（机械电子工程专业论文）新型土工三轴仪测控系统的基本研究.pdf

摘要 三轴仪是机电技术在土木工程测量领域的典型应用，是重要的基础试验仪器。论文 以丌发先进的三轴仪测控系统为目标，对现代三轴仪进行了全面的功能需求分析，提出 了基丁j 上、下位机结构体系的测控系统解决方案。以此为基础，论文展开了三轴仪测控 系统三项关键技术的研究工作。 在轴向加载系统的研究中，论文简述了国内外三轴仪的两种主要轴向加载方案，通 过对这两种技术的优劣进行了分析对比后，确立了框架式轴向加载系统的解决方案，并 进一步分析讨论了步进电机、运动变换机构和减速机构的应用技术。 在下位机测控系统的研究中，论文在土工仪器领域率先引入了先进的 1 1 m 9 3 2 0 ，f 2 4 0 7 ad s p 控制器，并针对其存储器扩展与配置、i o 空间扩展应用、基础时 钟系统建立以及电源管理系统等四项关键技术进行了详尽的技术分析和讨论，为嵌入式 实时操作系统的应用奠定了基础。 在数据采集系统的研究中，论文分析了数据采集系统的结构，建立起了多通道分时 采集系统，并根据三轴仪的实际测量需求，对传感器、变送器，取样电路、数据转换电 路等几个主要环节进行了详细的技术讨论。随后，论文结合t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制器卯i 接口讨论了数据采集系统的硬件实现，并进行了系统误差分析综合。 论文的全部研究工作表明，以p c 机和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 微控制器构成的三轴仪测控 系统，辅以框架式轴向加载装置，可以满足现代三轴仪系统的技术性能要求，具有良好 的应用前景。 关键词：三轴仪；测控系统：轴向加载系统；微控制器；数据采集；误差 a b s t r a e t a sat y p i c a la p p l i c a t i o no fm e c h t r o n i ct e c h n o l o g yi ns o i lt e s t i n g ，t r i a x i a li n s t r u m e n ti s t h ei m p o r t a n tl a b o r a t o r i a ia p p a r a t u si nt h er e g i o no fc i v i lc o n s t r u c t i o n i no r d e rt od e v e l o pa s e to fa d v a n c e dm e a s u r e & c o n t r o ls y s t e me q u i p p e di nt r i a x i a lj n s t r u m e n t ，t h i sp a p e rm a k e sa o v e r a l ia n a l y s i so ff u n c t i o nr e q u i r e m e n tf o rt h em o d e r nt r i a x i a li n s t r u m e n ta n dt h e np u t s f o f w a r das y s t e ms o l u t i o nb a s e do nt h ef r o n t & b a c kc o n t r o lp a n e ls t r u c t u r e s t a r t i n gf r o mt h i s s o l u t i o n ，t h ep a p e rb e g i n st os t u d ya n dd i s c u s st h et h r e ek e yt e c h n o l o g i e si nt h i ss y s t e m i nt h er e s e a r c ho fa x i a ll o a d i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st w om a i nl o a d i n g s o l u t i o n sa p p l i e do na l lo ft h et r i a x i a l i n s t r u m e n t s a f t e re v a l u a t i n gt h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t s c a r e f u l l y , t h el o a d i n gf r a m e i sa d o p t e d i nt h ef o l l o w i n gp a g e s ，t h r e et e c h n o l o g i e s ，s t e pm o t o r ， m o t i o nt r a n s f o r m a t i o na n ds p e e dr e d u c t i o n a r ed i s c u s s e di nd e t a i l i nt h er e s e a r c ho fb a c km e a s u r e & c o n t r o ls u b - s y s t e m i no r d e rt op r o v i d eas t r o n g s u p p o r