專利名稱：室內動、靜三軸儀剪切波速測試系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及測試粗粒土剪切波速的裝置和方法，屬于G01N 3/00類用機械應力測試固體材料的強度特性的技術領域。
在水壩等工程抗震設計中，需確定粗粒土的動力特性。在研究土工建筑物及地基的抗震問題時，常涉及土的動應力應變關系，特別是它的剪切剛度或剪切模量。而剪切模量又與剪切波速的平方成正比，因此剪切波速是研究土工抗震問題的一個重要物理量。
目前用于測試剪切波速的裝置主要有以下缺陷1.日本的共振柱儀，只能用于Φ50)(100或Φ70×100的小試件，只能在細粒土料上試驗，且測試精度僅為10-4～5×10-6；2.東京大學的微小應變儀，只能用于Φ200直徑以下的試件，其它同共振柱儀；3.中國水科院的超聲波儀，發射功率小、探頭小，只適用于細粒土，由于它同時產生壓縮波和剪切波，故人工判別困難。
此外在這些測試裝置中，由于示波器記錄儀時標精度的限制和人工處理信號技術的缺陷，會給分析結果帶來不可忽視的誤差。
在一般振動實驗室內通常采用比較法對測試裝置中的測量傳感器進行校準，即通過被校準的傳感器與標準傳感器進行比較，從而達到校準的目的。標準傳感器則在國家級計量部門用絕對法校準。而絕對法校準需對傳感器輸入一個標準振動量。標準振動一般要由高精度標準振動臺(電磁式、液壓式或機械式)產生。高精度振幅測量的現代方法是用激光干涉法。高精度振動頻率由國家計量部門認證合格的頻率計校準。可見這種方法需要用高精度的傳感器，使得系統的造價加大。
本發明的目的是建立一個測試粗粒土剪切波速的系統，它可在室內粗粒或細粒土料試件中得到各級應力狀態下的剪切波速值，并可提高剪切波速的測試精度，從而準確地確定該料在各級應力狀態下的最大剪切模量。
本發明的另一個目的是提出一種既快又可靠的測量傳感器標定方法，它可降低對測量傳感器精度的要求，從而降低測試粗粒土剪切波速系統的造價。
本發明的目的是這樣實現的室內動、靜三軸儀剪切波速測試系統由測試裝置、數據采集和處理裝置組成。數據采集和處理裝置由前置放大器、波形存儲器、控制接口板、隔離控制器和計算機組成。其中測試裝置包括基座、試件容器、振源、上下傳感器，上下傳感器分置于試件容器內上下部位，振源置于上傳感器之上。試件容器由圓柱形乳膠膜、圓形帶透水孔的上下蓋板、上下隔振板構成。下蓋板與基座聯結，乳膠膜的底端套在下蓋板上，下隔振板置于下蓋板上，下傳感器置于下隔振板上，乳膠膜的頂端套在上蓋板上，上隔振板置于上蓋板下；上蓋板的頂面連接一個帶帽的活塞，活塞帽上開引線孔；試件容器外面套有一個與基座聯結的鋼罩，鋼罩的頂端開有容納活塞的中心孔，側面開有引線孔，鋼罩和試件容器之間的空腔中充有液體。
上下傳感器的輸出經前置放大器放大后接波形存儲器輸入，波形存儲器的輸出送入計算機，計算機控制隔離控制器，隔離控制器的輸出接測試裝置中的振源。
測試時，計算機向隔離控制器發出一個脈沖，后者便給測試裝置中的振源輸出一個交流電源信號，振源產生的水平激振力由上下傳感器感知并送入數據采集和處理裝置，最后由計算機讀取、分析、處理，完成采集及處理工序。
標定測量傳感器的方法是1.將選用的一對測量傳感器放在同一位置處，對它們激振；2.對通過這兩個傳感器采集的數據作波譜分析，若兩者的頻響范圍和能量分布相當接近，則繼續步驟3，否則另選傳感器，并轉步驟1；3.對兩者的波形作時域分析，若兩者接收信號的起跳點同步，則采用這一對傳感器，否則另選傳感器，轉步驟1。
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細描述。
圖1是本發明的系統組成框圖；圖2是本發明的第二種方案的系統組成框圖；圖3是本發明的測試裝置構造示意圖。
參見圖1，本發明由測試裝置A、數據采集和處理裝置組成。數據采集和處理裝置由前置放大器B、波形存儲器C、隔離控制器D和計算機E組成。測試裝置A中有兩個測量傳感器和一個振源，前置放大器B為四通道，波形存儲器C選用BS4791型，隔離控制器D是一個受控的電子開關。
