姚 宇,宋戰(zhàn)平,郭芳瑞

(1.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,陜西 西安710055;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055)

0 引 言

測(cè)試問(wèn)題廣泛存在于各行各業(yè),存在于生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)力水平與人類生活水平的不斷提高,對(duì)測(cè)試問(wèn)題提出了越來(lái)越高的要求。除了要求準(zhǔn)確、迅速、可靠地完成測(cè)試任務(wù)外,還要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與智能化的測(cè)試。測(cè)試技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得測(cè)試自動(dòng)化的應(yīng)用領(lǐng)域也已由以前的“自動(dòng)化孤島”向各個(gè)領(lǐng)域中擴(kuò)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及,在生產(chǎn)過(guò)程控制和科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域中,計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1～3]。

與以往試驗(yàn)中手工測(cè)試的慢速度,低效率相比較,利用計(jì)算機(jī)在線測(cè)試更加方便、快捷、準(zhǔn)確。不僅可以自動(dòng)完成測(cè)試用例執(zhí)行結(jié)果的判斷,從而避免人工比對(duì)存在的疏漏問(wèn)題,而且若設(shè)計(jì)良好的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),在某些情況下可以實(shí)現(xiàn)“夜間測(cè)試”和“無(wú)人測(cè)試”。同時(shí),還可以高效地完成一些重復(fù)性測(cè)試,降低了人為因素對(duì)測(cè)試過(guò)程的干擾,排除了測(cè)試的隨機(jī)性和盲目性,可降低冗余,減少遺漏等。

為了改善生產(chǎn)過(guò)程和試驗(yàn)中人工測(cè)試所存在的缺點(diǎn),利用計(jì)算機(jī)在線測(cè)試技術(shù),研制開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。這套輔助測(cè)試系統(tǒng)可以在試驗(yàn)過(guò)程中將試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接輸入到計(jì)算機(jī)中,在需要的情況下,每秒可采集并輸入數(shù)千至數(shù)萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)。采用這套測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤生產(chǎn)過(guò)程的變化情況,并可避免人工讀數(shù)時(shí)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。試驗(yàn)結(jié)束后,又可以用計(jì)算機(jī)整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),快速繪制有關(guān)圖形文件等,十分方便。

1 在線動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)原理及硬件構(gòu)成

1.1 測(cè)試基本原理

在一個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中,各個(gè)組成部分常常以信息流的過(guò)程來(lái)劃分,一般可分為:信息的獲得、信息的轉(zhuǎn)換、信息的顯示以及信息的處理四部分。因此,進(jìn)行非電量測(cè)試時(shí),首先要獲得被測(cè)量的信息,接著將其變換成電量,然后通過(guò)信息的轉(zhuǎn)換,把獲得的信息變換、放大,再用指示儀或記錄儀將信息顯示出來(lái),有時(shí)還需要將信息加以處理。具體來(lái)說(shuō),非電量測(cè)試系統(tǒng)一般包括傳感器(信息的獲得)、測(cè)量電路、放大器(信息的轉(zhuǎn)換)、指示儀、記錄儀(信息的顯示)等幾部分,有時(shí)還有數(shù)據(jù)處理儀(信息的處理)。非電量測(cè)試系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 非電量測(cè)試系統(tǒng)的組成

1.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

在一般工程實(shí)際中,測(cè)量的主要參數(shù)均為非電量。由于此類參數(shù)的測(cè)試較為復(fù)雜,所以在設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖時(shí),需要考慮眾多因素。計(jì)算機(jī)在線動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)在線動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖

被測(cè)對(duì)象,即非電的物理量參數(shù)通過(guò)傳感器,將其轉(zhuǎn)換成模擬電量。傳感器根據(jù)所測(cè)參數(shù)不同選取不同的類型。然后這些多路模擬輸入信號(hào)經(jīng)多路采樣開(kāi)關(guān)依次接通并順序輸入,再經(jīng)采樣/保持器(S/H)采樣并保持,使輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在保持時(shí)間內(nèi)保持恒定,以保證A/D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性[4,5]。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)接口插槽送入微型計(jì)算機(jī),以便CPU對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

本文巖土工程強(qiáng)度—變形性質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)中,測(cè)量巖石材料隨應(yīng)力增加時(shí)的橫縱變形是采用紙基電阻絲應(yīng)變片,應(yīng)變片貼在試件中部,每個(gè)試件各貼縱橫方向相對(duì)應(yīng)的兩片,用半橋的方法測(cè)出試件的變形。利用電阻應(yīng)變片敏感的物理效應(yīng),將待測(cè)試件應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻值。由于一般應(yīng)變?cè)?0-3～10-6范圍內(nèi),而常規(guī)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)值很小,所以對(duì)應(yīng)其電阻變化范圍很小,約10-1～10-4Ω。要精確的測(cè)量出這些微小的電阻變化,本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀YD-15型,共有4通道,各通道相互獨(dú)立,且能滿足上述測(cè)量要求。實(shí)際測(cè)量中,有3個(gè)通道用于應(yīng)變測(cè)量,分別測(cè)定橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變,具體可視自身需要而定,另一個(gè)通道用于荷載測(cè)量。

