基于虚拟仪器的压电弯曲元测试系统研制*

2010-12-07汪孔政

传感器与微系统 2010年9期

汪孔政

(浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室岩土工程研究所，浙江杭州310058)

0 引言

土体的剪切波速是一个很重要的土动力学参数，在场地地震反应分析、液化判断、地基改良效果检验等方面都得到应用［1，2］。测定土体剪切波速的方法有多种，其中，弯曲元剪切波速测试技术由于原理明确，操作便捷，目前在测试各类土体的剪切波速中得到了广泛的应用［3，4］。但现有的弯曲元剪切波速测试系统通常由数字仪表组成，数据记录方法比较落后，剪切波传播时间依靠人工对激发和接收信号波形进行比较来判别，有时会存在一定的主观性。本文设计了一种基于虚拟仪器的弯曲元剪切波速测试系统，采用计算机进行测试数据的采集、分析、显示和记录，因而，有效解决了传统的弯曲元剪切波速测试中存在的上述问题，并降低了系统构建成本，提高了系统的测试效率。

1 弯曲元剪切波速测试原理

弯曲元是一种典型的机—电传感器，它由2片压电陶瓷晶体胶粘在一起而构成，在晶片的两面都敷有金属电极，能通过压电效应实现机械能与电能之间的转换，在外电场作用下会发生横向弯曲变形，在外力作用下发生横向弯曲变形时可以产生电荷。传感器的工作原理如图1。

图1 弯曲元传感器的工作原理Fig 1 Working principle of bender elements

在用于土体的剪切波速测试时，根据所起作用可将弯曲元分为激发元和接收元2种。激发元在脉冲电压作用下产生振动，在土体内激发剪切波，该剪切波经土体传播后到达接收元，使之振动而产生电信号，将激发信号与接收信号进行比较，测出它们间的时间延迟即为剪切波的传播时间t，再结合剪切波的传播距离L即可算得土体的剪切波速vs，即

2 系统硬件设计

弯曲元波速测试时采用的激发信号频率一般为0.2～20 kHz，这段频率正好处于音频范围内，因此，可以利用计算机声卡来实现测试信号的发生和数据采集。目前的计算机一般都集成有一块HD声卡，它最高支持192kHz的D/A采样频率和96 kHz的A/D采样频率，采样精度为24bit，性能完全能够满足弯曲元剪切波速测试的要求。

由于计算机声卡的输出信号电平较低，必须经过功率放大器放大后才能驱动激发元产生合适的弯曲变形;测试中接收元获得的微弱接收信号，也必须经过电荷放大器放大后，才能输入计算机声卡的输入接口进行数据采集。因此，所设计的弯曲元剪切波速测试系统由弯曲元传感器，功率放大器，电荷放大器，分压电路以及便携式计算机组成，各部件的电路连接如图2所示。

图2 弯曲元测试系统构成Fig 2 Construction of bender element measurement system

测试时，激发信号由计算机的Speaker Out端口输出，该信号经过放大器放大后分成两路，一路用来驱动激发元在土体中产生剪切波，另一路经分压电路分压后连接到计算机的Line in接口的左声道进行采集，接收元获得的接收信号经电荷放大器放大后输入到计算机的Line in接口的右声道进行采集。通过确定两路接收信号的时间延迟和传播距离，便可利用式(1)得到剪切波在土体中的传播速度。

所设计的功率放大器和电荷放大器的电路原理如图3所示，功率放大器采用集成电路LM1875制作，放大倍数根据测试需要设计为20倍，电荷放大器由TL082集成电路和外围元件组成，电荷放大器的放大倍数由反馈电容器的容量确定，在测试时可以根据接收信号强弱选择合适容量的反馈电容器，以获得最佳测试精度。

3 测试软件设计

本系统测试软件选用LabVIEW 8.5虚拟仪器平台进行开发。软件设计时应用了结构化模块化的设计思想［5］。软件主要由4个模块组成:1)信号发生器模块:用于控制计算机声卡输出指定频率、类型和周期数的激发信号，本系统的可用频率范围为20～20000Hz，激发信号通常采用单周期的正弦波或方波信号;2)信号采集模块:用于控制计算机声卡实现同步双通道数据采集，本系统的采样频率设定为96 kHz;3)信号处理模块:对接收信号进行滤波与实时分析计算;4)波形显示和存储模块:将激发与接收信号波形在屏幕上显示出来并存储到计算机硬盘中。

在针对土体的剪切波速测试中，由于土体的衰减作用和其他因素的干扰，获得的剪切波接收信号起跳点有时不是很清晰，直接根据波形判断剪切波传播时间会存在一定的误差，因此，软件设计中加入了实时计算激发信号与接收信号互相关函数值的功能，互相关函数值由公式(2)计算得到［6］

图3 功率放大器与电荷放大器电路原理图Fig 3 Circuit principle diagram of power amplifier and charge amplifier

测试时计算机将采集到的波形图形和计算得到的互相关函数值图形显示在同一个屏幕界面上，可以根据实际情况选择采用直接比较波形或者根据互相关函数值对剪切波传播时间进行判别，因而有利于提高系统的测试精度。

4 实验测试

图4为测试系统在对砂土进行剪切波速测试时获得的特性曲线，图4(a)为激发信号与接收信号的波形，测试中激发信号采用标准的单周期正弦信号，接收信号相对激发信号有一定的时间延迟，其波形特征为幅度由强到弱衰减的多周期信号;图4(b)为激发信号与接收信号的互相关函数曲线。当根据波形判别剪切波传播时间时，取激发信号与接收信号的起跳点对应的时间之差作为剪切波传播时间;当根据互相关函数值判别剪切波传播时间时，取互相关函数值图形上的峰值对应的时刻作为剪切波传播时间。

图4 弯曲元测试得到的波形与互相关函数曲线Fig 4 Curve of signal waveform and cross-correlation function obtained by bender element test

本次测试时激发元与接收元间距为20 cm，从图4中可以读出，当采用波形进行判别时，剪切波传播时间为1.5260 ms，当采用互相关函数值判别时，剪切波传播时间为1.556 7 ms。两者对应的波速分别为131.06 m/s和128.48 m/s，相差约1.6%。产生这种差异的原因一般是由于接收信号波形的起跳点不是很明显，测试中游标不能精确对准起跳点，引起判断误差，在这种情况下，采用激发信号与接收信号的互相关函数值进行剪切波传播时间判别可以避免这一问题，其测试结果要更客观一些。