測試裝置A中兩個測量傳感器的輸出接前置放大器B的輸入，前置放大器B的輸出接波形存儲器C的輸入，波形存儲器C和隔離控制器D均插在計算機E的總線插槽中，計算機E的控制信號接隔離控制器D的控制端，隔離控制器的輸入端接交流電源，隔離控制器的輸出接測試裝置A中的振源。隔離控制器有兩個作用1.防止高壓進入計算機；2.可用計算機控制振源的激振次數。
參見圖2，本發明的第二個方案由由測試裝置A、前置放大器B、多通道擴展箱G、信號發生器H、隔離控制器D和計算機E組成。計算機E的總線插槽中裝有一塊華遠A/D8010型數模轉換板，該數模轉換板轉換的結果由計算機E讀取、分析、處理，完成采集及處理工序。前置放大器B選用SYS-I型四路前置放大器，信號發生器H用來給定一個標準信號，以校準采集數據是否可靠，檢測系統是否工作正常。該單元也可放置一臺DS6521型數字記憶示波器，用來對被測試件的剪切波速直接進行采集、顯示、波形判斷。
測試裝置A中兩個測量傳感器的輸出接前置放大器B的輸入，前置放大器B的輸出經多通道擴展箱G接計算機E中的數模轉換板，信號發生器H的輸出也接該數模轉換板，隔離控制器D的輸出接測試裝置A中的振源，隔離控制器D的電源端接交流電源，計算機E的控制信號接隔離控制器D的控制端。
參見圖3，測試裝置A包括基座12、試件容器、振源13、上傳感器5、下傳感器7、活塞9、鋼罩6。試件容器由圓柱形乳膠膜4、圓形帶透水孔的上下蓋板3和8、上下隔振橡膠板10和11構成。
下蓋板8與基座12聯結，乳膠膜4的底端套在下蓋板8上，下隔振橡膠板11置于下蓋板8上，下傳感器7置于下隔振橡膠板11上，乳膠膜4內裝入粗粒土料試件，試件上部依序放入上傳感器5、振源13、上隔振橡膠板10，乳膠膜4的頂端套在上蓋板3上，上蓋板3的頂面與帶帽1的活塞9連接，活塞帽1上開有引線孔2。上下隔振橡膠板用以切斷剪切波的其它通路。
試件容器外面套有一個與基座12聯結的鋼罩6，鋼罩6的頂端開有容納活塞9的中心孔，側面開有引線孔，振源13的電源線、上傳感器5和下傳感器7的信號線經活塞帽1上的引線孔2從此孔引出。鋼罩6和試件容器之間的空腔中充有脫氣水(即無空氣水)。
振源13水平放置，它由電磁鐵及其外殼即振源盒構成，也可用磁電式振導器且由電腦或機械式脈沖控制。傳感器為速度傳感器，也可用加速度或位移傳感器，要求其靈敏度高和單向性好。
上傳感器5和下傳感器7的輸出經前置放大器B放大后接波形存儲器C的輸入，波形存儲器C的輸出通過控制接口板D送入計算機F，計算機F通過控制接口板D控制隔離控制器E，隔離控制器E的輸出為測試裝置A中的振源13提供激振用的交流電。
試件尺寸為Φ300×750，試件的圍壓σ3是由空氣壓縮機通過試件容器周圍的脫氣水施加的，而試件的軸向壓力σ1則由100T大型電液伺服粗粒土動靜試驗機油壓源提供。在加壓過程中，試件中的水分可從上下蓋板和上下隔振板的透水孔中流出。
當試件容重較高時，為防止下傳感器在加壓過程中損壞，可在上面套一個保護罩14。
試驗中每次激振時，由計算機E給隔離控制器D發一正脈沖，于是隔離控制器D給振源13輸入一個短暫的交流電信號，使電磁鐵吸合一次，即給振源盒施加一個水平激振力，由振源盒作用在粗粒土試件頂部一個水平激振力。這樣就對試件輸入了一個自上而下傳播的剪切波。此激振力被上、下傳感器感知后送入數據采集和處理裝置中。而后計算機內的軟件根據上、下傳感器之間的垂直距離及剪切波由a傳至b處所需時間，即可求得剪切波通過試件的傳播速度VS=Hts(m/s)]]>
其中VS為剪切波速，H為試件原始高度，ts為ΔT，即剪切波由a傳至b處所需時間。通常可用VS＝(H-ΔH)/ΔT式表示，H-ΔH為試件在不同應力狀態下固結穩定后的實際高度。
當振源13豎直與試件同軸方向放置在試件頂部，且傳感器接收方向亦為試件同軸方向，此時測得的波為壓縮波VP。
本發明采用的測量傳感器事先用下述方法進行標定1.將選用的一對測量傳感器放在同一位置處，對它們激振；2.對通過這兩個傳感器采集的數據作波譜分析，若兩者的頻響范圍和能量分布相當接近，則繼續步驟3，否則另選傳感器，并轉步驟1；3.對兩者的波形作時域分析，若兩者接收信號的起跳點同步，則采用這一對傳感器，否則另選傳感器，轉步驟1。
標定時，應連續激振三次，這三次激振的結果所得的波形應重復一致。
這種方法的依據是只要兩個傳感器的基本參數一致，則它們之間的相對誤差必定很小。由于本發明在測試中僅僅關心的是兩個傳感器在一次激振后起跳時刻之間的時間間隔，所以傳感器本身的絕對誤差可以不考慮。
