环剪仪测控系统设计与实现

2013-09-04张瑞鹏段清明

实验室研究与探索 2013年6期

万琦，张瑞鹏，段清明

(吉林大学 a.仪器科学与电气工程学院;b.实验室与设备管理处，吉林长春130026)

0 引言

大型高速环剪仪主要用于岩土力学参数测定，研究地质灾害滑坡、泥石流等形成和运动机制及其防治。研究土在大剪切位移条件下力学特性，对于边坡稳定性分析、地质灾害发生的力学机理研究及其边坡渐进式破坏过程研究等具有重要的学术意义。作为一种主要用于研究土在大剪切位移条件下力学特性的土工试验设备，环剪仪具有其独特的设计构造和试验功能［1］。随着土工试验设备加工技术的进步，环剪仪的制造趋于大型化和高度自动化。由于在仪器的开发过程中大量采用了高精度传感器和自动机械控制装置，因此现代环剪仪能够进行模拟更加复杂应力条件下的土工试验，并能够保证试验结果的准确性［2］。目前，由日本京都大学防灾研究所研制的大型高速高压动荷载环剪仪可以进行应力控制、位移控制、剪切速度控制等各种条件下的环剪试验［3］。但是随着现代环剪仪试验系统日益复杂化和精密化，环剪仪的制造成本和维护成本逐渐增加，所以在现有仪器基础上进行低成本系统替换具有重要经济价值。吉林大学现有的大型高速环剪仪的测量系统及控制系统依旧采用DOS磁盘操作系统，这对于数据采集的控制、数据结果的显示极为不便。本文设计与实现了在Windows视窗操作系统下的环剪仪测控系统，通过对控制系统、采集系统及上位机控制显示系统三方面的设计，实现环剪仪的控制、数据采集及数据实时显示。应用Windows系统下的环剪仪测控系统来替换现有环剪仪DOS系统中的测量系统及控制系统具有重要经济与实用价值。

1 系统结构

环剪仪测控系统主要包括控制系统设计、采集系统［4］设计及上位机控制显示系统设计。即替换了原来的控制输出部分、采集部分、数据传输部分和上位机记录部分。测控系统结构图见图1。

图1 测控系统结构图

2 系统设计

2.1 控制系统设计

环剪仪的控制量为模拟电压量［5］。上位机设定的电压确定值经过串口输送到电压控制单片机中，单片机将数据输送到4路DA中，实现模拟电压信号［6］输出，以控制环剪仪工作。

设计采用16位数模转换芯片，其输出电压值为

式中，D2N代表输入值(0～65 535)。当UREF=5 V、R1=R2=10 kΩ时，其输出电压－5～+5 V。当输入16进制值为0000时相当于输出值的－5 V;当输入16进制值为FFFF时相当于输出值的+5 V，其输出电压公式可简化为

2.2 采集系统设计

由于外电路输入的电压是传感器实际采集数据的电压信号，所以采集时应经过电压跟随器使电压能够稳定的输入到后续电路中。实际信号幅值可能比较大，超出AD转换范围［7］，在输入端加上了幅值衰减器，如果输入信号在－10～+10 V，选择应用衰减电路;信号在－5～+5 V，可直接连接电压跟随器。在多路被测信号共用一路AD转换器的数据采集系统中，通常用模拟开关将多路被测信号分时送到AD转换器进行转换。

环剪仪共有6个传感器采集不同数据需要储存并显示。实际工作时多个传感器输出信号通过模拟开关，使得信号依次循环输送到AD中，双通道AD采集芯片进行分时工作，将数字信号传输到数据采集单片机［8］中，单片机应用串口将数据上传到上位机中。采集系统［9］结构如图2所示。

图2 采集系统结构

2.3 上位机控制显示系统设计

上位机控制显示系统包括控制电压输出部分和数据存储成图［10］部分。控制部分能够确定电压控制量值大小;采集部分存储并成图显示接收到的每路采集数据，可以清晰判断参数变化趋势。

上位机程序在LabVIEW环境［11］中开发，由于使用串口通信，所以要设定通讯口、是否有校验位、波特率以及数据位数参量。

3 整体测试

输出电压信号的值可达到－5～+5 V、－10～+10 V。由于在DA芯片的输出端加了放大器使DA输出的信号由原来的+5 V变为现在的双极性±5 V范围。输出的模拟电压信号［12］可用示波器显示。这样的转换范围可以满足环剪仪对控制信号的需要。上位机控制部分界面见图3，此时输出波形见图4。

图3 上位机控制界面

图4 输出波形显示

模拟6路采集信号输入系统［13］，将同一路信号的各个值绘制成此路信号的波形图［14］，表示信号的变化趋势。上位机数据采集显示界面见图5。左下部分的框图是6路信号值显示，其值将存储到计算机中。右下部分图形是6路信号的波形显示，每路信号［15］采用不同颜色的波形表示。AD可转换的信号电压范围选－5～+5 V、－10～+10 V，这可以满足环剪仪传感器的采集需求。AD采集数据有4位精度，精确到mV数量级，可以满足实际要求。