專利名稱:便攜式巖石試驗(yàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型屬于為研究巖石力學(xué)與工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的巖石試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
在水工建筑物設(shè)計(jì)及工程地質(zhì)評(píng)價(jià)等工作中需了解現(xiàn)場(chǎng)巖塊和巖體的基本物理力學(xué)性質(zhì),研究在水工建筑物荷載作用下基巖或圍巖的工程性狀及其破壞機(jī)制?,F(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面、混凝土與基巖之間的抗剪強(qiáng)度及巖體變形的性質(zhì)的測(cè)試是工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。近年來,檢測(cè)手段逐步更新,擺脫了原始的人工測(cè)讀、手算的落后方式,將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入了巖石試驗(yàn),從而大大提高了檢測(cè)精度,減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率。長(zhǎng)江科學(xué)院研制的“巖體剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備”是較有代表性的,并已用于現(xiàn)場(chǎng)的巖石試驗(yàn)。該設(shè)備由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩大部分組成,如
圖1所示。其中,數(shù)據(jù)采集部分是由傳感器、放大器、變送器及采集箱組成。現(xiàn)場(chǎng)使用由蓄電池供電。數(shù)據(jù)處理部分由CPC-464個(gè)人計(jì)算機(jī)和一臺(tái)CE-515P繪圖打印機(jī)組成,放置在遠(yuǎn)離試驗(yàn)基地,有交流供電的地方。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后,將采集到的數(shù)據(jù)通過通訊接口傳送到CPC-464個(gè)人計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算整理。數(shù)據(jù)處理程序用BASIC語(yǔ)言存貯在盒式磁帶內(nèi),每次處理數(shù)據(jù)前需裝入CPC-464內(nèi),數(shù)據(jù)處理結(jié)束后,由繪圖打印機(jī)繪出有關(guān)試驗(yàn)曲線。
可以看出,上述設(shè)備系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)二級(jí)分布式多微機(jī)系統(tǒng),不能現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù),使用不方便。
本實(shí)用新型的目的是為了更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求,達(dá)到在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理,進(jìn)一步提高工作效率。
為此,本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出一種便攜式巖石試驗(yàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)議。它由傳感器、檢測(cè)儀主機(jī)和打印繪圖機(jī)組成。檢測(cè)儀主機(jī)的核心部分是CPU主機(jī)板。它是由8098單片機(jī)及相應(yīng)的接口電路所組成。8098單片機(jī)是美國(guó)INTEL公司1988年推出的最新產(chǎn)品,它集A/D轉(zhuǎn)換,高速I/O口,串行通訊口等于一超大規(guī)模集成電路芯片。使得儀器的硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。相應(yīng)的接口電路,包括8098單片機(jī)與打印繪圖機(jī)接口;鍵盤顯示板接口以及多通道高速輸入接口。