測試時，振源和上、下傳感器先不放在被測試件中進行激振，對其作波譜分析，得到其激振頻率帶寬在0～80HZ內。然后再將振源和上下傳感器放在被測試件中進行激振，也得到一個頻譜圖，其頻帶寬度為0～240HZ左右，再根據時域圖形對比和頻域分析，可以找到真正對被測試件起作用的頻率成分(即激振頻率、被測試件的基頻及諧振頻率)在0～200HZ內。為了更易識別剪切波速的起跳點，再利用軟件的數字濾波功能，把200HZ以上的干擾波濾掉。而上下傳感器接收信號的起跳點之差，便是剪切波由a傳至b處所需時間ΔT。
本發明用于測試粗粒土，也可用于測試細粒土。其測試裝置采用了帶透水孔的上下蓋板，因而既可用于非飽和試件，也可用于飽和試件。該裝置用乳膠膜構成試件容器，并在試件容器外套鋼罩，在鋼罩和試件容器之間的空腔中充液體，通過該液體傳遞施加給試樣的圍壓，因而不僅可用于直徑300mm及更大的試件，也可用于直徑較小的試件，可用于動力三軸試驗機，也可用于靜力三軸儀上。
本發明使波傳時間的測量精度由毫秒級提高到微秒級。波形再現能力強，時間刻度精確，激振頻率和響應頻率能量成分清楚，處理過程縮短，大大提高了剪切波速的測量精度。它可在10-6小應變條件下測到在某種應力條件下的最大動剪模量。
本發明采用的傳感器標定方法，既快又可靠，它降低了對傳感器精度的要求，從而降低了系統的造價。
用本發明對某工程的砂礫料試件進行的試驗結果表明，本發明成功地解決了在室內粗粒土試件中比較精確地測定其剪切波速并確定其最大動剪模量的問題。
本發明具有如下顯著特點1.造價便宜，易于實施；2.剪切波振源純正，傳感器單向性好，波形起跳點間距清晰可辨，精度在0.02％以上；3.激振過程中試件擾動性極小，試件軸向變形一般在10-6彈性范圍內(千分表、四位半數碼表在試件固結穩定后激振時無變化值)；4.可在高固結應力狀態下測試，較好地模擬了現場測試的應力條件。
權利要求
1.室內動、靜三軸儀剪切被速測試系統由測試裝置、數據采集和處理裝置組成，所述測試裝置包括基座、試件容器、振源、上下傳感器，上、下傳感器分置于試件容器內上下部位，振源置于上傳感器之上，其特征在于所述數據采集和處理裝置由前置放大器、波形存儲器、隔離控制器和計算機組成；所述試件容器由圓柱形乳膠膜、圓形帶透水孔的上下蓋板、上下隔振板構成；所述下蓋板與所述基座聯結，所述乳膠膜的底端套在所述下蓋板上，所述下隔振板置于所述下蓋板上，所述下傳感器置于所述下隔振板上，所述乳膠膜的頂端套在所述上蓋板上，所述上隔振板置于上蓋板下；所述上蓋板的頂面連接帶帽的活塞，該活塞帽上開引線孔；所述試件容器外面套有一個與所述基座聯結的鋼罩，該鋼罩的頂端開有容納所述活塞的中心孔，側面開有引線孔，該鋼罩和所述試件容器之間的空腔中充有液體；所述隔離控制器是一個電子開關；所述上下傳感器的輸出經所述前置放大器放大后接所述波形存儲器輸入，所述波形存儲器的輸出送入所述計算機，所述計算機的輸出信號接所述隔離控制器的控制端，所述隔離控制器的輸出接所述測試裝置中的振源。
2.一種室內動、靜三軸儀剪切波速測試系統中采用的標定測量傳感器的方法，其特征是1.將選用的一對測量傳感器放在同一位置處，對它們激振；2.對通過這兩個傳感器采集的數據作波譜分析，若兩者的頻響范圍和能量分布相當接近，則繼續步驟3，否則另選傳感器，并轉步驟1；3.對兩者的波形作時域分析，若兩者接收信號的起跳點同步，則采用這一對傳感器，否則另選傳感器，轉步驟1。
全文摘要
本系統由測試裝置、數據采集和處理裝置組成。測試裝置包括基座、振源、上下傳感器和由圓柱形乳膠膜、上下蓋板構成的試件容器，傳感器分置于試件容器內上下部位，振源置于上傳感器之上，乳膠膜的底端套在與基座聯結的下蓋板上，乳膠膜的頂端套在上蓋板上，上蓋板的頂面連接活塞。試件容器外面套有與基座聯結的鋼罩，鋼罩和試件容器之間的空腔中充有液體。上下傳感器的輸出送數據采集和處理裝置處理，振源由數據采集和處理裝置控制。本發明用于測試粗粒土，它可在10
文檔編號F24J2/10GK1120162SQ95107918
公開日1996年4月10日 申請日期1995年8月4日 優先權日1995年8月4日
發明者常亞屏, 陳寧, 王昆耀 申請人:中國水利水電科學研究院抗震防護研究所, 常亞屏, 陳寧, 王昆耀