便携式岩石力学测试仪设计

陈奕兴 梁 伟 伍法权

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.绍兴文理学院 机械与电气工程学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

在矿山工程、水利水电工程及公路铁路交通等工程中，通常需要岩石物理性质的主要参数[1]，其中岩石“应力-应变”全过程的曲线是最基本、最重要、最常用的技术参数，它是岩石整体结构刚性和收缩性全过程分析、抗震结构以及变形等问题研究的基础[2]，这些力学性能参数主要通过专业实验室中的大型岩石力学试验机获得.

目前国内外有许多大型基础建设项目，例如川藏铁路工程项目，工程人员若想获取山体岩石力学的相关参数，往往需要在野外勘测过程中取样后再运回实验室进行相关实验，这样会造成获取参数费时费力且效率低下的问题.因此亟须研发一套便携式岩石测试设备，实现在勘测现场即可获取相关参数，达到提高工作效率和缩短工期的目的.

随着电子集成技术、机电一体化技术的发展，研发便携式岩石力学测试设备已成为可能.基于此，绍兴文理学院岩石力学与地质灾害重点实验室专家组提出了“背包实验室”的概念，它由便携式多功能岩石力学试验机、SMRM电子野簿APP、数据云平台、便携式背包钻、岩芯角磨机等组成，能够在勘测现场完成岩石采样、岩石点荷载试验、单轴抗压强度试验，以及结构面摩擦角的试验和数据分析.本文设计的测试仪可配合机械结构和液压系统完成数据采集、分析、存储及上传等工作[3].

1 测试仪设计方案

1.1 岩石力学测试仪组成及功能

便携式岩石力学测试仪由电子测试、液压、机械框架三部分组成.本文主要研究电子测试仪的设计，该系统分为硬件和软件两部分.系统中各传感器安装位置及测试仪各部分组成如图1所示.通过压力传感器和位移传感器，可以测试岩石点荷载、单轴抗压强度的相关参数[4].测试仪对减速电机控制，通过角度传感器、激光开关传感器可以得到岩石结构面摩擦角参数.

1-钢制框架；2-位移传感器；3-压力传感器；4-围压仓；5-待测岩芯；6-千斤顶；7-钢制活塞；8-金属平台；9-待测岩块；10-角度传感器；11-岩石测试仪；12-航空插头；13-激光开关传感器；14-直流减速电机

以测试单轴抗压强度参数为例[5].在勘测现场，首先使用背包钻获取直径为20 mm待测岩芯，经打磨后在岩芯表面贴上透明胶带并放置在围压仓中，岩芯上下两端放置钢制圆柱活塞，将装置好的围压仓放置在底部千斤顶之上，使其位置对齐.围压仓整体能自由拆卸，多种力学实验可以根据需要装载不同的零件进行试验.当零件装载完毕后，启动开关，进入单轴抗压强度参数测试界面，由按键设置好各项参数，随后千斤顶油压泵开始缓慢加压使系统运行，加压过程越慢效果越好.测试过程中各传感器信号经过放大、滤波、模数转换等，把相应数据传送至单片机数据处理模块中做相应处理，在文件系统中生成Excel格式文件并可在SD卡中存储或删除.测试获取应力-位移值形成相应的坐标曲线显示在液晶屏上，以便观察和分析数据.测试数据也可通过蓝牙传输到手机APP.

对于岩石结构面摩擦角测试功能，是将角度传感器安装在金属平台背面，表面放置两块叠放的被测岩石，调节上方岩石，当上方岩石的引线恰好遮挡住激光开关传感器，减速电机控制金属平台向下缓慢转动，使两块岩石处于倾斜状态，当被测岩石由静摩擦转化成滑动摩擦并发生滑动时，上方岩石引线滑落，使得激光开关对射控制电机随即停止转动，此状态的角度即为岩石结构面摩擦角度，数值在液晶屏上显示，数据同样可进行存储和传输处理.

1.2 测试仪传感器选择

岩石力学测试仪要测量和采集的物理量为试验力(应力)、岩芯的变形(应变)、位移(压缩率)以及滑动角度(摩擦角).图2是各传感器和测试仪的设计原理框图.考虑到该设备针对野外勘测作业时方便携带使用，仪器各模块零部件要达到体积小、精度高、低功耗的要求.