本檢測(cè)儀使用的傳感器包括多組位移傳感器和兩組壓力傳感器。多組位移傳感器是通過多通道高速輸入接口與單片機(jī)高速I/O口連接。壓力傳感器直接與單片機(jī)A/D口連接,沒有中間放大及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),連接極簡(jiǎn)單方便。該檢測(cè)儀可置于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),由便攜式交流發(fā)電機(jī)或直流供電。其傳感器放置在巖體所測(cè)部位,采集巖體的由于位移及壓力變化所得到的信號(hào)。試驗(yàn)過程參數(shù)及運(yùn)行方式通過顯示器顯示出來,所需的驗(yàn)試數(shù)據(jù)表格及各種試驗(yàn)曲線可隨時(shí)由打印繪圖機(jī)打印。程序采用P/LM-96高級(jí)語(yǔ)言編寫,載機(jī)試驗(yàn)程序32K(ROM),試驗(yàn)數(shù)據(jù)2K(RAM),表格數(shù)據(jù)2K(E2ROM),全部程序是模塊化結(jié)構(gòu),包括初始化模塊,自檢模塊、輸入模塊,試驗(yàn)?zāi)K、打印繪圖模塊。
采用本實(shí)用新型進(jìn)行巖體試驗(yàn),可使試驗(yàn)人員在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)就能準(zhǔn)確而及時(shí)掌握試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果,能及時(shí)作出分析判斷,大大提高了工效。
附圖筒要說明圖1為已有技術(shù)總體結(jié)構(gòu)示意框圖。
圖2為本實(shí)用新型總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例主機(jī)板配置圖。
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例顯示鍵盤板接線框圖。
圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例箱體前面板配置圖。
圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例箱體后面板配置圖。
圖7為巖石試驗(yàn)流程圖。
本實(shí)用新型的一種最佳實(shí)施例如圖2~7所示,現(xiàn)結(jié)合各附圖詳細(xì)描述如下圖2為實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)框圖。它由數(shù)據(jù)采集部件、數(shù)據(jù)處理部件及數(shù)據(jù)顯示、輸出部件所組成。數(shù)據(jù)采集部件包括位移傳感器和壓力傳感器,其中位移傳感器采用8個(gè)BWG系列電感調(diào)頻式位移傳感器,它能把機(jī)械量位移變換成電脈沖信號(hào),無需A/D轉(zhuǎn)換器,直接通過多通道高速輸入接口與數(shù)據(jù)處理部件I/O口連接,壓力傳感器采用2個(gè)AKC2-61系列壓力傳感器,它將信號(hào)的測(cè)量、及放大部件封裝為一體,其輸出端直接與數(shù)據(jù)處理部件的A/D轉(zhuǎn)換通道連接。數(shù)據(jù)處理部件采用美國(guó)INTEL公司生產(chǎn)的準(zhǔn)十六位8098單片機(jī),及專門設(shè)計(jì)的接口電路組成的CPU主機(jī)板,數(shù)據(jù)顯示,輸出部件包括顯示鍵盤板及一臺(tái)CE-515P繪圖打印機(jī)。它們分別通過接口與主機(jī)板連接。該儀器電源由220V交流變直流5V和12V供電,其中12V為壓力傳感器精密電源,5V為儀器用直流穩(wěn)壓電源。