2 軟件組成及功能

2.1 軟件組成

本測(cè)試系統(tǒng)軟件有兩部分組成。第一部分是系統(tǒng)接口程序,第二部分是數(shù)據(jù)處理程序。其中接口程序由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)而成源程序,經(jīng)編譯連接后形成可執(zhí)行文件,在MSDOS狀態(tài)下運(yùn)行。接口程序的主要功能是導(dǎo)通計(jì)算機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器,并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,最終把轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到磁盤(pán)上。數(shù)據(jù)處理程序包含兩部分,一是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序,其主要是把由采集程序采集到的二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為具有一定格式的十進(jìn)制文件。通過(guò)該程序可得到其它應(yīng)用軟件處理所要的順序文件,并可根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修正,還可作一些簡(jiǎn)單的計(jì)算。第二部分是應(yīng)用軟件VBA語(yǔ)言結(jié)合EXCEL宏語(yǔ)言編制的數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件,以便繪制試驗(yàn)曲線,并根據(jù)需要計(jì)算出一些必要的參數(shù)。

2.2 軟件功能

在軟件設(shè)計(jì)中,以DOS作為運(yùn)行平臺(tái)。根據(jù)試驗(yàn)需要由采樣值和鍵盤(pán)中斷同時(shí)作用進(jìn)入待命狀態(tài),以便根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求,進(jìn)行下一階段的試驗(yàn),或結(jié)束采樣子程序,退回DOS狀態(tài)。退出采樣子程序時(shí),系統(tǒng)可按需要由鍵盤(pán)鍵入文件路徑及文件名用于采樣數(shù)據(jù)自動(dòng)存盤(pán)(隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件)。

同時(shí),本程序可視實(shí)際情況通過(guò)菜單形式選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)同一被測(cè)對(duì)象在相同的試驗(yàn)條件下按不同的采樣速率來(lái)采集數(shù)據(jù),以便獲得更多有用信息。若按照最高采用速度采樣,可在每秒采入多達(dá)50 K的數(shù)據(jù)。

對(duì)于數(shù)據(jù)的后處理和繪圖,是通過(guò)VBA語(yǔ)言結(jié)合EXCEL宏語(yǔ)言編制的數(shù)據(jù)處理繪圖軟件來(lái)完成的。經(jīng)過(guò)后處理,可在屏幕終端顯示被測(cè)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)。

3 測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

巖石力學(xué)或巖土工程最基本的問(wèn)題是獲得所研究巖石(體)必要的物理力學(xué)參數(shù)(其中包括變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)等),這就要借助于測(cè)試技術(shù)來(lái)完成。通過(guò)測(cè)試,人們可以對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)獲得數(shù)量上的概念,從而總結(jié)出一般規(guī)律,服務(wù)于工程實(shí)際[6,7]。

本試驗(yàn)中,利用這套計(jì)算機(jī)在線動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)松樹(shù)腳錫礦蘆塘壩礦段10-6礦體5號(hào)實(shí)驗(yàn)采場(chǎng)的礦巖進(jìn)行了一系列試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究。

采用巖石切片機(jī)切割巖樣,然后用磨石機(jī)研磨,以使加工出的試樣有足夠的平整度,并達(dá)到有關(guān)規(guī)范對(duì)加工精度的要求。單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)定采用5 cm×5 cm×10 cm方柱形試樣進(jìn)行。將試樣置于最大出力為1 000 kN或2 000 kN的材料壓力試驗(yàn)機(jī)上,按0.5 MPa/s～0.8 MPa/s的速度加載,直至試樣破壞。在測(cè)定抗壓強(qiáng)度的巖石試樣中部也粘貼電阻應(yīng)變片,在對(duì)試件加載、讀取荷載值的同時(shí),用電阻應(yīng)變儀讀取試樣的變形值,以計(jì)算彈性模量、泊松比并繪制變形曲線。每塊試樣上通常粘貼4～6片電阻應(yīng)變片,其中2片測(cè)量沿加載方向的縱向應(yīng)變,2～4片測(cè)量垂直于加載方向的橫向應(yīng)變。同時(shí)進(jìn)行巖石的聲發(fā)射試驗(yàn),測(cè)定聲發(fā)射同應(yīng)力之間的關(guān)系[8]。

根據(jù)水電巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范,巖石試驗(yàn)加載速率為0.1 MPa/s～0.5 MPa/s。如人工讀數(shù),則10 s左右讀取一組數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)測(cè)試連貫性差,因此,對(duì)于聲發(fā)射試驗(yàn),人工讀數(shù)僅僅可得到3～5組數(shù)據(jù)。利用計(jì)算機(jī)在線動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),在室內(nèi)對(duì)云錫松礦采場(chǎng)的礦巖進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。圖3給出了測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的云錫松礦采場(chǎng)灰?guī)r試驗(yàn)應(yīng)力、聲發(fā)射和時(shí)間的關(guān)系圖。

圖3 應(yīng)力、聲發(fā)射和時(shí)間關(guān)系

由圖可見(jiàn),采用此計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試頻率大(每秒可記錄30條數(shù)據(jù)),因此,測(cè)試數(shù)據(jù)完整反映了巖石破壞過(guò)程中的應(yīng)力變化,得出了強(qiáng)度試驗(yàn)的后半段曲線。

4 結(jié) 論

采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)時(shí),耗時(shí)、耗力、測(cè)量精度低,尤其在對(duì)多點(diǎn)、多變量及參量變化曲線拐點(diǎn)處,人工測(cè)量誤差較大。將微機(jī)引入試驗(yàn),借助于高速A/D芯片研制的計(jì)算機(jī)在線動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),將非模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并繪制曲線,這就避免了參量變化曲線拐點(diǎn)處測(cè)量精度低的現(xiàn)象。這樣,可做到計(jì)算速度快、采點(diǎn)多,并能改變采點(diǎn)速率,使微機(jī)模擬的曲線更能反映被測(cè)對(duì)象的特性。本系統(tǒng)已在巖石材料試驗(yàn)中得以應(yīng)用,還可以將其應(yīng)用于其它場(chǎng)合。

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