（电力电子与电力传动专业论文）基于反射法的桩基完整性检测装置的研制.pdf

摘要 桩基检测是岩土力学学科的重要分支之一，它在基础建设中具有重要的意义。随着 经济的发展和一些建筑事故的出现，人们对于建筑质量的要求越来越高，对有关桩基检 测与桩基诊断的研究的要求也越来越高。从桩的振动信号中获得能反映桩本身的状态以 及有关桩周土状态的信息是桩基检测的主要方法。本课题在进行文献调研和资料研究的 基础上针对现有桩基动测技术的研究现状，对基于反射法的桩身完整性检测进行了方 案论证，确定了咀下的设计内容： 在硬件设计上，提出了基于工业主板的数据采集、微机控制、图形显示和键盘操作 一体化的思路，确定了“在线分析”和“离线诊断”同时兼顾的模式。在数据采集部分 设计中。采用了程控浮点放大技术，改善了传统放大器运用手动切换进行增益调节存在 的不可克服的缺点，也比一般的采用多路开关进行切换的方式速度更快，精度更高：同 时还将外触发电路和计数器进行配合，实现延迟触发和负延迟触发，使对桩基信号的分 析更灵活；采用直观的汉化图形式菜单界面，将时域、频域的波形更清楚、方便的显示 出来。 在软件设计中，根据“自顶向下”的程序设计原则，采取功能模块化的设计思路， 结合桩基信号分析的实际需要，进行了初始化与采集控制程序、数据分析处理程序、显 示程序、通信等程序的设计，并给出程序流程图。 同时，还在原有的频谱分析的基础上，将最大熵谱分析应用到桩基检测中来。传统 的频谱分析是基于傅立叶分析的由于傅立叶分析存在分辨率较低的问题，当桩基信号 数据较少或采样率较低时( 如桩较长时) ，不能很好的适应分析需要。而最大熵谱分析具 有在数据较少时也有较高频率分辨率的特点，将其应用到桩基动测中来，能够很好的进 行信号的频率抽取。 在此基础上，设计出具体电路并进行了模拟分析试验通过装置电路的设计和调试 得出实验结果。实验结果表明：该装置可实现程控浮点放大和负延迟触发，对桩基信号 能进行正确的拾取，并能针对采集的信息进行正确的分析、判断。 关键词：柱基动测浮点放大最大熵负延迟触发 a b s t r a c t p i l ed y n a m i cd e t e c t i o ni sa l li m p o r t a n tb r a n c ho f r o c ka n ds o i lm e c h a n i c s a n d i th a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nt h ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n a l o n gw i mt h e e c o n o m y sd e v e l o p m e n t a n d e m e r g e n c e o fs o m ea c c i d e n t ，t h ed e m a n dt oq u a l i t yo f b u i l d i n ga n d r e s e a r c ho f p i l ed y n a m i cd e t e c t i o ni sm o r ea n dm o r es t r i c t 1 1 1 em a i n w a y o fp i l ed e t e c t i o ni s o b t a i n i n gt h ei n f o r m a t i o nf r o mv i b r a t i o ns i g n a lo fp i l e ， w h i c hr e f l e c t st h es t a t u so f p i l ea n ds o i ls u r r o u n d i n gi t b a s e do nr e s e a r c h i n ga l a r g en u m b e ro fd o c u m e n t sa n dp a p e ra n da n a l y z i n gp r e s e n ts i t u a t i o no fp i l e d e t e c t i o n ，t h ed e s i g ns c h e m eh a sb e e np r o p o s e da n dp r o v e d d e s i g nc o n t e n t sa r e d e c i d e da sf o l l o w s ： i nt h eh a r d w a r e d e s i g n ，t h e i d e ao f i n t e g m f i o np a 就e m o f a n a l o g ，d i g i t a l ，g r a p h a n dk e y b o a r da r ep r e s e n t e d a n dt h em o d eo f “o n - l i n ea n a l y s i s ”a n d “o f f - l i n e d i a g n o s e ”i sa s c e r t a i n e d a n di nt h ed e s i g no fd a t a - a c q u i s i t i o np a r t , p r o g r a m m i n g g a i na m p l i f i e r ( p g a ) i sa p p l i e d p g ai m p r o v e ss o m ed r a w b a c k s ，w h i c ha r e p m d u c e db y t r a d i t i o n a lh a n ds w i t c ht oa d j u s tg a i n ，a n di ti sf a s t e ra n dm o r e p r e c i s e t h a nm u l t i s w i t c h c o l l a b o m t e dw i t ht r i g g e rc i r c u i ta n dc o u n t e r , t h e yc a nr e a l i z e d e l a y e d - t r i g g e ra n dn e g a t i v ed e l a y e d t r i g g e r w h i c hv a l i dt oa n a l y s i so fp i l e d o t m a t r i xg r a p h i c l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc o m p o n e n t c a ns h o w g r a p h sc l e a r l y i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，b a s e do nt h e d e s i g np r i n c i p l eo f “f r o mt o p t oe n d ”，t h e d e m a n do f a n a l y z i n gp i l es i g n a li sc o n s i d e r e d ，t h e ni n i t i a l i z ea n dd a t a a c q u i s i t i o n p r o g r a m s ，d a t a - a n a l y s i sp r o g r a m s ，d i s p l a yp r o g r a m sa n dc o m m u n i c a t i o np r o g r a m s a r ed e s i g n e da n dt h e i ra l g o r i t h m sf l o wc h a r ta r eg i v e n o nt h eb a s i so ff r e q u e n c ya n a l y s i s ，m a x i m u me n t r o p ym e t h o d ( m e m ) i s u s e di nt h ep i l ed e t e c t i o n t r a d