tf o rm e a s u r e & c o n t r o ls y s t e m t h i sp a l ：i e r i n t r o d u c e sm ea d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a n ds p e n d sal o to fp a g e ss t u d y i n gf o u ra p p l i e dt e c h n o l o g i e s ，m e m o r y e x t e n s i o na n dc o n f i g u r i n g ，i os p a c ee x t e n s i o n ，b a s i ct i m i n gs y s t e ms e t t i n ga n dp o w e rs u p p l y d e s i g n i n g a l lt h ea c h i e v e m e n t so f t h es t u d yc r e a t eac o n v e n i e n tr o a dt oe m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m i nt h er e s e a r c ho fd a t aa c q u i r i n gs y s t e m ( d a s ) ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h es t r u c t u r eo fd a s a n ds e tu das e to fm u l t i c h a n n e lt i m e s h a r e dd a s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ln e e df o r m e a s u r i n ga n dc o n t r o l h n g ，t h i sp a p e ra s o m a k e sad e t a i l e dd i s c u s s i o na b o u tt h es e n s o r ， t r a n s d u c e rs a m p l i n gc i r c u i ta n dd a t ac o n v e r t e lf i n a l l y t h ed a s i sr e a l i z e do nt h em e a s u r e & c o n t r o ls y s t e mw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs p ii n t e r f a c eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a n di t ss y s t e me r r o r i sc a l c u l a t e d a st h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t ss h o w e da b o v e 、t h em e a s u r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m ，b a s e d o nt h ep ca n dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 am i c r o e o n t r o l l e r , o ft r i a x i a l i n s t r u m e n th a sf l b r i g h t a p p l i c a t i o nf u t u r ea n d c a nf u l f i l l e dt h en e e do f m o d e r nt r i a x i a it e s t i n g k e y w o r d s ：t r i a x i a li n s t r u m e n t ，m e a s u r e c o n t r o ls y s t e m ，a x i a ll o a d i n gs y s t e m ， m i e r o c o n t r o l l e r , d a t aa c q u i r i n g , e r r o r 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 1 绪论 1 1 引言 土力学是应用力学的一个分支，它的主要任务是：研究土的本构关系( 即：土的应 力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系) 以及土与结构物相互作用的规律， 建立土的强度一变形理论，为土木工程提供正确的理论指导。 根据土力学的基本原理，土体的强度破坏属于剪切破坏。不同的土体在不同的受力 条件下，其应力应变行为亦不相同。为了研究土在各种应力条件下的剪切破坏行为，需 要用一种科学仪器来模拟土体的各种负载环境，观察和测量土体的应力应变关系，建立 土的剪切破坏准则。 