计算机在线测试系统及其在岩石强度试验中的应用

姚 宇,宋战平,郭芳瑞

(1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院,陕西 西安710055;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055)

0 引 言

测试问题广泛存在于各行各业,存在于生产、生活等领域。随着生产力水平与人类生活水平的不断提高,对测试问题提出了越来越高的要求。除了要求准确、迅速、可靠地完成测试任务外,还要求能实现自动与智能化的测试。测试技术的广泛应用,使得测试自动化的应用领域也已由以前的“自动化孤岛”向各个领域中扩展。随着计算机技术的发展和普及,在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中,计算机测试技术正发挥着越来越重要的作用[1～3]。

与以往试验中手工测试的慢速度,低效率相比较,利用计算机在线测试更加方便、快捷、准确。不仅可以自动完成测试用例执行结果的判断,从而避免人工比对存在的疏漏问题,而且若设计良好的自动化测试系统,在某些情况下可以实现“夜间测试”和“无人测试”。同时,还可以高效地完成一些重复性测试,降低了人为因素对测试过程的干扰,排除了测试的随机性和盲目性,可降低冗余,减少遗漏等。

为了改善生产过程和试验中人工测试所存在的缺点,利用计算机在线测试技术,研制开发了计算机动态测试系统。这套辅助测试系统可以在试验过程中将试验数据直接输入到计算机中,在需要的情况下,每秒可采集并输入数千至数万个数据。采用这套测试系统可以实时跟踪生产过程的变化情况,并可避免人工读数时可能出现的错误。试验结束后,又可以用计算机整理试验数据,快速绘制有关图形文件等,十分方便。

1 在线动态测试系统原理及硬件构成

1.1 测试基本原理

在一个自动化测试系统中,各个组成部分常常以信息流的过程来划分,一般可分为:信息的获得、信息的转换、信息的显示以及信息的处理四部分。因此,进行非电量测试时,首先要获得被测量的信息,接着将其变换成电量,然后通过信息的转换,把获得的信息变换、放大,再用指示仪或记录仪将信息显示出来,有时还需要将信息加以处理。具体来说,非电量测试系统一般包括传感器(信息的获得)、测量电路、放大器(信息的转换)、指示仪、记录仪(信息的显示)等几部分,有时还有数据处理仪(信息的处理)。非电量测试系统的具体实现如图1所示。

图1 非电量测试系统的组成

1.2 测试系统硬件构成

在一般工程实际中,测量的主要参数均为非电量。由于此类参数的测试较为复杂,所以在设计测试系统硬件框图时,需要考虑众多因素。计算机在线动态测试系统硬件设计框图如图2所示。

图2 计算机在线动态测试系统硬件组成框图

被测对象,即非电的物理量参数通过传感器,将其转换成模拟电量。传感器根据所测参数不同选取不同的类型。然后这些多路模拟输入信号经多路采样开关依次接通并顺序输入,再经采样/保持器(S/H)采样并保持,使输入到A/D转换器的模拟量在保持时间内保持恒定,以保证A/D转换的准确性[4,5]。A/D转换器转换后的数字量经接口插槽送入微型计算机,以便CPU对采样的数据进行处理。

本文岩土工程强度—变形性质测试系统中,测量岩石材料随应力增加时的横纵变形是采用纸基电阻丝应变片,应变片贴在试件中部,每个试件各贴纵横方向相对应的两片,用半桥的方法测出试件的变形。利用电阻应变片敏感的物理效应,将待测试件应变量转换成电阻值。由于一般应变在10-3～10-6范围内,而常规电阻应变片的灵敏系数值很小,所以对应其电阻变化范围很小,约10-1～10-4Ω。要精确的测量出这些微小的电阻变化,本系统采用动态电阻应变仪YD-15型,共有4通道,各通道相互独立,且能满足上述测量要求。实际测量中,有3个通道用于应变测量,分别测定横向应变和纵向应变,具体可视自身需要而定,另一个通道用于荷载测量。

2 软件组成及功能

2.1 软件组成

本测试系统软件有两部分组成。第一部分是系统接口程序,第二部分是数据处理程序。其中接口程序由汇编语言编写而成源程序,经编译连接后形成可执行文件,在MSDOS状态下运行。接口程序的主要功能是导通计算机与A/D转换器,并启动A/D转换,最终把转换结果输出到磁盘上。数据处理程序包含两部分,一是数据转换程序,其主要是把由采集程序采集到的二进制文件转换为具有一定格式的十进制文件。通过该程序可得到其它应用软件处理所要的顺序文件,并可根据整个系统标定结果对数据进行相应的修正,还可作一些简单的计算。第二部分是应用软件VBA语言结合EXCEL宏语言编制的数据处理和绘图软件,以便绘制试验曲线,并根据需要计算出一些必要的参数。

