基于光电技术的渗透试验自动采集系统

王静

（上海申元岩土工程有限公司，上海 200125）

基于光电技术的渗透试验自动采集系统

王静

（上海申元岩土工程有限公司，上海 200125）

目前，常规的渗透试验都是通过人工肉眼观察变水头管内液位高度，这容易导致试验数据的时效误差和读数误差。基于光电技术的渗透试验自动采集系统与传统的渗透试验原理和步骤完全相同，通过改进试验设备首次实现了测量数据的自动采集、保存及计算，很大程度提高了试验数据的准确性，在实际工程实践中具有较强的实用性。

光电技术；渗透试验；自动采集

0 引言

渗透试验的主要目的是测定土体的渗透系数，提高此参数的准确性，对于分析计算地基固结沉降时间，估计天然地基、土坝、高填土等渗流量和渗流稳定性，以及给排水设计，施工选料、人工降水及地基加固设计等具有重要意义。

目前室内渗透试验方法很多，按原理分两大类：常水头法和变水头法。常水头法适用于渗透性较大的粗粒土，变水头法适用于透水性较小的细粒土。相对于常水头法，变水头法试验过程中水头变化快，读数次数多，影响数据采集准确性的因素众多，有必要对现有试验设备加以改进，以获取更加准确有效的数据。

由于常规的渗透试验都是通过人工肉眼观察变水头管内液位高度，此观测方法易出现试验数据的时效误差和读数误差，无法严格保证试验的实时性与准确性。为此，所研发的基于光电技术测定土体渗透液位的试验方法，采用光电测量技术，同时开发了与之相适应的数据自动采集处理系统，首次实现了实时自动采集数据、无人为误差的渗透试验过程，弥补了传统试验读数方法的不足，填补了国内外该试验自动测量方法的空白。

1 光电式变水头渗透试验

光电式变水头渗透试验与传统的渗透试验原理和步骤完全相同，区别在于前者通过改进试验设备实现了测量数据的自动采集、保存及计算，提高了试验结果的准确性。

1.1 光电式变水头渗透试验系统的组成

系统主要包括光源组件、传感器模块、信号处理机、信号中继器及相应的主控软件，如图 1。

图1 光电式变水头渗透试验系统示意图

1）光源组件：该组件包括调制信号发生器 31和点光源 32，调制信号发生器与点光源相连。

2）传感器模块：包括光探测器 41，前置放大器42，检波器 43 和数字信号处理器 44，光探测器通过前置放大器与检波器相连，检波器和数字信号处理器相连；光探测器与点光源配合，相互面对的置于变水头管的横向两侧。

3）信号处理机：包括数据输入端和数据输出端，数据输入端与数字信号处理器相连，数据输出端与信号中继器相连。

4）信号中继器：包括数据输入端和数据输出端，数据输入端与信号处理机相连，数据输出端与计算机相连。

5）主控软件：此操作软件和传感器部分为无缝连接通讯，操作人员可以根据不同的要求选择传感器端的工作状态，传感器端的状态或数据变化，软件界面上都会提示或显示。实验结束后，可根据采集的数据进行计算，并将结果保存及打印。

1.2 光电式变水头渗透试验系统的工作原理

该系统选用 220V/50HZ 的交流电源，中继器会其转换为所需的直流电源，再通过导线网络分别供给光源部分和传感器模块部分，光源组件接通供给电源后会启动内部的调制和驱动电路，产生光源发光所需的信号，发光的点光源经过光学系统的调理后会变成一个直径比较小的光点，光点经过玻璃管后，将光能量聚焦于光电控测器上。这些数据通过内部特定的 MODBUS协议与中继器相通讯，中继器接收到测量数据后，会执行通道数据的排序和中继，最后通过 RS232 接口实现与PC 机的通讯，PC 机的测量软件接收到 RS232 口的通讯数据会根据相应的格式和算法显示、保存和打印试验数据，从而完成全自动化高效率的试验任务。

1.3 光电式变水头渗透试验方法

1）根据有关规范要求，按照常规的试验方法，将土样装入土样盒中，并将水注入变水头管至有关要求高度；

2）通过主控软件界面的启动按钮，并通过选择数据采集通道进行采集。

3）光电式渗透试验装置自动读取试验过程中变水头管内水柱水头高度及对应的时间，主控软件根据 GB／T50123—1999 《土工试验方法标准》变水 头 试 验 计 算 公 式 k=A’l ln（h1/h2）/A（t2-t1）自 动计算出该试验土样的渗透系数。

1.4 主控软件的操作

1）软件的主界面包括工程编号、工程名称、土试负责人、审核人等内容，在该界面下可以创建新工程及查询工程编号。在工程目录窗口中包括所选工程的勘探孔孔号列表，并具有“创建孔号”、“打 印 工 程”、“ 删除 工 程 ”、“ 打 印预 览”等功 能。

2）进入选定的工程，出现孔列表界面，在该界面下可显示已建的勘探孔土样列表，也可创建新的土样编号并输入渗透试验所需的有关参数。

3）选定所需试验的土样编号，进入土样列表界面，通过启动按钮开始渗透试验，试验结束，土样列表界面则显示已完成试验的成果信息。

4）试验完成后，系统将自动生成“变水头渗透试验记录表”。

2 光电式渗透试验系统的特点

1）整个试验过程均为电脑自动控制，大大节约了人力资源成本。

2）通过传感器装置采集水头高度及时间，减小了试验误差，提高了试验精度。

3）人性化界面设计，数据和窗口互动的方式显示，可操作性强，使用方便。

4）系统自行对采集数据进行处理，并计算渗透系数，减少了人工操作的失误，提高了效率。

5）系统数据采用数据库形式进行存储，所占的计算机资源很小。

6）系统参数实行可更改制，可供后续规范变更时人为进行相应的参数更改，实用性较强。

7）成果以表格的形式直接输出，减少了试验人员的工作量。

3 结语

光电式渗透试验系统采用了传感器组件进行试验数据的采集，克服了人工观测读数的不精确性和无法实时观测的缺陷，减小了试验数据的误差；全自动的试验过程及试验数据后处理功能，在很大程度上提高了试验数据的准确性，在实际工程实践具有较强的实用性。该系统可大大减少试验人员的工作量，节约人力资源成本。

现阶段，土工试验成本高、利润低，试验设备落后，自动化程度低是该领域研究的瓶颈，亟待进一步深化研究土工试验的自动化控制方法，以适应建筑市场向“广、大、深”发展的新趋势。

［1］袁聚云.土工试验与原理［M］.上海：同济大学出版社，2003.

［2］GB／T50123—1999，土工试验方法标准［S］.

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