CPU主機(jī)板詳細(xì)配置如圖3所示,其中虛線框內(nèi)部是8098單片機(jī),它由寄存器文件,算術(shù)邏輯單元、時(shí)鐘、存儲(chǔ)器控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、高速輸入輸出口等部件組成。主頻為12MHZ,A/D轉(zhuǎn)換有四路,分辨率為10位,轉(zhuǎn)換時(shí)間22μS,快速輸入和快速輸出口各四路,分辨率500KHZ。設(shè)有20個(gè)中斷源。虛線框外是專為本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的接口電路,包括譯碼器、顯示鍵盤接口8279,打印機(jī)接口8255,74LS373鎖存器,74LS251多路轉(zhuǎn)換器,A/D參考電源等。其中,譯碼電路采用了可編程邏輯器件GAL16V8,它可以通過靈活的編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯組合。顯示鍵盤接口8279是專用于顯示器和鍵盤的可編程I/O器件,其功能有兩個(gè)其一,接收來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù),其二,管理顯示數(shù)據(jù)。打印機(jī)接口8255是一個(gè)可編程的并行I/O接口,用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與打印機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。它有三個(gè)端口,其中A口用作數(shù)據(jù)口,C口為控制口,B口備用。74LS373鎖存器是用來解決多重?cái)?shù)據(jù)總線的分時(shí)問題。74LS251多路轉(zhuǎn)換器的作用是將位移傳感器八路信號(hào)分時(shí)接入8098的高速輸入端口HSI0,HSI10A/D參考電源是單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的專用電源。
顯示鍵盤板接線框圖如圖4所示,其中兩個(gè)譯碼器是實(shí)現(xiàn)顯示及鍵盤的譯碼,顯示器共18位,2位顯示巖石試驗(yàn)方式,16位顯示傳感器讀數(shù),以4位為一組,分別顯示垂直壓力,水平壓力,垂直位移,水平位移(位移是四個(gè)傳感器的平均值)。鍵盤為4×5陣列,掃描SL0~SL3經(jīng)譯碼后與回送線RL0~RL3一起連至鍵盤??梢怨ぷ髟谥袛喾绞?,也可工作在查詢方式。鍵盤包括0~9數(shù)字鍵,例如編輯EDIT,修改CHK,打印PRI,繪圖PAU等14個(gè)功能鍵,數(shù)字0~3與功能鍵共用。顯示鍵盤板上還有加/卸壓顯示、喇叭,分別由8098的快速輸出口HSO0HSO1HSO2控制。
打印繪圖機(jī)選用SHAP-CE515P,8098單片機(jī)通過并行接口芯片8255與打印機(jī)相連,工作方式采用通常的握手方式,當(dāng)數(shù)據(jù)從8255A口送出后,查詢C口的狀態(tài)(C4),當(dāng)C4有效再送下一數(shù)據(jù)。
本實(shí)施例除傳感器和打印繪圖機(jī)外,其余部件全部放置在儀器箱體內(nèi)。儀器箱體由前面板、后面板、箱體框架組成,前后面板可拆卸。圖5為前面板布置圖,其中1.電源指示燈,當(dāng)儀器運(yùn)行時(shí),該燈亮,表示運(yùn)行狀態(tài)。2.為垂直壓力顯示塊,3.垂直位移顯示塊,4.水平壓力顯示塊,5.水平位移顯示塊,它們分別顯示出壓力(kg/cm2)位移(mm)的數(shù)值,6.工作方式顯示塊,表示儀器處于何種工作狀態(tài),例如
表示試驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài),
表示巖石垂直方向加第一級(jí)壓力。7.加壓指示燈,8.卸壓指示燈,9.時(shí)鐘,外接電子表,由充電電池供電,10.4×5鍵盤,11.快、慢速撥動(dòng)開關(guān),用于巖石抗剪(斷)試驗(yàn)的測(cè)量過程中,由慢速采樣到快速采樣的轉(zhuǎn)換。12.手動(dòng)采樣鍵,用于試驗(yàn)中某些特殊點(diǎn)需要捕捉而采樣時(shí)間還未到,即可按動(dòng)此鍵,將此時(shí)巖石所受的壓力位移值記錄下來。圖6為箱體后面板布置圖,圖中,13.電源開關(guān),14.電源保險(xiǎn),15.單相交流電源插座,16~19水平位移傳感器插座,20~23.垂直位移傳感器插座,24,25.調(diào)零撥動(dòng)開關(guān),26,27.壓力傳感器插座,28,29.調(diào)零多圈電位器,30.打印機(jī)接口,31,32.備用孔,33,34,35.備用插座。
