基于激光粒度分布仪的土工试验颗粒分析参数控制研究

张建卫

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州450000）

粒径分布及特征是土工环境的代表属性，其颗粒的物理性能不仅对土质力学具有直接联系，同时也影响整体土层的性质[1]。分析颗粒是土工试验中最基本的环节，尽管如此，现下试验中实施中仍存在试验过程与周期长、试验结果重复性差等问题，这些问题出现后，不仅严重影响了试验结果，同时也无法准确地识别或定位土层颗粒分布情况，因此土工试验中相关颗粒分析的环节一直是实验室操作工作者最为关注的问题。基于此，引入激光粒度分布仪，这种设备是一种集合多种现代化计算机技术为一体的高性能产品，设备中使用进口半导体激光芯片作为其关键构件，因此该设备具有综合性能强、使用周期与寿命长等优势。同时其中集成电路使用微晶体设计而成，整体电路的集成度较高，加工工艺较先进。此设备在应用中，将计算机性能应用到光学信息采集工作中，仪器整体操作相对简单，但由于该仪器在测试使用中受到的外界影响因素较多，并且目前行业内尚缺少可参照的依据与标准。为了提高土木试验颗粒分析的标准性，本文基于激光粒度分布仪的应用，开展土工试验颗粒分析参数控制方法的设计与深入研究。

1 基于激光粒度分布仪土工试验颗粒分析参数控制方法

1.1 基于激光粒度分布仪确定试验参数

参数是影响土工试验颗粒分析的重要因素，参数值的变化不仅可以反映试验过程样本的成分，适宜的参数也可提高试验结果的可靠性[2]。为此应严格控制土木试验颗粒分析试验中的相关参数，以此确保试验结果的标准。控制中采用四点取样法获取样本，将样本在纯净烧杯中溶解，提取悬浊液滴入激光粒度分布仪中。手动设定装置内离心泵的旋转转速为1900r/min，再在悬浊液中掺入浓度为3.5%的偏磷酸钠试剂。打开仪器内的超声波分散开关，将样本颗粒缓缓加入样本池中，调整仪器内溶液的遮光率[3]。同步启动测试程序，使用计算机进行粒度直径长度的识别，根据颗粒直径，分析颗粒分析中的参数。确定参数的过程如表1所示。

表1 基于颗粒直径确定试验参数表

根据激光粒度分布仪的测试结果，明确土工试验颗粒分析中的多种参数。在此基础上，不断增加样本悬浊液的浓度，使用仪器检测其中颗粒直径的变化情况。此过程应注意保持配制的悬浊液较均匀[4]。此外，为了确保参数的准确识别，可将相同容量的蒸馏水同样滴入仪器中进行比对分析[5]。通常情况下，由于土工试验颗粒分析中的粉土、粘土等土质的颗粒直径均在激光粒度分布仪的检测范围内，因此可直接将检测后颗粒中的中值粒径作为判定参数的依据，从而掌握试验中待控制的参数类型。

1.2 控制土工颗粒分析试验中离散参数

由于土工试验颗粒分析中，为了确保试验结果的可靠性，可采用调控参数理想值的方式，降低边缘参数对试验过程的影响。控制中，可根据土体的性质，控制离心泵的转速[6]。此过程中根据仪器响应粒径的时间，将循环泵作为参数控制的开关，依照控制中悬浊液浓度的变化，进行土工颗粒分析试验中值参数的控制。上述提出步骤可用如下公式表示：

式中：l——为激光粒度分布仪内悬浊液浓度的变化；

m——为相关参数；

R——为离心泵循环转速，通常情况下为常数；

T——为一个控制周期。

利用上述计算公式，假定在一定时间内仪器检测的浓度不发生变化，此时，便可基于光路一体化理论，进行边缘参数或离散参数控制的计算[7]。计算公式如下：

式中：S——为参数理想控制值；

λ——为悬浊液周期浓度参数；

k——为仪器内分散剂浓度；

n——为控制周期数量，通常为正整数。

根据上述计算公式，结合参数的动态化特性，从而掌握在一个相对理想状态下的参数控制方法。

2 对比实验

提出对比实验，检验本文设计的基于激光粒度分布仪的土工试验颗粒分析参数控制方法的可靠性。实验中模拟土工试验的环境，将仪器终端的计算机设备与通讯网络进行连接。以一个控制周期为实验时长，分别使用本文的控制方法与传统的控制方法进行颗粒直径分析实验中相关参数的控制。同时，使用传感装置进行实验中数据的采集与处理。

按照上文进行的实验准备工作，整理两个实验组别的相关数据，随着时间的推移不断增加颗粒悬浊液浓度，并将其作为绘制实验图的纵坐标，以参数分布对实验结果的影响作为评价方法适用性的依据。如图1所示。

图1 对比实验结果图

如图1所示，随着样本浓度的增加，试验中相关参数变量随之均匀增加，对整体试验结果的影响相对较小，表明此种控制方法较为有效。在传统控制方法中，试验相关参数的分布无规律，且经过一个周期的控制后，效果并不显著，表明此种方法的控制能力较差。为此得出本文对比实验的结论：相比传统的参数控制方法，本文设计的控制方法效果更为显著，可有效地降低试验中参数变化对颗粒分析结果的影响，提升了颗粒分析试验结果的可靠性。

3 结束语

本文使用激光粒度分布仪，开展了土木试验颗粒分析参数控制方法的设计，为了检验方法的有效性，采用设计对比实验的方式，对比本文控制方法与传统控制方法，经实验后发现本文设计的参数控制方法在实际应用中更具备有效性，且实验结果可靠性更强，属于一种相对理想的颗粒分析参数控制方法，可满足土工实验的所有需求，值得后期在实验中广泛推广。