图2 岩石力学试验机测试仪整体框图

仪器以型号为STM32F103V芯片为MCU(Micro Controller Unit,微控制单元)，它具有高性能、低成本和较低功耗的特点，丰富的引脚端口可满足该设备多功能要求.传感器选用高精度微型柱式压力传感器，最大量程为10 T，精度为0.1%，可测岩芯在千斤顶施加压力时所获取的压力值，通过公式换算成应力.岩芯的位移是指岩芯通过受力挤压导致的破裂从而产生的微小缝隙，同时也是上端圆柱活塞的行程.位移传感器必须具备精度高、性能强、稳定性好，选用量程为24 mm，分辨率为1 um的电容式栅格千分测微计，比传统的位移传感器更加稳定，不易受外界环境的干扰[6].岩石结构面摩擦角通过角度传感器测试，选用6轴高精度倾角传感器，其精度为0.01°.

电源系统需给3.3 V～10 V多个电压范围传感器供电，考虑到电源转换效率和连续工作时间，选用两节可充电式18650型号的锂电池，进行串联后工作电压为6.4 V～8.4 V，标称7.2 V.电源系统支持5 V标准充电器进行充电，为满足工程人员在野外勘测时充电条件不允许，也支持充电宝充电，使测试仪的整体续航能力大大提高.各硬件部件如表1所示.

表1 岩石测试仪主要硬件参数

1.3 测试仪低功耗设计

嵌入式系统的电源管理是系统设计的重要部分，合理的电源管理方案可以减少系统的功耗，可提高测试仪整体性能[7].尤其是本文设计的手持式岩石力学设备，野外作业时需要长时间使用且不方便充电，电源续航能力将直接影响其使用性能.设计时需要考虑最大限度地降低系统功耗，提高电能使用效率，减少不必要的能源损失，延长电池使用寿命.

系统中均采用DC/DC(Direct Current/Direct Current，直流电转直流电)转换电路进行升降电压，各电路模块电能利用率超过90%.当测试仪处于关机状态时，电池中电能不会被元器件所消耗，在电池输出端设置MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET, 金属-氧化物半导体场效应晶体管)起开关作用.系统处于全部传感器工作状态时总电流约为180 mA，两节18650锂电池以容量2 000 mAh计算，可连续工作超过12 h.

系统元器件及传感器均选取低功耗器件.系统中采用并口的液晶屏相比串口屏功耗低；所使用的传感器均采用数字传感器，相比模拟传感器减少了前置处理电路及A/D(Analog to Digital Converter, 模拟信号转换成数字信号)转换电路，整体功耗更低[8]；所使用的单片机在满足能够实现系统功能要求的前提下选择资源最合适的芯片，保证最低功耗.当系统在五分钟之内无任何操作，系统将会自动关机，尽最大可能节约电能.

2 典型电路分析

2.1 充电电路

充电电路以BOOST(升压)型XL6007升压芯片为核心，它是DC/DC转换器，可以产生正或负输出电压，通过调节分压电阻大小可将输入电压调节至预期电压值，配合高端采样器INA201电流监测芯片设计恒流充电[9]，具体采用50 mΩ采样电阻，INA201放大50倍后反馈到XL6007的FB(Feed Back，反馈)端(1.25 V)，获得500 mA充电电流.同时使用INA201内置比较(设置为迟滞比较器)做电池充满电压控制(8.4 V)，比较器输出驱动AO3400控制XL6007的使能引脚EN(Enable,使能)端，完成最高充电电压控制.充满电后，XL6007处于间歇工作状态，做涓流充电，保证电池不超过最高充电电压8.4 V.比较器输出同时控制充电指示灯，可显示充电、满电状态.测试仪充电电路图如图3所示.

①VAS评分标准[4]:疼痛评分。依照视觉模式疼痛评分量表评价结果。量表由十个刻度组成,表示从无痛到剧痛。让患者根据疼痛感局在横线上标记,根据标记结果评价疼痛感。总分10分,分数越高疼痛感越强烈。②SDS评分标准[5]:依照抑郁自评量表评价结果。量表由20题组成,总分100分。分数越高,抑郁情况越严重。③QOL评分标准[6]:依照肿瘤病人生活质量评分量表评价差异。量表由食欲、精神、睡眠、疲乏、疼痛等12项组成。总分100分,分数越高,生活质量越好。

图3 测试仪充电电路图

2.2 系统供电电路

电源总开关使用CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)芯片设计成乒乓开关控制，采用CD4011芯片构成R-S(RESET-SET，复位-置位)触发器[10]，仅使用一个按键实现仪器的开关机控制，简化了仪器外壳的开关设计，提高了野外电子设备的整体防护水平.测试仪供电电路图如图4所示.