圖7為巖石試驗(yàn)流程框圖,詳細(xì)描述如下首先初始化。將有關(guān)重要的接口芯片如8255,8279,進(jìn)行初始化,然后進(jìn)入編輯狀態(tài)。EDIT編輯狀態(tài)是試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段,采用人機(jī)對(duì)話方式。本儀器有以下幾種編輯方式,如ED4——是傳感器率定表與傳感器物理接口位置的對(duì)應(yīng)表。本儀器傳感器接頭為10個(gè),連接過程中可能接錯(cuò),這時(shí)只要通過按鍵可將表中的編號(hào)進(jìn)行修改,即可以對(duì)應(yīng)起來。ED5——是K值表。將傳感器的全部率定表存入內(nèi)存,一般來講傳感器的率定曲線是非線性,如果用一個(gè)K值反映,就會(huì)在整個(gè)量程段產(chǎn)生測(cè)量誤差。本系統(tǒng)將傳感器的率定值分成若干段,分別用不同的K值來反映,以減小誤差。ED6——拷貝。是將傳感器表拷貝到E2ROM中去,E2ROM是一種可改寫的只讀存貯器,它吸取了RAM可改寫ROM可永久保留的優(yōu)點(diǎn)。為防止數(shù)據(jù)輕易丟掉,拷貝過程是以口令方式進(jìn)行,從鍵盤輸入××××××口令值,數(shù)秒鐘后,即全部拷貝完成。ED7——將E2ROM保存的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存,當(dāng)傳感器率定有變化時(shí),此時(shí)可修改,再通過ED6拷貝。ED8——修改日期。ED0,ED1——是輸入抗剪(斷)與彈模兩類試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)。它們包括巖石垂直加壓級(jí)數(shù),巖石水平加壓級(jí)數(shù),采樣間隔等參數(shù),試驗(yàn)前只有將這些參設(shè)定好,儀器才能正常采集數(shù)據(jù)。自檢包括抗剪(斷)自檢彈模自檢,傳感器自檢,顯示燈、喇叭自檢,傳感器定零點(diǎn)。以上均正常后,按退出鍵,進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)。
本流程圖試驗(yàn)是以抗剪斷為例,抗剪斷分為垂直加壓和水平加壓,首先是垂直加壓,由機(jī)器提示發(fā)出“嘀……”信號(hào),同時(shí)由顯示器上顯示本級(jí)應(yīng)加壓的數(shù)值,級(jí)與級(jí)之間的時(shí)間間隔由鍵盤設(shè)定,當(dāng)判斷加到最大垂直壓力時(shí),自動(dòng)進(jìn)入判斷巖石垂直位移是否穩(wěn)定,當(dāng)連續(xù)兩次垂直變形之差<1%mm時(shí)認(rèn)為穩(wěn)定,當(dāng)滿足條件進(jìn)入水平逐級(jí)加壓,(水平加壓與垂直加壓過程相同,直到剪斷),當(dāng)加至某一級(jí)壓力后,巖石發(fā)生較大位移,則下級(jí)加壓減半加法,即按下級(jí)壓力的50%加壓,當(dāng)進(jìn)入臨近剪斷時(shí)至關(guān)重要!對(duì)于巖石剪斷的瞬間變化過程,是工程技術(shù)人員極為關(guān)心的問題,它是所提供的資料中最有價(jià)值的部分,為了確保這一過程準(zhǔn)確無誤,不失時(shí)機(jī),本儀器采取了三種方法1.手動(dòng)2.自動(dòng)3.自動(dòng)、手動(dòng)結(jié)合。1.試驗(yàn)前,由鍵盤輸入β0值,當(dāng)β0=9999表示手動(dòng)進(jìn)入快速檢測(cè),試驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn),判斷巖石即將剪斷,則將快速撥動(dòng)開關(guān)撥向快速(在面板上),儀器即進(jìn)入快速采樣。2.β0≠9999表示自動(dòng)進(jìn)入快速檢測(cè),判斷 (△τ)/(△u) <β0(△τ-壓力,△u-位移)。若滿足條件,則自動(dòng)進(jìn)入快速。并將快慢速撥動(dòng)開關(guān)撥向“快速”,表示自動(dòng)進(jìn)入有效。3.在2的情況下,試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)不應(yīng)進(jìn)入快速過程時(shí),則可以重新將快慢速撥動(dòng)開關(guān)撥向慢速。表示自動(dòng)進(jìn)入無效,同時(shí)機(jī)器自動(dòng)高速β0值,使β1<β0,等待第二次自動(dòng)進(jìn)入快速……另外,當(dāng)β0≠9999時(shí),若機(jī)器判斷未進(jìn)入快速,而操作人員認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入,則操作方式同1。