i t i o n a lf r e q u e n c ys p e c t r u mi sa na n a l y z i n gm e t h o d b a s e do nf f t w i mt h ed e f i c i e n c yo f p o o rr e s o l u t i o n f o u r i e ra n a l y s i sc a n n o tm e e t t h ed e m a n dw h e nt h ed a t ai sl i m i t e d h o w e v f f t , m e ms p e c t r u ma n a l y s i sh a sg o o d f e a t u r e si nf r e q u e n c yd o m a i n ，a n dh a sg o o dr e s o l u t i o n w h e nm e m s p e c t r u m a n a l y z i n g i sa p p l i e di nt h e p i l ed e t e c t i o n ，i tc a np r o v i d ef r e q u e n c y e x t r a c t i o n s p e c i f i cc i r c u i ti sd e s i g n e da n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i se x p e r i m e n t sa r ef i n i s h e d ， a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r cg i v e nt h r o u g hd e s i g n i n g ，a d j u s t i n gt h e s y s t e m a t i c c i r c u i t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a na c h i e v ep r o g r a m m a b l e s e l e c t i o ng a i na n d n e g a t i v ed e l a y e d t r i g g e r , a n di tc a np i c ku pt h ev i b r a t i o ns i g no f p i l ea n da n a l y z i n ga n de s t i m a t i n g t h e m k e y w o r d s ：p i l ed e t e c t i o n ，p r o g r a m m a b l e g a i na m p l i f i e r , m a x i m u me n t r o p y m e t h o d ，n e g a t i v ed e l a y e d - t r i g g e r 2 第一章绪论 1 1 桩基动测的意义和特点 桩基是各类建筑物基础的一种常见型式。随着工业的发展，重大建筑工程项目日益 增多，大尺寸和高承载力的桩基已经屡见不鲜了。虽然桩基在深基础形式中相对来说比 较经济，但总的来说还是比较昂贵的。因此，保证桩基质量，充分发挥桩的作用，满足 设计的需要，是桩基工程的关键。同时，由于桩基工程是地下隐蔽工程，地下情况复杂 多变，桩基的施工质量往往不易控制。据国内的粗略统计，桩基工程的施工质量的完好 率平均为8 0 左右。目前，我国桩基施工队伍庞杂，施工工艺各异，施工机具良莠不齐， 桩基的施工质量不佳是较为普遍的问题，甚至有偷工减料的现象。如果不及时查处并采 取补救措施，将会对整个工程造成不可估量的损失。这已被许多严重的桩基工程事故所 证实。 对于预应力桩，可以通过对制造工序的严格要求来保证质量。为了保护环境和节省 投资。工程中开始广泛应用就地灌注桩，而灌注桩的质量控制就没有像预应力桩那样有 效了，这使得对桩基进行检测显得很有必要。