在士力学的科学试验中，直剪仪( d i r e c ts h e a r i n gi n s t r u m e n t ) 是最常用的仪器， 其基本原理如图卜l 所示o 】。 图i 1 直剪仪工作原理图 f i g i - iw o r k i n gp r i n c i p l ei l l u s t r a t i o no f d i r e c ts h e a r 直剪仪的操作非常简单：先将试验土样置于剪切盒中，然后在事先规定的剪切匣中 旌加垂直应力和水平力，然后利用位移测量装置和力测量装置测量试样的剪应变和剪应 力，最后求得试样土的抗剪强度。 虽然直剪仪结构简单，操作方便，但存在明显的缺陷：首先，其模拟的剪切环境过 于简单，和土的实际承载环境相比仍有较大差异；其次，直剪仪无法控制试验土样的排 水条件，无法测量土体内孔隙压力：此外，在剪切试验过程中，试样的体积膨胀效应使 得其与剪切盒之间具有相对位移趋势而产生摩擦力，从而使正应力。增大。因此，由直 剪仪得出的土的力学特性与实际仍有相当的差距。科学研究和工程实践迫切要求一种能 真实再造实际承载环境，功能更为全面的土工试验仪器。 三轴仪是人类为研究土的应力应变关系而设计开发出的一种基础科学试验仪器， 因其可以控制试验土样三个正交方向的应力而得名。与直剪仪相比，三轴仪无论是在结 构或者是在功能上。都要复杂和全面得多。图卜2 是一个最小三轴仪的结构简图。 三轴仪的基本工作原理是0 1 ：以液压加载装置对三轴室内腔加压，提供试验土样两 个径向正交应力；以轴向机械加载装置压缩土样，提供试验土样的轴向应力。在试验过 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 程中，记录上样的三个正交应力、轴向变形以及土样的体积变化。根据这些试验数据推 算出土的抗剪强度等力学性能指标。 图1 2 三轴仪简图 f i g 1 - 2s i m p l i f i e di l l u s t r a t i o no f t r i a x i a lt e s t i n gi n s t r u m e n t 随着土木工程科技的发展，对土工三轴仪的技术要求也越来越高，土工三轴仪向精 密化、自动化和网络化的发展趋势也越来越明显。 1 2 三轴仪的分类 按照三轴仪加载控制方式的不同，三轴仪可大致分为三类n 1 ：应变控制式、应力控 制式和真三轴仪。 1 2 1 应变控制式三轴仪 在三轴剪切试验中，应变控制式三轴仪主要控制的是轴向加载杆的位移，以达到间 接控制土样变形量的目的。应变控制式三轴仪控制算法简单，运行可靠，可完成常规的 不固结不排水( u u ，u n c o n s o l i d a t e du n d r a i n e d ) 试验、固结不排水( c u ，c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e d ) 试验、固结排水( g d ，c o n s o l i d a t e dd r a i n e d ) 试验和k o 固结试验。 应力控制式三轴仪通常采用开环控制，因而成本低，实现容易。近年来，为了提高 三轴试验的精度，应力控制式三轴仪也开始采用位移变形计量装置，实现了闭环或半闭 环的反馈控制“。 1 2 2 应力控制式三轴仪“ 由于土的力学性能与其所经历的应力载荷历史有密切的联系，为了研究应力载荷历 史对土的力学性能造成的影响，要求三轴仪能够模拟各种典型的应力载荷过程。应力控 制式三轴仪在工作时，实时读取从各个传感器传来的物理量信号，并与控制量进行比较， 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 以达到控制加载应力的目的。应力控制式三轴仪可实现典型的应力路径加载试验。 应力控制式三轴仪技术复杂、要求测控系统具有较强的实时控制能力，是典型的闭 环控制系统。 1 2 3 真三轴仪 按照科学试验的要求，完整的三轴剪切试验必须能够实现对土样三个正交方向的正 应力的独立控制( 图卜3 ) 。然而，目前的实际情况是：国内外所有的三轴仪对试样径向 二维正应力的加载控制都是采用液压室加压方式，因此试样的径向二维正应力在整个试 验过程中都是相同的( oz = o 。) ，试验结果只能反映土样在轴对称应力状态下强度和变 形规律，并不能代表土体实际所受到的广泛应力状态下的性能，因此，它还不是真正意 义上的三轴仪。 o o 1 图i 3 真三轴试验土样的加栽应力状态 f i g 1 - 3l o a d i n g s t r e s ss t a t u so f t r u et r i a x i a lt e s t i n g 真三轴仪的试样为立方体，可对试样施加三个正交方向上的不同压力，产生三个独 立的正应力( o 。、o ：、o ：。) 并可测量相应的位移。从技术上讲，真三轴仪的技术难点 在于加载系统的设计上，以目前的技术水平，很难保证在水平的二个方向能独立施加应 力而使变形不互相干扰，同时又不使仪器的构造过于复杂。迄今为止，国际国内虽有 零星的关于真三轴仪的技术报道”1 ，但市场上仍未见有成熟的真三轴仪商品推出。开发 设计出实用的真三轴仪产品仍有大量的工作要作。 1 3 国内外三轴仪的技术发展现状 国内外市场上的三轴仪产品按功能可分为高端产品和低端产品。两者均可以满足基 本的三轴试验要求，但是，它们在技术性能上的差距却非常明显，以下将简要介绍对它 们的特点。 