卡等組成；所述交流電源發生器與所述交直流轉換電路相連接，所述交直流轉換電路與所述不平衡電橋相連接，所述不平衡電橋分別與所述多檔切換開關及信號調理電路相連接。本實用新型提供的一種固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，數據采集探測器自動采集試樣在固結實驗或一維蠕變實驗過程中的的水平電阻信號及垂直電阻信號，數據采集控制模塊根據非平衡電橋原理計算出試樣的水平電阻值及垂直電阻值，工控模塊根據所測試試樣的水平電阻值及垂直電阻值計算獲得電阻率不規則因子，進而實時監測試樣在固結壓縮過程或一維蠕變過程中的內在結構變化情況，從而構建土樣的應力應變結構性本構模型和一維蠕變應力應變結構性本構模型。本實用新型能連續貫穿于固結實驗或一維蠕變實驗的始終，能自動采集在固結壓縮和一維蠕變過程中土體的壓縮量和蠕變量及其電阻率不規則因子，且能實時用圖形顯示并保存數據，數據可用excel打開并分析。本實用新型操作簡便可靠、測讀方便快捷、連續無損、成本低廉、易于推廣等特點，且實時測讀的電阻率不規則因子與土樣固結壓縮變形和蠕變特性的內在結構變化能有機結合。此夕卜，該系統能拓展應用到直剪實驗中，能將土樣直剪過程的剪切變形與其內在的結構變化情況有機結合，從而揭示土樣直剪變形的內在結構變化機理。

圖1是本實用新型提供的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統的電路圖。圖2是本實用新型提供的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統的結構示意圖；圖3是本實用新型提供的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統的結構框圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。圖2、3示出了本實用新型提供的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統的結構。為了便于說明，僅僅示出了與本實用新型相關的部分。一種固結試驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，在固結儀水平方向、垂直方向上分別放置電極片。電極做好絕緣處理，與土樣接觸部分全部為非金屬材料。本實用新型系統包括:用于采集固結實驗和一維蠕變實驗中土樣的水平電阻信號及垂直電阻信號，并對所采集的水平電阻信號及垂直電阻值信號進行輸出的數據采集探測器；與所述數據采集探測器相連接，用于接收所述數據采集探測器輸出的水平電阻值信號及垂直電阻值信號，根據非平衡電橋原理計算出土樣固結或蠕變過程中的水平電阻值及垂直電阻值，并對計算出的水平電阻值及垂直電阻值以電信號的形式進行輸出的數據采集控制模塊；與所述數據采集控制模塊相連接，用于接收所述數據采集控制模塊輸出的水平電阻值及垂直電阻值，根據所測試土體的水平電阻值及垂直電阻值計算獲得電阻率不規則因子，并根據電阻率不規則因子反映土樣的結構性變化的工控模塊。所述工控模塊，是建立土樣固結過程和一維蠕變過程中相應變形特征與其電阻率不規則因子的內在關聯，進而建立土樣的應力應變結構性本構模型和一維蠕變應力應變結構性本構模型。該測試系統采用絕緣處理，與土樣接觸部分全部為非金屬材料。該測試系統采用不平衡電橋、大功率交流電源發生器。采用非平衡電橋來測量土體的水平和垂直電阻值，旨在解決目前電阻率測定儀調節電橋平衡需要手動操作，不利于自動采集的問題。電阻率不規則因子定義Apt= (P t_P d/p C1,其中Δ P t為電阻率不規則因子，P t、P ^分別為實時球電阻率和初始球電阻率。首先得到水平電阻率P 和垂直電阻率P βΛ,再將水平電阻率P 及垂直電阻率P垂直轉換為球電阻率P球=(2X P水平+ P垂直)/3。