以往工程界主要是用静载荷试验确定单桩 和群桩的承载力，而对灌注桩施工质量的检测则采用钻孔取芯法、超音波法和y 射线法。 静载荷试验和钻孔取芯等方法耗时费资，而且由于试桩数量较少，难以对整个工程用桩 进行比较全面的评价。因此，国内外科技人员一直在寻求一种快速、简便和可靠的桩基 测试方法，桩基动测技术就是在这种工程实际需要的背景下得以提出和发展的。 桩基动测法和静载试验相比有以下几大优点。1 ： ( 1 ) 动测法仪器设备轻便，检测速度快，费用较低。过去用静载试验法测一根桩往 往需要3 5 天，而且耍花费大量人工：用动测法，几个人只需要花半个小时就可以测一 根桩，并且费用更省。 ( 2 ) 动测法具有静载苟试桩不具备的检测功能。动力测桩除了和静力试桩一样，可 检测单桩承载力外，还具有桩身结构完整性检测、沉桩能力分析、桩工机械监控和桩动 态特性测定等功能。 ( 3 ) 动测法可以区分破坏模式是土的破坏还是桩身结构破坏。动测法可以检验出缺 陷的性质及其位置因而能较容易的对两者进行区别不至于做出错误的判断。 ( 4 ) 动测法还可对工程桩进行普查。因为检测时间短费用省，人工少，可对工程 用桩进行普遍检查从而对整个桩基工程做出更全面、客观的评价。 随着我国工程建设的迅速发展，桩基础作为土木工程中一种最常用的基础型式广泛 应用于各种领域。基于工程实际的需要，由于桩基动测法具有上述优点，这种测桩的方 法在我国无论是在理论研究上，还是在研制实践上都得到长足的发展和广泛的应用。 1 。2 国内外的桩基检测方法 桩基动测实质上并不是某种方法的名称，而是一类方法的统称。其基本工作过程都 是遇过对桩在原位施加动力作用的同时测定桩的响应( 可以是桩的位移、速度或加速度 等) ，通过对信号进行时域分析、频域分析或传递函数分析，以判断桩身结构完整性和单 桩的承载力，进一步还可以延伸到整个桩基工程的检测与评定。根据作用在桩项上动力 作用的能量大小、桩身应力水平以及能否使桩土间产生一定的塑性位移或弹性位移，通 常把桩基动测分为高应变和低应变两种方法”。 1 桩基高应变动测法 高应变动测法简称h s t 法。应用这种方法，作用在桩顶上的能量大，应力和应变水 平接近或达到工程桩的应力、应变水平，动荷载使桩克服周围土阻力产生贯入度，从而 使桩- 土之间产生的动位移接近常规静力压桩时的沉降量( 通常的应变量级约为1 0 3 ) 1 4 】， 以使桩侧和桩尖土的极限阻力得到充分发挥。在桩顶测量到的桩土响应信号中包含有承 载力因素，通过对波动方程进行求解直接计算出与桩运动相关的土的静、动阻力及桩 的缺陷程度，从而对桩的极限承载力进行定量的评估。 高应变动力检测中又分很多方法，其中较常用的有两种： ( 1 ) c a s e 法 p ：v ：，一= a ：，即桩的波阻抗大于土的波阻抗 此时桩底反射应力波与入射应力波异号。即反射应力波为上行波；而反射波的速度 好信号与入射波的速度信号符号相同，即桩顶速度检测器检测的反射信号与入射信号同 相。 ( 2 ) p ，v ，很小时 一般而言，桩尖处的反射应力波和反射速度波的幅值均弱于入射波。但是当桩尖处 土质变“软”时，即土阻抗变小时，反射波的幅值变大，特别是桩阻抗与土阻抗相差很 远时，桩底可看作自由桩。由式( 2 2 5 ) 和( 2 - 2 9 ) 可知，反射系数绝对值为1 。即反 射应力波幅值与入射应力波幅值近似相等，但方向相反：反射速度波与入射速度波幅值 也近似相等，但方向相同。 ( 3 ) 当p ，v ，增加时 1 4 此时反射波的幅值变小，尤其当桩底抵紧在坚固的基岩上时( 相当于嵌岩桩) ，反射 系数近似为一1 ，桩尖处波速为零，而应力加倍。但这种桩尖处与入射波反向的速度反射 波传到桩顶时，又经一次反射，故桩顶处检测到的速度波方向与入射波相反，且幅值为 入射波的两倍。 2 3 2 桩身缺陷的判别 对于桩身的判断同样需要分类进行讨论： a i a i + 1 ，r、 、一， 一一。 一一j 二自由 ( a ) 完整桩( b ) 缩颈( c ) 扩颈 图2 4 桩身的缺陷 ( 1 ) 完整桩( 无缺陷、截面均匀) 的判断 完整桩的任意两个截面相等( 如图2 - 4 a ) ，有p = p ：、v 。= v 2 、a 。= a 2 。