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 1 3 1 低端三轴仪 低端产品的生产商主要是国内企业，其代表产品为南京水力电力仪器工程有限责任 公司的s j l a g 和南京土壤仪器厂的t s z 一3 0 。 以$ 3 - i a g ( 见图卜4 ) 为例口3 ：该三轴仪为应变控制式，测控系统是一个三轴压 力测控柜，由电机控制单元、围压测量单元、反压稳压单元、孔隙压测量单元和体变测 管构成。 图l 一4s j 一1 a o 型三轴仪 f i g 1 - 4s j i a g t r i a x i a l t e s t i n g i n s t r u m e n t l s z 3 0 三轴仪采用普通的三相异步交流电机作加载动力。其轴向载荷加载装置为 蜗轮蜗杆一齿轮减速箱一链传动的结构，而围压加载单元使用的是传统的手动操作的液 压控制柜。 由于t s z 一3 0 三轴仪未采用伺服电机系统作驱动源，因而只能通过人工切换减速器 速度档束实现加载速率的改变，因而加载冲击性大，自动化水平和控制精度低。另一方 面，试验数据均显示在模拟式仪表上，不但容易引入人为读数误差，而且不便于试验数 据的记录和整理。 t s z 一3 0 三轴仪目前一般仅作为教学仪器使用，作为科研用仪器，其技术性能已经 落后，无法胜任现代三轴剪切试验的要求。 1 3 2 高端三轴仪 目前，高端三轴仪产品几乎为英美厂商所垄断。表卜1 是世界著名的三轴仪生产厂 商。从该表可以看出，这些三轴仪均配备了先进的数字式伺服控制器，具备相当高的自 动化水平，试验员只需通过试验管理软件编辑好试验流程，设定好试验参数，三轴仪系 统就能以无人干预的方式高精度地自动完成三轴试验，并自动填制试验报表，绘制试验 图线，形成规范的试验报告。在高端三轴仪中，英国g d s 公司和美国g e o c o m p 公司的产 品最具代表性。 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 表l - 1 先进三轴仪产品6 1 7 1 ”“ t a b l ei la d v a n c e dt r i a x i a ip r o d u c tl i s t 图l - 5g d s 公司的标准三轴仪系统 f i g i - 5s t a n d a r dt r i a x i a lt e s t i n gs y s t e mf r o mg d s 1 33 国内工程界在测控系统方面所作的努力 国内岩土工程界已经注意到了国产三轴仪与国外先进的三轴仪之间存在的巨大技 术差距，随着微机技术与信息技术的普及和进步，国内的部分研究机构开始应用这些新 技术致力于旧式三轴仪的改进和新型全自动化三轴仪的研制。 目前，国内在三轴仪技术上所取得的成果总要可归结为三类：l 、在旧式的设备上 利用p c 技术添加上数据采集和处理系统“”“”“，这项改进使得旧式的三轴仪系统具有 了初步的自动化处理能力，但是，由于改进工作并未涉及控制系统，因此，试验机的技 术水平并未得到本质的提高；2 、利用微机技术尤其是p c 机的技术来构建三轴仪的测控 系统。这类技术的特点在于：测控系统硬件以控制卡和数据采集卡的形式内置于p c 机 的扩展槽中，监控软件基于w i n d o w s 环境下进行开发。这种技术充分利用了p c 的软硬 件资源，但是先进的运动控制卡与数据采集卡价格昂贵“”“”7 r ls p 控制卡和数据采集 卡的驱动软件对作二次开发的用户来说是个“黑匣子”，不便于作适用于土工专业领域 的改进。3 、开发新型的三轴仪。如：河海大学与日本圆井株式会社合作开发多功能静 动三轴仪“；而清华大学则把目光转移到了先进测量系统的研究上，开发出了先进的多 用途体变测量与控制系统咖1 ：我校土建学院则在该领域开发出了具有自主知识产权的计 算机图像测量装置n “。前两者目前还未见成熟的商品推出，我校的图像测量技术已申请 了国家专利。 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 1 4 本课题的背景与意义 目前，国内众多的科研院所和工程公司都有对高级三轴仪的强烈需求，但因为国产 三轴仪技术水平的落后而无法满足这种要求，市场为少数几种类型的进口三轴仪所垄 断，而一套进i ：i z 轴仪售价往往高达数十万元人民币。由此可见，市场上存在着技术水 平相当，价格合理的国产三轴仪的生存空间。 另一方面，从技术上来看，利用现有的机电技术已经完全能够设计开发出与国外公 司性能相当的三轴仪产品。因此，我校工程力学系邵龙潭教授组织土力学和机械工程学 的相关技术力量，展开了新型三轴仪的研究开发工作。本课题的内容即属于该项目的初 期研究。 1 5 课题研究所要解决的主要问题 根据典型的现代土工三轴剪切试验规范，研究新型三轴仪的功能需求，提出新型三 轴仪的基本解决方案。 研究三轴仪的测控体系结构，给出合理的技术解决方案，改变过去那种对试验过程 参数只采集不控制的作法，为实现较高的自动化控制提供一个可靠的技术基础。 研究新型三轴仪的轴向加载系统方案，使之具备较为精细的加载控制能力 研究新型三轴仪数据采集单元的硬件体系结构，为测控系统的软件设计开发提供一 个技术先进、工作可靠的开发平台。 6 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 2 测控系统的功能需求分析和体系结构的研究规划 在自然界中，土是一种相当特殊的工程材料。