初始狀態下獲得的球電阻率為初始球電阻率，實時狀態下獲得的電阻率為實時球電阻率，將兩者代入電阻率不規則因子計算公式，得到不規則因子Λ pt。土樣電阻率 P 可表示為 P = (RS)/L = (AV.S)/(IL)；式中:S為電極面積，單位m2，L為電極間距，單位m，I為電流強度，單位A，R為土樣電阻。在本實用新型性實施例中，數據采集探測器通過屏蔽線與所述數據采集控制模塊相連接，所述數據采集控制模塊通過屏蔽線與所述工控模塊相連接。在本實用新型性實施例中，數據采集探測器包括:水平圓柱狀石墨電極、垂直圓柱狀石墨電極，溫度傳感器、位移傳感器等組成；所述水平圓柱狀石墨電極安裝在試樣水平方向的兩端(絕緣環刀開小孔，電極片通過絕緣環刀插入到試樣水平方向兩`端)，垂直圓柱狀石墨電極安插在土樣垂直方向的上下兩端位置上，所述溫度傳感器設置在所述試樣帽根基處，所述電極及溫度傳感器通過屏蔽線與所述數據采集控制模塊相連接，所述位移傳感器設置在定位桿上；所述水平圓弧狀石墨電極、垂直圓柱狀石墨電極不同時進行電阻的測量，每10秒輪循一次；所述數據采集控制模塊進一步包括:交流電源發生器、交直流轉換電路、不平衡電橋、多檔切換開關、信號調理電路、USB數據采集卡等組成；所述交流電源發生器與所述交直流轉換電路相連接，所述交直流轉換電路與所述不平衡電橋相連接，所述不平衡電橋分別與所述多檔切換開關及信號調理電路相連接，所述不平衡電橋中的三個臂值相等，在所述多檔切換開關上設置有10Ω、100Ω、1000Ω、IM Ω的檔位，待測土體電阻在所述多檔切換開關上設置有1-10 Ω、10-100 Ω、100-1000 Ω、1000-1ΜΩ四個檔位。所述工控模塊進一步包括:數據采集軟件和建模(構建應力應變結構性本構模型和一維蠕變結構性本構模型)軟件組成。在本實用新型性實施例中，數據采集探測器上的溫度傳感器實現了工控模塊對溫度進行補償，18°C時土體的電阻率P18= PtX (1+α X (T-18))，其中P18為18°C時土的電阻率；P τ為溫度電阻率；Τ為溫度；α為試驗常數，采用0.0250C '在本實用新型性實施例中，在土工固結實驗過程中，系統能自動采集土樣的壓縮變形和電阻率不規則因子數據；同時，能自動繪出實時壓縮-時程曲線、實時電阻率不規則因子-時程曲線、壓縮變形量與不規則因子關系曲線；并能保存數據，可用excel打開并分析。在本實用新型性實施例中，此系統可用于固結壓縮實驗和一維蠕變實驗，可揭示土樣固結變形和一維蠕變的內在結構變化機理。在本實用新型性實施例中，對直剪儀器的相應部件作絕緣處理，此系統可拓展應用于直剪試驗。系統能自動采集土樣的剪位移和電阻率不規則因子數據；同時，能自動繪出實時剪位移-時程曲線、實時電阻率不規則因子-時程曲線、剪位移與不規則因子關系曲線；并能保存數據，可用excel打開并分析。系統能將土樣直剪過程與其內在的結構變化情況有機結合，從而揭示土樣直接剪切實驗過程中的內在結構變化機理。以下結合具體實施方案對本實用新型作進一步的說明。一.主要技術指標1.試驗尺寸:Φ61.8mmX 20mm2.軸向最大荷載:400kg3.軸向位移:0-10mm位移傳感器測量，精度誤差±0.5% F.S。4.試樣溫度:-50°C —100°C溫度傳感器測量，精度誤差±0.5% F.S05.四檔橋路，每檔下橋臂電阻1ΚΩ、10ΚΩ、100ΚΩ、2.5ΜΩ。6.供橋電壓:交流6.5V。二.測試原理與組成部分