图4 测试仪供电电路图

电池初次上电时，电源电压通过电阻R5和电容C30的充电脉冲使触发器Rd=1，Sd=0，触发器置1，此时处于复位状态，控制主电源芯片U3的使能端为禁止状态，系统关机；当按下S1键时，上拉电阻R24响应使Sd=1，Rd=0，触发器置0，此时处于置位状态，控制主电源芯片U3的使能端为使能状态，系统开机；当开机状态再次按下S1时，触发器电路逻辑并不会改变仍然保持当下状态，此时上拉电阻R12响应使MCU获得一个低脉冲信号，MCU识别后发送关机信号脉冲给Q2，MOS管Q2接收到信号导通输出一个触发脉冲给R-S触发器，使其再次处于复位状态，系统关机.

系统3.3 V电源使用低静态功耗，高效率的BUCK(降压)型DC/DC转换芯片MP2359设计，由标称7.2 V电池组降压到3.3 V电源时，能够获得90%以上的电源效率.

2.3 应力-位移测试电路

+5 V电路使用低静态功耗，采用高效率的BUCK型DC/DC转换芯片MP2359设计，给位移传感器供电，同时它的使能端由MCU控制，只有在使用位移传感器时才启动这个电源，不使用时保持关闭状态以降低功耗.测试仪中常用的功能是测量岩石的应力和位移，因此使用一个八芯的航空接口将两种传感器接线头组装在一起.测试仪应力-位移测试电路图如图5所示.

图5 应力-位移测试电路图

位移传感器采用容栅式位移传感器，配给5 V工作电压和一个RS232接口，需要将电池电压降压使用.系统使用SP3232芯片完成硬件逻辑，MCU提供一路标准串口.在需要使用传感器时启动5 V供电.启动串口读取数据即可.采用定时方式驱动串口中断读取数据，采样速率与压力采样同步.

压力传感器使用HX711芯片采集数据，该芯片是一款专为高精度压力传感器而设计的24位A/D转换器芯片.HX711采用系统3.3 V供电，桥路则采用3.3 V通过TL431稳压至3 V供电，供电电流调整限流电阻，保证应变桥可靠工作(不使用内部稳压器).具体的传感器灵敏度约为2 mV/V，满量程约6 mV，增益为128.

2.4 岩石结构面摩擦角测试电路

+10 V电路使用低静态功耗，采用高效率的BOOST型DC/DC转换芯片XL6007设计，用来给角度传感器供电，同时它的使能端由MCU控制，只有在使用角度传感器时才启动这个电源，不使用时保持关闭状态以降低功耗.

系统中岩石结构面摩擦角测试模块是由角度传感器、减速电机、激光开关传感器组成，三个传感器集成在一个七芯航空插头上，减少外部连接线.减速电机控制被测岩块处于一定倾斜程度，当岩块滑动时触发接近开关迫使电机停止转动，倾角传感器采取此状态下的角度，即为岩石滑动摩擦角.岩石结构面摩擦角测试电路图如图6所示.

图6 岩石结构面摩擦角测试电路图

倾角传感器配给10 V供电和一个RS232接口，系统使用SP3232芯片完成硬件逻辑，MCU提供一路标准串口.采用L9110S芯片，它用于通道推挽功率放大器电路的特殊集成芯片器件，可控制和驱动电机.该芯片有两个TTL/CMOS(Transistor-Transistor Logic,晶体管逻辑电路)兼容电平的输入，具有较好的抗干扰能力，并且两个输出端驱动电机双向往复运动.激光开关传感器采用OC(Open Collector,开集极电路)门接线方式，工作电压也是10 V.

3 系统程序设计

该系统对整个实验过程进行精确而灵活的操作、功能按键化，可以按实际要求进行精准测量、显示信息、处理并存储，集成度高，便于操作且可靠[11].整个岩石力学参数及结构面摩擦角的测量系统，实现了智能化采集数据的要求，测试仪主程序框图如图7所示.

图7 测试仪测试系统主程序框图

测试设备开机准备使用时，系统首先会自动测试电源电量，电量正常则进入主界面继续工作，若电量不足20%则提示充电.进入系统主界面时，屏幕提示按键盘K4进行应力-位移试验、按K8进入岩石摩擦角测试试验、按K12进入SD卡目录界面等.例如当进入“应力-位移测试界面”，首先对两个传感器进行校准.压力传感器是桥式连接应变片，当有压力时，应变片发生形变，电阻改变导致电压差改变，在未受力时，输出的两根线理论上来说，电压应该相等，即电压差为0，但是实际上一开始就会有一个电压差，所以需要调用校准函数对其校正.进行试验可获取相关数据，并显示出变化过程图像，在此界面操作者可以选择保存文件至SD卡中或删除，保存后也可在文件目录中选择重新打开文件并显示岩石崩溃点的数据和全过程图像.当选择测试岩石结构面摩擦角的测试功能时，同样地，获得的数据进行运算、存储，并在液晶屏中显示，所有数据均可通过蓝牙传输到“SMRM电子野簿”APP，上传数据也可在数据云平台中读取.