与大多数的工程材料不同，土的强度 指标以及其在载荷条件下的应力一应变行为会因载荷历史和环境的不同呈现出很大的 差异。为此，人们设计了各种不同的试验来研究土在不同条件下的力学特性。在各种不 同的土力学试验中，最具代表性的三轴试验有经典三轴试验( u u 、c u 、c d 、k 。) 、应力路 径试验以及动三轴试验。由于动三轴试验具有相当的复杂性和技术实现难度，本课题仅 针对前两种土工试验进行分析，并以此进行三轴仪的研究开发。 2 1 测控系统功能需求分析 评价一套三轴仪系统是否先进，主要是看其是否能够高精度地自动完成经典三轴试 验和应力路径试验。因此，根据以上三种典型试验展开三轴仪测控系统的分析研究是必 要和合理的。 2 1 1 三轴剪切试验基本原理 如图1 3 所示，土力学中土体的基本理论分析模型是六面体- - - t 0 3 受力微元，土样的 强度破坏理论即是建立在该模型基础之上的剪切破坏理论。 三轴剪切试验的基本原理是：给土样旌加三个正交应力，使试验土样在某个面上产 生剪切破坏。三轴剪切试验的土样通常为圆柱形，在其两端加上滤纸、透水石、轴力传 递及排水装置后，将土样包裹在薄橡皮膜中，置于液压三轴室中( 参见图卜2 和图2 一1 ) 。 试验土样的周向应力o 。、o ，( o ：= o 。) 由液压室内的压力p 提供，轴向应力ot 由轴 向加载装置产生的压缩载荷f 提供。当三轴剪切试验进行时，要求实时记录轴向加载力 f 的大小、围压p 的大小以及土样的变形量，直至试验土样发生剪切破坏“。 三轴剪力试验的目的是用来测定试样在某一固定周围压力下的抗剪强度，然后根据 三个以上试样，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用莫尔一库仑破坏准则确定土的 抗剪强度参数。 与直剪试验相比，三轴剪切试验是一种比较完善的试验方法，它可以控制试样的排 水条件，也可以测定土体内的孔隙水压力，试样不会受到剪切面的限制等等。同时，三 轴剪切试验可以根据建筑物和建筑物地基的特点以及设计施工的不同要求确定试验方 法，为工程施工提供更符合实际的技术指导。 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 图2 - l 三轴试验原理示意图 f i g 2 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t r i a x i a ls h e a r i n gt e s t 21 2 经典三轴试验对测控系统的功能需求 按照排水条件与固结条件的不同，经典的三轴剪力试验可以分为不固结不排水剪 ( u u ， j n c o o s o l i d a t e du n d r a i n e d ) 、固结不排水剪( c u ， c o n s o l i d a t e du n d r a in e d ) 、 固结排水剪( c d ，c o n s o l i d a t e dd r a i n e d ) 以及k 。固结三轴剪n “。 1 、不固结不排水试验：试样在周围压力和轴向压缩载荷作用下，从试验开始直至 破坏全过程中均不允许排水。 2 、固结不排水试验：试样先在某一周围压力下让土体完成排水固结，然后在不排 水条件下旅加轴向压缩载荷直至破坏。 3 、固结排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固结，然后在允许试样充分排 水的条件下增加轴向压缩载荷直至破坏。 4 、k 。固结三轴剪：前三种试验方法都是在等向压力即0 。= 0 产0 ：，的条件下排水固 结，即等向固结。而i ( 0 固结试验是先使试样在不等向压力下固结，即按k 。0 = o 。= 0 ：，施加周围压力，然后进行不排水剪或排水剪试验。 以上四类三轴试验中，排水试验要求三轴仪能进行试样的饱和操作。 查阅我国水利部颁布的三轴剪切试验标准规程o “，经分析研究后，总结出三轴仪测 控系统完成上述四类试验所需要具备的功能： l 、具备对试样的轴向加载速率和轴向加载力的控制能力。 2 、具备对试样围压、反压的加载控制能力。 3 、能准确测量轴向加载力大小和土样的变形量。 4 、具备测量围压、反压和孔隙压的能力。 5 、测控系统具有反馈控制能力：通过实时监测孔隙压、围压和反压的变化情况， 自动判断固结过程和饱和过程是否完成；能过检测轴向加载力的变化和土样的 变形情况，自动判断试样是否产生了剪切破坏或者剪切过程是否应该终止。 6 、具有良好的人机交互界面，可接受并显示用户输入的试验控制参数。 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 2 1 3 应力路径试验对测控系统的功能需求 经典三轴剪切试验在试验过程中对于轴向加载力的操作是只测量不控制，这类试验 在本质是应变控制式的。应变控制式三轴试验在确定土的剪切破坏值时，通常采用下面 两种判据：当出现峰值应力时按峰值计：如无明显的峰值出现时按1 5 轴向应变时的主 应力差作为破坏点的标准。然丽，这样的处理方法对于天然土来说过于简单化。为了将 天然土的复杂性、胀缩性和超圃结程度在剪切过程中很好地反映出来，人们设计了应力 路径三轴剪切试验来研究土的这些特性u “1 。 应力路径是指在土体在外力作用下，土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的 轨迹，它是描述土体在外力作用下的应力状态及变化过程的一种方法。