由式 ( 2 - 2 5 ) 和( 2 2 9 ) 可知，反射系数为零，即桩身内各截面产生的反射信号为零。 ( 2 ) 缩颈情况的诊断 缩颈表现为弹性波有桩顶向下时a ， 一。( 如图2 - 4 b ) 即由大截面传播到小截面( 缩 颈处) 。此时下行弹性波将产生反射波和透射波，反射波到达桩顶时。由( 2 2 9 ) 可知， 检测器测到的反射位移波与初始入射位移波同相，且反射波的速度方向也与入射波相同。 ( 3 ) 扩颈情况的判断 扩颈表现为弹性波由桩顶向下时a a 。( 如图2 4 c ) ，即由小截面传播到大截面。 扩颈处产生的反射波到达桩顶时，检测器测到的反射位移波与入射位移波反相，且速度 反射波也与入射波方向相反。 ( 4 ) 缺陷位置或桩长的诊断 自桩顶入射波出现时刻算起，到变截面( 或桩底) 处所产生的反射波信号到达桩顶 所滞后的时间差为： f ：堡( 2 - 3 1 ) v 式中：v 波在桩内的纵向传播速度； 一变截面到桩顶的距离。 当计算机严格的记录出时间差t 的数值后，由式( 2 - 3 1 ) 即可推算出变截面据桩顶 的位置( 或桩长) 。 从上面的分析可知：采用弹性反射波原理对桩身进行完整性诊断时，桩尖酣近土的 阻抗对桩尖处的反射波速度和应力波的幅值有明显的影响。 2 3 3 小结 ( 1 ) 当桩项检测出的反射波速度信号与入射波速度信号相位一致时，如果不是摩擦 桩桩底，就表明在相应位置存在截面缩小或桩质量较差的缺陷： ( 2 ) 当反射波速度信号与入射波速度初始信号相位相反时，如果不是嵌岩桩桩底， 就表明在相应位置存在扩颈： ( 3 ) 变截面处反射波幅值( 速度波与应力波幅值) 与变截面处上下截面大小的比值 4 ，爿。有关。因此，可以根据反射波峰与初始入射波峰的幅值之比大致判断其缺损率： ( 4 ) 相同的缺损率，但缺损的形状不同。也会得到不同的位移时域曲线。对于缺损 突变的，反射波最明显：而缺损渐变的，反射波基本上看不出来，这一点在现场检测时 应该注意。 2 4 桩基信号的频域分析 完整性检测是对检测到酌反射波波形进行判断，然而由于各种原因，反射波形中往 往还包含着很多干扰信号，常常导致在时域内无法针对信号做出正确的判断，这时可以 在频域内对信号进行分析。找到很多有用的信息。 2 4 1 桩基的瞬态响应 前面提到了无阻尼一维波动方程的波动方程的达朗倍尔解答，为了获得桩基信号频 域分析的依据，我们对实际的波动方程进行分析。 在实际条件下，桩体振动是受桩周土轴向阻尼作用，此时( 2 6 ) 不再成立，需考虑 桩土系统共同作用时的桩的纵向振动。假设桩侧土是均匀的，桩侧土与桩之间的相互 作用是一个与速度有关的阻尼器以平行的方式耦合，桩侧土的剪切应力与深度无关。 设土的阻尼系数为h ，经过推导可以得到桩土系统共同作用时的桩的阻尼波动方 程： 娶一 娶一生塑；0 ( 2 3 2 ) d x 。v a fe ao t 在小阻尼情况下，上式的近似解1 为； l u = 爿e 2 s p e 州+ 。7 )( z 一3 3 ) 式中，y 2 s p 为衰减因子：为圆频率。由于在同一振源作用下，不同的桩身特性条件 将使振动幅值a 与频率f ( 或) 的变化曲线随之发生变化。因此，研究a 随f 值的变 1 6 化规律可推断出桩身的完整性。 根据牛顿第三定律及力的平衡条件，可得桩底( x = l 处) 及桩顶( x = o 处为自由端时) 应满足的边界条件，并由这些边界条件得到桩基振动的频率方程为： t g “- - - l = k v ( e s c o 、( 2 3 4 ) 对于桩底耦台的一般情况( 0 k o o ) ，系统内的固有频率可表示为。“： 厶2 寺( n + 去f g 五面k f ) n _ 0 ，l ，2 ，( 2 3 5 ) 式( 2 - 3 5 ) 中有两个边界点： ( 1 ) 当k 一0 时，表示桩尖支承为绝对柔性( 相当于纯摩擦桩) ，此时其相应的t 值 和基频值 分别为； = 疗v 2 l ，工= v 2 l ( 2 3 6 ) ( 2 ) 当k 一一时，表示桩尖支承为绝对刚性( 相当于端承桩) ，此时其相应的值 和工值分别为： = v ( 2 n + 1 ) 4 l ，= v 4 l ( 2 3 7 ) ( 3 ) 一般支撑条件，o k 一，则固有频率可表示为： 正= ( n 一口) v 1 2 l ( 2 - 3 8 ) 式中，a 是桩周土刚度系数k 的函数，0 a m 时) ，并令： 6 m = 口( ，一1 ) t x ，+ ( 3 1 6 ) - 0 6 ：= o ( m + 1 ) k x ，+ ，一t ( 3 一1 7 ) k = 0 因为d 。