具體測讀:對固結儀進行改造，在水平方向、垂直方向上分別放置電極片。電極做好絕緣處理，與土樣接觸部分全部為非金屬材料。在固結壓縮過程中，不斷切換測讀土樣的水平和垂直方向電阻，根據公式P = (RS)/L= (AV-S)/(IL)獲取得土樣在固結壓縮過程中的水平電阻率P 和垂直電阻率P ο (式中:S為電極面積(m2)，L為電極間距(m)，I為電流強度(A)。R為電阻。)進而得到球電阻率P球=(2X P水平+ P垂直)/3。將初始球電阻率和實時球電阻率代入不規則因子計算公式，則可得到不規則因子。電阻率不規則因子公式Apt= (P ^pciVpci，其中Λ P t為電阻率不規則因子，P t、P ^分別為實時球電阻率和初始球電阻率。關于土樣的水平和垂直電阻值的測讀:在現實中，欲求得微弱的電阻變化，一般通過電橋電路來實現。目前，已有的土電阻率測定儀是通過調節電橋平衡后，利用電橋平衡公式來求得土體的電阻。但是調節電橋平衡需要手動操作，不利于自動采集。我們設想采用非平衡電橋來測量土體的水平和垂直電阻值，原理圖如I所示。其中Rx為被測土體的電阻，E為供橋電壓，可以是直流，也可以是交流。本項目采用不平衡電橋，利用大功率交流電源發生器，產生50HZ的工頻正弦波。若Uout古O時，電橋處于不平衡狀態，則由公式:
_...RiR' — R1R.[0066]V(ri, =Ex-—~~.—~A......................、
Λ ‘ (Rx +R3 )x(R{ +R2)已知電阻1^、1 2、1 3，通過數據采集卡測得Ε、υ_，在電腦中即可實時計算出Rx的值。若測量出的Ε、υ。,值過小，為便于測量，可通過AD8221芯片搭建的放大電路放大固定倍數k后再測量。在電腦中計算時除以k值，便可得到原值。K值通過實際測量后，得到電壓變化范圍后再決定。值得注意的是，若供橋電壓為交流，則公式中的電阻R需改成Z(阻抗)，所以為了精確測量，橋臂電阻1 1、1 2、1 3為高精度(千分之一或萬分之一)、超低溫漂無感純電阻。經過multisim仿真,若二電極間存在電容或電感,則對測量結果會有影響。電容越小，電感值越大，對結果影響越大。現實測試時試樣的電感量可忽略，對電極間的電容量可進行修正，或者選取更合適的測量方式。在實際橋路中，一般取R1' R2、R3為相同電阻值，可令R1 = R2 = R3 = R，則有=U =0.5XEX ((R-Rx)/(R+Rx))。令E、R為常數，U、Rx為變量，則U與Rx為反比例函數關系。為更好地測量不同阻值的樣品，將Rx分為1-10 Ω、10-100 Ω、100-1000 Ω、1000-1ΜΩ四檔，臂值R分別為10 Ω、100 Ω、1000 Ω、IM Ω。通過多層多檔旋轉開關手動切換。本儀器主要由固結儀主機、數據采集探測器、數據采集控制模塊、工控模塊組成。數據采集探測器包括:水平圓柱狀石墨電極、垂直圓柱狀石墨電極，溫度傳感器、位移傳感器等組成。數據采集控制模塊包括:交流電源發生器、交直流轉換電路、不平衡電橋、多檔切換開關、信號調理電路、USB數據采集卡等組成。工控模塊由數據采集軟件和建模(構建應力應變結構性本構模型和一維蠕變結構性本構模型)軟件組成。三.試驗步驟1.試驗前，應檢查主機臺面是否水平，然后將壓力室部件從主機上取下待裝樣。2.制樣裝樣:參照《(土工試驗規程》，制取土樣。將主機上的環刀取出，切取Φ61.8.ιΧ 20mm試樣。土樣密實度均勻，且與環刀內壁充分接觸，兩垂直面平整。3.將水平電極插入環刀兩側，壓力室內由下到上分別放置下透水板、下透水板定位環、環刀下定位環、插入電極的環刀樣、環刀上定位環和上透水板。4.將裝好樣的壓力室部件放置在主機上，并放上承壓球，架上反力架。此時應保證杠桿平衡且反力架與承壓 球剛好接觸。可對平衡錘和反力架作相關調整。5.將數據采集控制器的電源插上，啟動電源開關，橋臂電阻選擇開關置于IK檔，啟動軟件“固結實驗電阻率不規則因子測試系統”。待溫度顯示穩定后，觀察當前“水平U”的值，若為負值，說明土樣的電阻大于1K，應順時針轉動一檔，使橋臂為10K。此時，若“水平U”為負值，繼續增檔；若為正值，則可在軟件上切換到測試垂直檔。若“垂直U”為正值，則切換到水平檔可進行下步試驗；若“垂直U”為負值，應再增檔，直至正值。調檔后，應再次切換水平垂直檔，直至“水平U”和“垂直U”均為正值，并最后切換至水平檔開始下步試驗。6.清零位移傳感器，軟件上設置檔位至當前檔位，修改文件保存名，點擊“試驗開始”。在主機上吊上相應的托盤和砝碼。試驗正式開始。7.