同一种土体制备 成相同规格的试样，采用不同的应力路径和不同的试验手段使之破坏，其应力变化过程 足不相同的。基本的三轴试验应力路径共有七种，主要的不同之处表现为剪切过程中对 主应力0 和o 。不同的控制规律。应力路径试验的分析理论己超出本课题的研究范围， 沦文对此不作深入研究。 研究应力路径剪切试验规程“”后发现：应力路径剪切试验是典型的应力控制式剪 切试验。这种试验对三轴仪测控系统的功能上提出了更高的要求，要求系统能迅速准确 地测量轴向压缩载荷和围压，然后根据控制策略的要求对轴向加载系统和围压加载系统 作出实时调整。应力路径试验的测控对象仍为：轴向压缩载荷、围压、反压、孔隙压、 轴向加载速率和试样的体积变化量，与经典三轴试验的测控对象完全相同。 2 1 4 现代三轴仪测控系统的功能需求 现代三轴仪除了要能胜任上述各种三轴剪切试验的要求，实现多功能化外，还必须 具有较高的自动化水平。自动完成三轴试验并记录试验数据，是现代三轴仪测控系统的 基本功能要求。此外，自动处理试验数据、出具试验结果图表也是现代三轴仪系统应具 备的一个重要功能。 综合以上分析研究的结果，先进的现代三轴仪测控系统应具备如下的基本功能： l 、具有对加载装置或机构的实时反馈控制能力，能够控制以下对象：轴向压缩载 荷、轴向加载速率、围压、反压。 2 、具有准确高精度的测量能力，能自动测量并记录以下物理量：轴向加载力、土 的变形量、围压、反压、孔压、体积变化量。 3 、具有可靠的数据存储能力，能将测量到的试验数据安全可靠地存储下来。 4 、具有自动分析和处理试验数据能力，并自动生成试验报表。 5 、具有良好的人机交互界面，便于试验操作人员操作控制。 2 2 三轴仪测控系统结构的研究规划 在研究获得了新型三轴仪测控系统的功能需求后，本节将围绕这些需求，建立起一 个先进有效的测控系统结构。 9 额型土工三轴仪测控系统的基本研究 2 2 1 整机测控系统的规划 先进的测控系统通常都以微机为构成核心“。典型的微机测控系统结构如图2 2 所 示。整个测控系统的核心是微型计算机，它既是联系人与控制对象的枢纽，又是所有信 息的处理中心。微型计算机的性能直接影响到整个测控系统性能的优劣。 卫垂塑 ：卜叫模拟量输入通道卜- 测 微 控 翌亚童 h 模拟量输出通道 卜 型 对 叫二亟亘熏： 刊开关量输入通道 + 计 象 算 玉雯亟匠 i 一开关量输出通道 卜 机 图2 2 微机测控系统典型结构 f i g 2 - 2t y p i c a ls t r u c t u r eo fm e a s u r e c o n t r o ls y s t e m b a s e do nm i c r o c o m p u t e r 操作员 其它微机 总结前面对三轴仪测控系统的功能需求分析结果可以得出结论：测控系统的计算机 需要处理两类事务：实时控制和数据分析处理。三轴试验控制本质上属于过程控制，因 此要求测控系统具有很强的实时响应能力；另一方面，由于三轴剪切试验处理的数据量 大，试验报告较为复杂，因此需要有强大的应用软件作支撑，这就要求测控系统中的计 算机具有运行大型应用软件的硬件基础。 就目前的技术成就而言，解决试验数据分析处理最经济有效的手段就是充分利用p c 机的技术资源，在w i n d o w s 系统的基础上开发试验数据分析处理软件。由于w in d o w s 操作 系统是目前应用最为普遍的商用操作系统，其操作方式为大多数人所熟悉，将三轴仪试 验数据分析处理系统构建于w i n d o w s 系统之上，可实现三轴仪的测控软件的易操作性。 另一方面，w i n d o w s 环境下有众多的软件开发工具可供利用，有可靠的开发技术保证， 而且开发工作量小，容易实现。 然而，三轴仪测控系统的实时控制模块却不能建立在w i n d o w s 操作系统和p c 的技术 基础上，原因在于：w i n d o w s 系统是一种采用时间片轮换法的操作系统，该技术决定了 系统对于外部中断的响应时间没有可预知性，很难满足现场实时控制的要求。一个变通 的方法是在l ，c 机上加装数据采集卡和运动控制卡，在w i n d o w s 系统下调用板载控制软件 来实现试验过程的实时控制，这种作法的优点是开发工作量小，开发进度也有保障。但 是，该方案也存在着明显的缺点： l 、形成的测控系统整机成本高。由于数据采集卡和运动控制卡均属于外购商品， 成本很难得到有效的控制。 2 、运动控制卡的软件通常含有许多三轴仪系统不需要的功能，而它对二次开发者 来说是一个“黑匣子”，无法对其进行改进和裁减，因而造成功能的浪费。 ：j 、产品难以形成技术壁垒，容易为他人仿制。 解决上述实时控制问题有效的方法是将测控系统设计成上、下位机的体系结构，并 在下位机中引入微控制器，由它独立完成三轴试验的数据采集和加载控制。这种技术方 案所带来的优点是：p c 无须承担控制任务，只接收和存储下位机的采集数据，待试验进 行完毕后进行数据的分析处理和填制试验报告；而微控制器可以充分发挥其实时控制能 1 0 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 力强的优点，完全掌握三轴仪加载装置的实时控制权并适时上传采集到的试验数据。随 着近年来芯片设计制造技术的飞速发展，微控制器所具备的功能越来越强大，种类也越 来越多，而其应用灵活，成本低兼的优点依然得到了继承。这一切为设计开发三轴仪实 时控制模块提供了坚实的技术保障。 