是各自独立的使a 巴a a 。，= 0 ，则有 口一= 2 6 。，吒( 碡+ 屹) ( 3 1 8 ) i = l j i 利用上面的结果可得； b ，26 ( 。一1 ) j 一日( 一l x ，一1 ，b ( 一1 ) 。；6 二= 6 ；一l 刖+ i ) 一a ( m - i x m - 1 b ( 。一l x ，+ 1 ) 注意至b o f = b m = x ，岛，= x ，t6 ：。= 工；“， 可得到己= 只一一( 1 一口纛) ，只= 导z 则最大熵得功率谱为： 眦卜蓐 1 9 ) 1 1 - e 1 2 矾“l li z ll 式中：k 实际选取的计算频率的序号； n 样本总数： t 一采样时间步长。 3 2 3 谱分析的h e m 与f f t 算法比较 f f t 算法对信号采样长度不够所引起的“泄漏效应”异常敏感采样长度不够时， 一方面是窗影响越加严重，另一方面是频率分辨误差成比例增加，以至在短样本时f f t 谱无法应用，因此f f t 谱对瞬变过程的研究无能为力，而且f h 算法恰恰要求采样点数 必须满足= 2 4 ，这就成为f f t 算法在应用中的最大缺陷或严重局限性。 m f n 算法就克服了这一局限性，随着采样点数的大大减少和滤波因子长度的大大减 短，仍然清晰的给出振动的频率成分。此外，m e m 谱的频率分辨力同f f t 谱的分辨力的 来源在本质上是不同的。f f i 谱的分辨力是由谱线间隔厂f ，来决定的，当样本长度n 一定时，其谱线间隔也为一定值。而腼m 谱离散化的频率增量为f 2 l ，l 为离散后谱 线总条数，与样本长度无关，仅与计算机的显示有关，故只要增加，其分辨力就成比例 增加。 图3 1 ”表示短数据的f f r 谱和h 瑚谱比较，被分析信号是l l t z 正弦波上叠加1 0 的白噪声。图中( a ) 表示样本长度为l s 时，f f t 和m e m 谱主峰频率都是1 h z ：图中( b ) 表示样本长度为0 5 7 s 时，m e a l 谱主峰频率清晰可见，而f f t 谱却无法识别。 并车 o o i 伯 a b 一 从几 i 1 0 嘲 、八 图3 - 1 关于进行数据分析时，m e m 法对f f t 法的优越性我们会在后面看到。 2 4 第四章检测装置的硬件设计 对桩身完整性进行判断是建立在桩基信号的获取与分析基础上的，一个能够对桩基 信号进行蘸好的获取与处理的硬件装置必不可少。这一章中主要介绍装置硬件部分的设 计。 4 1 装置的总体设计 4 1 1 技术指标 设计装置硬件必须针对所要处理信号的特点提出相应的技术指标，再进行规划、设 计，只有这样才能做到有的放矢。桩基检测以及桩基动测技术发展这么多年，已经积累 了不少原始资料，这些资料中实际上就包含了桩基信号的频率、幅度时延等信息，我 国针对桩基低应变动力检测制定了一系列的规程“，其中对反射波法的仪器设备还专门 提出了一些要求。事实上，最简单的应力波反射法桩基动测仪，只需满足以下条件： ( 1 ) 仪器由传感器和放大、滤波、记录、处理、监视系统以及激振设备和专用附件 组成； ( 2 ) 传感器可选用宽频带的速度型或加速度型传感器。速度型传感器灵敏度应大于 3 0 0 m y ( c m s ) ，加速度传感器灵敏度应大于l o o m v g ； ( 3 ) 放大系统的增益应大于6 0 d b ，长期变化量应小于1 ，折合输入端的噪声水平 应低于3 v 。频带宽度应不窄于1 0 “1 0 0 0 h z ，滤波频率可调： ( 4 ) 最短采样间隔：5 0u s 可调； ( 4 ) 模数转换器的位数不应小于8 b i t s ，采样时间宜为5 0 1 0 0 0 s ，可分数档调整。 