試驗過程中會有不規則時程圖、壓縮變形時程圖等顯示。相關試驗數據會自動保存。8.試驗結束，點擊“試驗結束”、“復位”。關閉數據采集控制器開關并斷電。取下吊盤和砝碼、拆除試樣、清理儀器。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，其特征在于，在固結儀水平方向、垂直方向上分別放置電極；該測試系統包括: 用于采集固結實驗和一維蠕變實驗中土樣的水平電阻信號及垂直電阻信號，并對所采集的水平電阻信號及垂直電阻值信號進行輸出的數據采集探測器； 與所述數據采集探測器相連接，用于接收所述數據采集探測器輸出的水平電阻值信號及垂直電阻值信號，根據非平衡電橋原理計算出土樣固結或蠕變過程中的水平電阻值及垂直電阻值，并對計算出的水平電阻值及垂直電阻值以電信號的形式進行輸出的數據采集控制豐旲塊; 與所述數據采集控制模塊相連接，用于接收所述數據采集控制模塊輸出的水平電阻值及垂直電阻值，根據所測試土體的水平電阻值及垂直電阻值計算獲得電阻率不規則因子，并根據電阻率不規則因子反映土樣的結構性變化的工控模塊。
2.如權利要求1所述的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，其特征在于，所述測試系統采用絕緣處理，與土樣接觸部分全部為非金屬材料制成的結構。
3.如權利要求1所述的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，其特征在于，所述測試系統采用不平衡電橋、大功率交流電源發生器。
4.如權利要求1所述的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，其特征在于，所述數據采集探測器通過屏蔽線與所述數據采集控制模塊相連接，所述數據采集控制模塊通過屏蔽線與所述工控模塊相連接。
5.如權利要求1所述的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，其特征在于，所述數據采集探測器包括:水平圓柱狀石墨電極、垂直圓柱狀石墨電極，溫度傳感器、位移傳感器； 所述水平圓柱狀石墨電極安裝在試樣水平方向的兩端，垂直圓柱狀石墨電極安插在土樣垂直方向的上下兩端位置上，所述溫度傳感器設置在所述試樣帽根基處，所述電極及溫度傳感器通過屏蔽線與所述數據采集控制模塊相連接，所述位移傳感器設置在定位桿上。
6.如權利要求1所述的固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，其特征在于，所述數據采集控制模塊進一步包括:交流電源發生器、交直流轉換電路、不平衡電橋、多檔切換開關、信號調理電路、USB數據采集卡； 所述交流電源發生器與所述交直流轉換電路相連接，所述交直流轉換電路與所述不平衡電橋相連接，所述不平衡電橋分別與所述多檔切換開關及信號調理電路相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種固結實驗中同步測讀電阻率不規則因子測試系統，在固結儀水平方向、垂直方向上分別放置電極，主要包括數據采集探測器、數據采集控制模塊、工控模塊。該系統能自動采集土樣在固結壓縮過程中土體的沉降量及其電阻率不規則因子，實時用圖形顯示并保存數據，系統能將土樣固結沉降與其內在的結構變化情況有機結合。此外，該系統能拓展應用到直剪實驗中，能將土樣直剪過程的剪切變形與其內在的結構變化情況有機結合，從而揭示土樣直剪變形的內在結構變化機理。本實用新型操作簡便可靠、測讀方便快捷、連續無損且實時測讀的電阻率不規則因子與土樣固結壓縮變形的內在結構變化能有機結合。
文檔編號G01R27/02GK202975167SQ20122075049
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者于小娟, 施建勇, 秦建香, 蘇瑛, 張榮蘭, 錢俊 申請人:鹽城工學院