程序编写中的难点是构造文件系统，该文件系统是对测试数据做全程的数据记录及存储，并自动生成Excel格式文件.可取出SD卡，方便获取试验源数据.文件在保存时，可以自定义文件名，目前仅局限于十位0～9纯数字命名.

4 系统调试及测试

4.1 压力传感器标定

测试装置安装好各部分传感器后，在进行试验之前，先将压力传感器进行标定.传感器的标定，就是为了测试传感器的输出和输入量的相关性，并确定不同应用标准下的偏差相关性.压力传感器的静态数据校准是指给几个不同的工作压力点，获取压力传感器的相对输出电压读数，并生成静态数据校准曲线.校准曲线的线性范围就是压力传感器的工作范围，线性范围的斜率是传感器的比例系数.根据一系列的校准曲线，可以获得静态特征标准值:离散型、滞后性、重复性和精度.在标定过程中，默认MTS815岩石力学性能试验机的压力为标准力，分别对压力传感器施加1 T、3 T、5 T、10 T的力.测试仪标定成功后即可投入使用.

4.2 单轴抗压强度测试试验

当试件在垂直作用的压力下，测得出现压缩破坏时，试件单位面积上所承受的荷载力称为岩石的单轴抗压强度[12].本试验测得15组青砂岩单轴抗压强度数据，被测岩样规格为φ20*40 mm圆柱形岩芯.通过数据采集处理，单轴抗压试验应力-位移曲线会显示在液晶屏上.取其中一组试验数据，曲线如图8所示.为验证峰值数据准确性，计算分析岩石单轴抗压强度标准值与实测单轴抗压强度平均值之间关系[13-14]，得到统计修正系数为0.976 4，符合工程要求.

图8 单轴抗压试验应力-位移曲线

测得15组单轴压缩强度与达到强度时位移数据，通过MATLAB软件实现最小二乘法，对数据进行一阶直线拟合，图中直线为拟合函数，如图9所示，数据偏差较小，离散度低，达到试验要求.下文亦采用此方法对数据进行拟合.

图9 单轴压缩强度与达到强度时位移离散分布图(15组)

4.3 岩石点荷载测试试验

点荷载试验是测试点荷载下岩石、混凝土或其他纯天然建筑材料的抗压强度的简单方法.本试验测试标号为42.5不规则均质水泥块15组，其规格为30 mm～55 mm不等的立方体.取其中一组点荷载试验强度试验应力-位移曲线如图10所示，试件的应力-位移曲线较为完整，峰值数据符合试验要求[15-16].15组点荷载强度与达到强度时位移离散分布图如图11所示.

图10 点荷载试验强度试验应力-位移曲线

图11 点荷载强度与达到强度时位移离散分布图(15组)

4.4 岩石结构面摩擦角测试试验

在地质工程勘察中，岩石结构面的特征的调查是可靠性评估工作中很重要的一部分.在结构面特征参数中，结构面摩擦角是最重要的主要参数之一[17]，其中，结构面残余摩擦角是指经风化、水流腐蚀的岩石结构面摩擦角，可野外直接测得，角度集中在25°～50°.因试验在野外进行，测试的摩擦角即为残余摩擦角.通过测试15组花岗岩残余摩擦角，被测岩样规格为40*50*20 mm，测试数据离散分布图如图12所示.

图12 摩擦角测试数据离散分布图

残余摩擦角可以通过Barton and Choubey进行估算验证[18-20]，计算得到花岗岩残余摩擦角理论值为39.67°，多次实测残余摩擦角均值为43.3°.因选取被测岩块表面风化程度、粗糙程度不同，实测角度值与理论值存在一定的误差，接近理论值，符合工程要求.

图12中观察得出测试数据介于42.9°～43.8°，上下波动值小于1°，数据拟合后趋于一条平滑直线，测试仪运行较为平稳.

5 结论

本文所设计的便携式岩石力学试验机测试仪，分别测试15组青砂岩、花岗岩、水泥块进行单轴抗压强度、点荷载强度以及结构面摩擦角试验，整个试验过程严格按照ISRM推荐方法、《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)、《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)等规范的要求执行.测试仪经过测试所获取数据通过最小二乘法拟合线性函数，分析得出的岩石力学试验值误差在工程误差范围内，可见通过现场测试不同试件的岩石力学试验能够获得标准尺寸的点荷载强度指标，满足工程实际运用的要求.通过分析岩石试验过程曲线图像表明，测试设备所获得的数据可靠，测试仪运行正常、控制较为准确.从15组试验峰值数据离散分布拟合图可以看出，基本趋于平稳，上下波动小，离散程度低，满足试验要求.