2.2 软件功能

在软件设计中,以DOS作为运行平台。根据试验需要由采样值和键盘中断同时作用进入待命状态,以便根据不同的实验要求,进行下一阶段的试验,或结束采样子程序,退回DOS状态。退出采样子程序时,系统可按需要由键盘键入文件路径及文件名用于采样数据自动存盘(随机二进制数据文件)。

同时,本程序可视实际情况通过菜单形式选择来实现对同一被测对象在相同的试验条件下按不同的采样速率来采集数据,以便获得更多有用信息。若按照最高采用速度采样,可在每秒采入多达50 K的数据。

对于数据的后处理和绘图,是通过VBA语言结合EXCEL宏语言编制的数据处理绘图软件来完成的。经过后处理,可在屏幕终端显示被测对象的相关参数。

3 测试系统的应用实例

岩石力学或岩土工程最基本的问题是获得所研究岩石(体)必要的物理力学参数(其中包括变形参数和强度参数等),这就要借助于测试技术来完成。通过测试,人们可以对岩石物理力学性质获得数量上的概念,从而总结出一般规律,服务于工程实际[6,7]。

本试验中,利用这套计算机在线动态测试系统,对松树脚锡矿芦塘坝矿段10-6矿体5号实验采场的矿岩进行了一系列试验,并对试验结果进行了分析研究。

采用岩石切片机切割岩样,然后用磨石机研磨,以使加工出的试样有足够的平整度,并达到有关规范对加工精度的要求。单轴抗压强度的测定采用5 cm×5 cm×10 cm方柱形试样进行。将试样置于最大出力为1 000 kN或2 000 kN的材料压力试验机上,按0.5 MPa/s～0.8 MPa/s的速度加载,直至试样破坏。在测定抗压强度的岩石试样中部也粘贴电阻应变片,在对试件加载、读取荷载值的同时,用电阻应变仪读取试样的变形值,以计算弹性模量、泊松比并绘制变形曲线。每块试样上通常粘贴4～6片电阻应变片,其中2片测量沿加载方向的纵向应变,2～4片测量垂直于加载方向的横向应变。同时进行岩石的声发射试验,测定声发射同应力之间的关系[8]。

根据水电岩石力学试验规范,岩石试验加载速率为0.1 MPa/s～0.5 MPa/s。如人工读数,则10 s左右读取一组数据,数据测试连贯性差,因此,对于声发射试验,人工读数仅仅可得到3～5组数据。利用计算机在线动态测试系统,在室内对云锡松矿采场的矿岩进行了一系列试验。图3给出了测试系统测试的云锡松矿采场灰岩试验应力、声发射和时间的关系图。

图3 应力、声发射和时间关系

由图可见,采用此计算机动态测试系统,测试频率大(每秒可记录30条数据),因此,测试数据完整反映了岩石破坏过程中的应力变化,得出了强度试验的后半段曲线。

4 结 论

采用传统方式进行测试试验时,耗时、耗力、测量精度低,尤其在对多点、多变量及参量变化曲线拐点处,人工测量误差较大。将微机引入试验,借助于高速A/D芯片研制的计算机在线动态测试系统,将非模拟量转化为数字量输入计算机,由计算机对数据进行处理,并绘制曲线,这就避免了参量变化曲线拐点处测量精度低的现象。这样,可做到计算速度快、采点多,并能改变采点速率,使微机模拟的曲线更能反映被测对象的特性。本系统已在岩石材料试验中得以应用,还可以将其应用于其它场合。

[1]常健生主编.检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]赵保经,罗振侯,等编著.A/D和D/A转换器应用手册[M].上海:上海科学普及出版社,1995.

[3][英]J.P.本特利,著.测量系统原理[M].朱德忠,等译.北京:中国计量出版社,1988.

[4]马良锃.应变电测与传感技术[M].北京:中国计量出版社,1993.

[5]朱民雄.微机控制多参数测量系统[J].测控技术,1988,6(2):18-20.

[6]王德玲,沈疆海,葛修润.岩石疲劳扰动模型的研究[J].水利与建筑工程学报,2006,4(2):32-33.

[7]J.C.耶格,N.G.W.库克.岩石力学基础[M].北京:科学出版社,1981.

[8]宋战平.岩土工程中的混沌分形及其应用研究[D].昆明:昆明理工大学硕士学位论文,2000.