每个通道数据采集存储器的容量不应小于l k b ： 以上可以看作构成一个应用反射波法进行桩基动测的装置的基本要求。但随着桩型 的多样化和复杂化，以及人们对设备专业化要求的不断提高，上面的基本要求已经不能 满足现场测试需要了。桩基动测信号的动态范围一般要求达到l ；5 0 0 0 “，采用8 位a o 显然是不能满足要求的：固定的前端运放不能克服大信号带来的削波或是小信号带来的 分辨率不够的缺点；过大的采样间隔和过短的记录长度不能同时满足测浅部缺陷和深部 缺陷的要求“；对软件的要求也越来越高，对数据只作简单的处理和显示已经不能适应 实际的需要了。在这种情况下，我们参照国内外一些已经t e 较成熟的产品，针对本装置 的应用实际，突出自己的装置特点，并考虑到本课题完成的时间安排对装置的软硬件 提出如下的指标： ( 1 ) 对于数据采集系统，要求分辨率至少2 m v 1 l s b ，动态范围大于8 0 d b ： ( 2 ) 采样间隔时间为3 0 3 2 7 5 7u s 可调，采样点数5 1 2 、1 0 2 4 可调； ( 3 ) 硬盘容量为1 6 h i ； ( 4 ) 具有内触发和外触发功能，有延迟触发、同步触发、负延迟触发三种方式； ( 5 ) 可以通过串行口或并行口与微机通信，可以通过打印机打印数据或图形： ( 6 ) 进行可靠性设计和抗干扰设计； ( 7 ) 数据处理具备数字滤波、数值积分、指数放大、f f t 变换、m e m 变换功能。 4 ，1 2 总体设计 根据桩基动测工作的需要以及桩基信号处理的实际流程，我们将整个装置系统分成 四个部分：信号变换、信号采集、主控模块和外围电路，其结构框图如下图4 - 1 。 图4 - 1 总体结构框图 前端传感器可以采用速度传感器或加速度传感器，将桩基信号由振动信号变换成电 信号：然后经过一个电荷放大器。将微弱的电信号进行放大。变换放大后的信号为双极 性的，最大幅度为5 v 。 该电信号经过适当的放大和数据采集转换之后，由模拟信号变成数字信号；在微处 理器的控制下，通过通信接口存储到存储器中。 微处理器调用数据，进行信号数据处理，并显示波形。如果需要，还可以将数据或 i 圉形打印出来。或者与其它的计算机进行数据通信。 以下针对各部分进行详细介绍。 4 2 信号变换 应用小应变法进行桩身质量的判断，其本质是对锤击后产生的应力波和反射波在时 域和频域内进行分析。因此，信号的正确拾取就是所有分析、判断的前提。 桩顶的加速度和压力都是非电量，而测量它们均是通过电子测量装置完成的，所以 需要将这些非电量信号通过传感器，转变成相关的电信号( 电压) ，然后利用电子测量装 置测量该电信号，最终获得被测的非电量值。在桩基动测中，使用得较多的是速度传感 器和加速度传感器。 4 2 1 速度传感器 速度传感器有很多种，通常采用的是电磁感应动圈式传感器。速度传感器是由一个 在永久或激励磁场中弹性固定的线 圈构成的，如图4 2 所示。当传感器 随着桩头振动时，线圈中就产生感应 电动势，根据感应电动势的公式 e = - b l v 可知，这个感应电动势与振 动速度成正比。( 上式中，b 是磁场 的磁感应强度，v 是线圈与磁场的相 对速度。) 在工作时，传感器依靠线圈与磁 场的相对速度来拾取电动势，故传感 器没有相移，可测频率从1 0 t z 开始， 频率上限为其自身的固有频率，通常 b ：1 4 2 电磁感应动圈式速度传感器 卜永久磁铁：2 - 线圈绕组：3 - 绕组框架( 惯性质量) 在几百赫兹”。这种传感器的可测幅值范围，低频时取决于结构的最大行程，而高频时 取决于顶针不脱落时的最大加速度。 速度传感器的优点是精度高、输出大、附加质量小、低频特性好：缺点是高频特性 差、体积大、安装不方便。 4 。2 2 加速度传感器 在桩的动力性能的研究方面，精确测量 桩的加速度和所受的力是十分必要的。由于 电子技术的发展。加速度的测量已成为一个 普通的测量手段。多数加速度传感器是利用 压电晶体效应制作的，压电晶体效应是指某 些晶体在一定方向上受外力作用或承受变 形时，它的晶面或极化面上将有电荷产生， 利用这种效应制成的传感器称为压电晶体 式传感器。 压电式加速度传感器结构简单，测量范 围较宽，动态范围较大，不带有一般磁电压 元件，灵敏度高，频率范围宽，重量轻和体 积小，它的制造、使用和维护都比较方便。 