由于采取了以上三種方法,成功地解決了快速過程的數(shù)據(jù)采集問題??焖龠^程結(jié)束后,巖石發(fā)生大位移,這時(shí)分兩種情況①當(dāng)機(jī)器判斷大位移超過某一數(shù)值(鍵入值),則按程序設(shè)定值進(jìn)入卸壓段。②人為進(jìn)入卸壓段,即通過手按按鍵發(fā)出卸壓信號(hào),卸壓過程與加壓過程相同。當(dāng)以上步驟完成后,進(jìn)入打印輸出階段,打印輸出包括打印數(shù)據(jù)和繪圖兩項(xiàng)內(nèi)容。打印數(shù)據(jù)包括兩類一是原始數(shù)據(jù),二是壓縮表格數(shù)據(jù)。繪圖可繪制u(水平變形)~τ(剪切力)關(guān)系圖(包括1~5個(gè)巖石試件),在u~τ關(guān)系圖基礎(chǔ)上回歸出δ(垂直壓力)~τ(剪切力)關(guān)系圖,彈模試驗(yàn)繪制P(壓力)~W0(變形)關(guān)系圖。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況比較復(fù)雜,當(dāng)出現(xiàn)一組試件中(五個(gè)試件為一組)個(gè)別試件試驗(yàn)失敗時(shí),則程序上可以采用人機(jī)對(duì)話方式選擇1~5個(gè)試件中的任一試件繪制圖形。給試驗(yàn)人員提供了方便。
權(quán)利要求1.一種便攜式巖石試驗(yàn)智能檢測(cè)儀,由傳感器、檢測(cè)儀主機(jī)和打印繪圖機(jī)組成,其特征在于所說的檢測(cè)儀主機(jī)核心采用準(zhǔn)十六位單片機(jī),并且設(shè)計(jì)出相應(yīng)的CPU主機(jī)板和鍵盤顯示板。所說的傳感器包括多組位移傳感器及兩組壓力傳感器,所說多路位移傳感器通過多通道高速輸入接口直接與所說的主機(jī)板的高速I/O口連接,所說的壓力傳感器與所說主機(jī)板A/D口連接,所說打印繪圖機(jī)與所說的主機(jī)板的并行I/O口相連接,該檢測(cè)儀由便攜式交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成直流供電。
2.如權(quán)利要求1所述檢測(cè)儀,其特征在于所說位移傳感器采用8個(gè)BWG系列的電感調(diào)頻式位移傳感器,所說壓力傳感器采用2個(gè)將信號(hào)的測(cè)量、轉(zhuǎn)換及放大器部件封裝為一體的AKC2-61系列壓力傳感器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的檢測(cè)儀,其特征在于所說的CPU主機(jī)板采用8098單片機(jī),包括寄存器元件,算術(shù)邏輯單元,時(shí)鐘,存儲(chǔ)器控制器,A/D轉(zhuǎn)換器,高速輸入輸出等部件。所說的接口電路由譯碼器,顯示鍵盤接口8279,打印機(jī)接口8255,74LS373鎖存器,74LS251多路轉(zhuǎn)換器,A/D參考電源等組成。
專利摘要一種便攜式巖石試驗(yàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)儀,屬于巖石試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型由傳感器、準(zhǔn)十六位單片機(jī)及相應(yīng)的接口電路構(gòu)成的CPU主機(jī)板,顯示鍵盤板以及打印繪圖機(jī)組成。可對(duì)巖石試驗(yàn)的“巖體變形”和“巖體強(qiáng)度”兩類試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,并能立即顯示數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)、繪制圖形。該儀器體積小、重量輕、造價(jià)低,抗干擾性能強(qiáng),特別適合水利水電工程的現(xiàn)場(chǎng)使用。
文檔編號(hào)G01N27/00GK2075782SQ9022114
公開日1991年4月24日 申請(qǐng)日期1990年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月30日
發(fā)明者霍秀英, 何德芬, 眭哲, 謝克 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 廣西壯族自治區(qū)電力工業(yè)局勘測(cè)設(shè)計(jì)院