以上研究分析表明，合理的三轴仪测控系统解决方案应是基于上、下位机的结构型 式( 见图23 ) ，其特点是： 硬件：以p c 为上位机，下位机以微控制器核心，实现测控系统硬件上的分离，充分 发挥p c 丰1 1 微控制器各自的技术优点。 软件：将测控系统的软件进行功能分解，试验数据分析处理部分运行于i ) c 机上，实 时控制软件则运行于以微控制器为核心的下位机中。 图2 3 三轴仪测控系统结构 f i g 2 - 3m e a s u r e & c o n t r o ls y s t e m ss t r u c t u r eo f t r i a x i a li n s t r u m e n t 图2 4 是英国g d s 仪器公司的三轴仪测控系统结构图瞳”，该测控系统采用的技术与前 述的技术方案在总体设计思想上是一致的。 图2 4g d s - - - 轴仪的测控系统结构 f i g 2 - 4m e a s u r e c o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo f g d s i n s t r u m e n t 22 2 下位机测控系统的规划 根据前面对三轴仪测控系统的功能需求分析结果以及测控系统的总体结构设计，下 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 位机的测控任务是：实时测量轴向加载力、围压、反压、孔隙压等过程参数，对轴向加 载电机、围压加载电机、反压加载电机进行反馈控制。同时，下位机测控系统还要完成 与上位机的数据通信，以便将试验数据上传至上位机p c 进行分析处理。下位机测控系统 结构如图2 5 所示。 避 厂丽酉矿 l 加载电机 l 反压力 i 加载电机 燕弘哑 电机驱动嚣 电机驱动器 璺卜匪堕卜圈殛 趸卜匝吁+ 匝匦 蕊卜咂受 匦 i i ! ! ； 嘏其它诘机 嚣l 厂l 囊h 馘转换器 器i 一 图2 5 下位机测控系统结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo f f r o n tm e a s u r e c o n t r o ls y s y t e m 应该指出的是，在三轴仪下位机的测控系统中，并没有设计测量土样变形的检测通 道，其原因在于：常规的量测方法测得的只是土的平均体积变化量，不能准确反映土的 实际变形行为。目前，我校已研制出了用于三轴剪切试验的高精度体变测量装置，该装 置以图像处理卡的形式工作于上位机p c 中。因此，本设计中的下位机只需通过数据通讯 接口将测量结果读入即可。 2 2 3 测控系统的网络接口 土力学试验除了三轴剪切试验外，还有直剪试验、渗透试验和固结试验，这些试验 均有相应的试验仪器。通常，完整的土工试验室均配备有以上各种试验仪器，有时一种 仪器甚至不止一台。如何对这些种类各异的仪器实现自动化操作并进行有效的集中管 理，成了土工试验仪器领域近年来的研究热点。阿络测控技术的出现为这一问题的解决 提供了一个非常有效的技术方案。 网络测控系统是一种分布式测控技术，它的思想是，将传统集中式测迭系统的大部 分控制功能下放到各个受控子设备中，由子设备独自完成实时反馈控制和数据采集，然 后通过数据总线将相关数据上传至主控计算机中作分析处理；另一方面，各子设备又可 从数据总线上接受主控计算机的控制参数设置，改变控制策略。与传统的集中控制系统 相比，当分布式测控网络上某个节点子设备出现故障时，不会影响其它节点的正常工作， 因而具有更高的可靠性；此外，测控系统的节点可以容易地实现增加或裁减，因此具有 很好的开放性。目前，美国g e o c o m p 公司已经将这种概念贯穿到了其全线的土工试验仪 器产品设计中。图2 6 是以根据该公司的产品手册瞄1 上的描述导出的测控系统网络结构。 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 图2 6g e o c o m p 土工试验测控网络结构 f i 9 2 - 6l a n - n e ts t r u c t u r eo f g e o c o m p sl a b r a r y 在本课题的研究中，为了适应三轴仪测控系统网络化的技术发展趋势，有必要为三 轴仪的测控系统选择一种良好的通讯总线接口，以增强产品的功能和使用灵活性。目前， 用于测控技术领域的总线结构形式众多，比较常用的有：r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、c a n 、l o n w o r k s 、 i i a r i 、p r o f l u s 等。其中，c a n 总线近年来在小型测控网络的应用中获得了迅速的普及。 c a n 总线是德国b o s g i 公司在2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试 仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，它是一种多主总线，通讯介质可 以是双绞线、同轴电缆或光纤，通讯速率可达1 m b p s 。c a n 协议取消了传统的站地址编码 方式而代之以对数据块进行编码，这种技术可以使不同的网络结点同时收到相同的数 据，这一特点对分布式测控系统非常有用。同时，c a n 协议的数据段长度最多为8 个字节， 可满足通常工业测控领域中控制命令、工作状态和测试数据的一般要求，同时8 个字节 不会占用总线过长的时间，从而保证通信的实时性。