故广泛应用于振动测量。 图4 - 2 压电式加速度传感器 卜底座i2 - 压电晶片：3 - 质量块 4 一弹簧：5 - 输出端 压电式加速度传感器的基本结构如图4 - 3 ，当它随桩头振动时， 感器轴向作用的一个力传到晶体上。根据牛顿第二定律有； f = m a = m d 2 u d t 2 惯性质量块将沿传 ( 4 1 ) 而对于晶体有：q = 。f a 。 ( 4 2 ) 式中，九为受力表面面积：。为比例系数，即晶体压电效应的灵敏度：q 是压电晶体所 带电荷。 由上面两式有：d 2 u d t 2 = h 。q m 。可见，加速度传感器可以将振动加速度转换为 晶体表面的电荷量。 加速度传感器的频率范围可在2 h z 2 0 k h z 1 ，上限取决于其固有频率，下限取决于电 路参数。冲击振动是瞬态非周期振动，其能量释放是突然发生的。作用力的脉冲宽度随 激励手段或工具的不同在几个毫秒到几百个毫秒范围，其带宽在几赫兹到几千赫兹范围。 速度计是不能覆盖这么宽的范匿，让传感器工作在其固有频率和动态范围之外。无疑将 使信号发生严重畸变( 失真) ，当然就不能反映被测信号的真实面貌( 无论是定性还是定 量) 。因此，在桩基动测中，习惯上采用加速度传感器，将加速度传感器的实测信号积分 成速度曲线，并据此进行判读。 实际证明：除了采用小锤硬碰硬敲击外，速度信号中的有效高频成分一般在2 0 0 0 h z 以内，但这并不等于说，加速度的频像线性段达到2 0 0 0 h z 就足够了。这是因为，加速度 原始信号比积分后的速度波形中包含更多和更尖的毛刺，高频尖峰毛刺的宽窄和多寡决 定了它们在频谱上占据的频带宽窄和能量大小。事实上，对加速度信号的积分相当于低 通滤波，这种滤波作用对尖蜂毛刺特别明显。当加速度计的频响线性较窄时，就会造成 信号失真。所以，在1 0 幅频误差内，加速度计幅频线性段的高限不宜小于5 0 0 0 h z o ”。 4 2 3 电荷放大器 压电式传感器( 包括力传感器和加速度传感器) 产生的输出电荷需要用电荷放大器 来变换成电压。由于压电式传感器的输出阻抗非常高，且输出的电荷量很小，故与之相 配的电荷放大器要采用输入阻抗极高的高增益电压放大器。电荷放大器的简化电路如图 4 4 所示，由一个负反馈电容和高输入阻抗高增益的运算放大器组成容易求得“： q o a ”c 。十c 。+ c ，一c ，( 一一1 ) 式中，e o 前置放大器输出电压； q _ 一传感器产生的电荷。 由于电荷放大器的输入阻抗极高，对噪声敏 感，通常5 0 h z 交流声通过分布电容耦合到输入端， 同时电缆过长，噪声也随之升高，所以电荷放大器 。 的输入端一定要屏蔽好且要保持清洁。此外电荷放 大器的零漂也很敏感，为较少零漂必须提高输入阻 抗和电缆的绝缘电阻。 = ea( 4 3 ) 图4 4 电荷放大器的等效电路 桩基动测对电荷放大器的基本要求是：频带宽 度宜为5 2 0 0 0 h z ，增益应大于8 0 d b ，动态范围在4 0 d b 以上，折合到输出端的噪声应小 于1 0 u v 。 4 。3 信号采集 在现代测量仪器中大多数都配有数据采集系统，其模数器a d c 的量化位数决定了仪 器的分辨能力，其转换精度限定了仪器的测量精度。为了提高仪器的分辨能力，通常的 做法是增加a d c 的量化位数，然而普遍的高位a d e 在转换精度和速度上总是难以兼顾的 若需要同时满足高速和高精度的测量，则a d c 的价格将会变得难以接收，而且这种线性 量化方式还具有信号越小其量化信噪比越低的弊端。 桩基信号的动态范围很大，往往在8 0 d b 以上“。而1 2 位的模数转换芯片的动态范 围也只有7 2 d b 。由于在应力波的传播过程中存在衰减，桩底信号反射回来时已经很微弱 了，有时候甚至无法讲其与干扰信号区分开来。为此，我们在数据采集板上应用了浮点 数据放大的技术，比较好的解决了这个问题。 4 3 1 浮点放大的工作原理 在桩基动测中手锤的敲击量是不确定的。桩基振动信号被传感器接受，传感器输 出的电压信号的大小相应难以准确确定。如果放大器放大倍数一样，可能使弱信号