c a n 总线在校验方式上采用了c r c 算 法标准，保证了数据通信的可靠性 2 q o 综上所述，c a n 总线非常适宜于土工仪器设备的 互联。 考虑到兼容性和先进性，应将r s 一2 3 2 通讯接口和c a n 总线接口同时引入三轴仪测控 系统。其中，r s 一2 3 2 接口在绝大多数的微控制器和p c 机上都有良好的硬件支持，因而实 现成本极低；对于c a n 总线接口，目前世界各大半导体公司，如：t i ，m o t o r o l a 、p h i l i p s 、 m a x i m 等，都有成熟的产品及技术解决方案提供，因此也比较容易实现，且成本适中。 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 3 轴向加载系统关键技术的研究 传统三轴仪的轴向加载系统构成”。如下： 开关控制单元：交流接触器+ 空气开关 动力单元：三相异步交流电动机 调速及运动变换单元：齿轮减速箱+ 传动链条+ 螺杆传动装置 检测单元：量力环 试验过程中，交流接触器和空气开关控制电机的启停和转向，电机输出经齿轮减速 箱减速后由链条传动至螺杆轴，再由螺杆轴将回转运动转变为直线运动，推动加载平台 产生位移，实现对土样的加载：加载力由量力环上的千分表读数作计算后得出。上述系 统由于链传动和齿轮减速器的存在，不可能实现较高的加载控制精度，同时加载平稳性 也不好。 由于土体材料的特殊性和多样性，现代三轴剪切试验要求三轴仪必须具备很低的轴 向加载速率，该速率是衡量三轴仪系统性能优劣重要指标。目前，美 虱g e o c o m p 公司已 经在其l 0 a d 阡a c h 加载装置上实现t o 0 0 0 0 3 m l m i n 轴向加载速率“。因此，对于具有 较高技术要求的新型三轴仪，必须研究设计新的轴向加载系统。 3 1 轴向加载系统的实现方式 三轴仪轴向加载系统主要有两种方式：刚性机构加载方式和液压加载方式。 刚性机构加载方式是现今三轴仪系统中技术最为成熟、应用最为普遍的轴向加载技 术，通常以加载框架的型式来实现。图3 1 是美国g e o c o m p 公司的l o a d t r a ci i 加载框 架。 图3 - 1l o a d t r a c 儿型加载框架 f i g 3 - ll o a d i n gf r a m eo fl o a d t r a ci i l o a d t r a ci i 加载框架的主要部件m 1 为：步进电机、导向螺杼、三轴室托盘、垂直 压缩杆和横梁。其加载原理为：步进电机驱动导向螺杆，将旋转运动变换为直线运动， 4 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 带动三轴室托盘上升，由移动的三轴室托盘和固定于顶部横梁的压缩杆联合对三轴剪切 试样施加轴向载荷。采用加载框架的三轴仪对于轴向加载力的测量通常采用s 型荷载传 感器，此类传感器具有高达0 0 1 的满量程线性误差，配合精密的轴向加载机构，可以 实现对轴向加载力的精确控制。 液压加载方式是由英国帝国学院的b i s h o p 和w e s l e y 于二十世纪六十年代提出的， 实现这种加载方式的典型装置是b i s h o p w e s l e y 型三轴室。b i s h o p w e s e y 型三轴 室在传统三轴室的底部加设一个液压活塞筒，通过液压泵将指定压力的脱气水注入该活 塞筒中，以活塞推动压缩杆上移，从而对三轴试样施加轴向压缩载荷。这种加载方式省 去了体积较大的加载框架，使得三轴仪系统更加紧凑。图3 2 是英国g d s 公司用于3 8 r n m 和5 0 r a m 试验土样的b i s h o p w e s l e y 型三轴室。 图3 - 2b i s h o p w e s l e y 型三轴室 f i g 3 - 2b i s h o p & w e s l e y - t y p et r i a x i a lc e l l 如果要将b i s h o p w e s l e y 型三轴室应用于在大直径试样，则必须产生较高的液压 才能满足轴向加载能力的要求。但高压会带来诸如动力装置体积增大和液压回路密封不 良等技术难题：另一方面，应用b i s h o p w e s l e y 型三轴室的三轴仪系统在测量轴向力 时采用的是潜水式测力仪，该仪器的最高精度仅为满量程的0 1 ，若按i o k n 的轴向加 载能力计算，则雕s h o p w e s l e y 型三轴室对轴向加载力的测量分辨率最高只能达到j 0 n ， 考虑到测控系统其它环节的误差以及温度变化对测量系统的影响，这个精度对于精密的 现代三轴剪切试验来说略显不够。 综上所述，轴向加载系统采用加载框架的技术方寨更为先进合理。 3 2 框架式轴向加载系统的几项关键技术 3 ，2 1 加载电机 电机是加载系统的动力。现代三轴仪通常要求在同一机械加载框架下，既能完成应 变控制式试验、又能完成应力控制式试验：同时，应变控制式试验对加载装置的轴向定 位能力具有较高的要求，因此，加载电机必须要有良好的位置控制能力。目前，满足上 新型土工三轴仪测控系统的基本研究 述要求的电机主要有交直流伺服电机和步进电机。 交直流伺服电机的受控量是电机的输出扭矩和转速，电机本身并不具备精确的位 置控制能力。为获得精确的位置控制能力，交直流伺服电机需要配备旋转编码盘。交