土工试验数据采集与数字化处理技术简析

王锦龙，李 浩

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

土工试验数据采集与数字化处理技术简析

王锦龙，李 浩

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

土工试验数据采集与数字化处理技术解决了土工试验过程中的数据自动采集，同时具有数据处理和绘图功能，是土工试验的辅助测试系统，通过这个系统可以实现不同试验项目之间的数据传送，实现试验数据的共享，并且具有丰富的数据管理功能，能够强化土工试验技术管理，提高土工试验成果的质量以及检测工作效率，降低检测人员的劳动强度。

土工试验；数据采集；数字化处理

土工试验数据采集与数字化处理技术是解决不同试验、相关数据之间的传送，实现数据资源共享，且具有丰富的数据管理功能，能够强化土工试验技术管理，提高成果质量和测试工作效率，降低劳动强度的土工试验辅助测试系统。

将该系统应用到土工试验常规力学和物理性试验中，改变目前土工试验过程中人工记录的落后试验手段，确保水利工程试验测试数据快捷、准确，更好地为水利工程建设服务，实现土工试验微机数据采集与处理是大势所趋。

1 土工试验自动化现状及改造方案

1.1 土工试验自动化现状

土工试验室目前有三轴剪力仪3台，三联高压固结仪1台，三联中压固结仪13台。其中三轴剪力仪3台接入TSW-3土工采集系统，剩余固结仪皆为人工读数的试验方法。

1.2 土工试验自动化改造方案

根据试验室内土工试验仪器的分布情况，首先将土工试验微机数据采集与处理技术系统应用在土工试验中的中（高）压固结仪、三轴剪力仪及电子天平等试验项目中，实现这三个试验项目试验过程数据自动化采集。

三联高压固结仪自动化测点个数为4个，检测项目为土样的变形；三联中压固结仪自动化测点个数为5个，检测项目为土样的变形；三轴剪力仪自动化测点个数为51个，其中，可以实现土样的轴向应力及应变检测和孔隙水压力的自动采集。土工试验室自动化改造方案详见图1。

图1 土工试验室自动化改造方案示意图

2 土工采集处理系统的选型与配置

2.1 选型原则

土工采集处理系统要符合以下三个原则：首先要满足中华人民共和国国家标准和行业标准中的需要。其次是设计要合理安全易于操作。最后是经久耐用、仪器设备性能稳定良好。

2.2 系统配置

1）系统构成。土工系统为分布控制式数据采集处理系统，系统上位机是PC机，下位机是采集器；使用RS-485通信接口；12位A/D转换，数字量输出范围0～4095；采集器每个可外接8只传感器。

2）主要配件规格及参数。中（高）压固结仪每台一只（LP-10F）位移传感器；三轴仪每台一只（LP-10F）位移传感器、一只（LP-20F）位移传感器、一只压力传感器；电子天平。

3）上位机软件功能。压缩试验功能：采集参数为土样变形量（位移）；试验方式为标准固结试验及快速法；三轴试验功能：采集参数为轴向变形量（位移）、轴向荷载和孔隙压力；试验方法为不固结不排水剪及固结不排水剪、排水剪。

系统自动化，可减少相对误差，对数据的准确性，稳定性有更好的保证。同时传感器与百分表硬连接的设计使得传感器既可人工读数，亦可自动化读数，提供相互比照。相对于其他将传感器芯贴在百分表内或调频式的产品，使用寿命更高，后期维护成本大大降低。

3 系统软件

土工试验微机数据采集与处理软件主要功能包括：系统设置、试验操作等，软件界面为全窗口模式，易于操作，山东省水利科学研究院中心实验室目前将自动采集系统应用在：固结试验、三轴试验和含水率试验，今后也可以将土工试验微机数据采集与处理软件系统应用在直剪试验、无侧限试验、K0固结试验等试验中。使用该软件使得以上试验的读数、计算、制表、绘图等大量工作完全由计算机完成。

4 数据采集与人工比对试验研究

室内制备试验土样，进行相应固结试验、三轴剪切试验、土样含水量试验，开展人工读数与自动采集数据处理结果的比对试验研究。

4.1 固结试验比对分析

采用45组土样进行固结试验结果比对分析。在试验过程中以人工读数与自动采集数据两种方式对每一组土样的两组试验数据分别进行记录、录入、计算处理，再选取试验数据处理结果对应的两组孔隙比参数进行比对分析，得到孔隙比参数的比对偏差结果。

固结试验自动采集系统实测孔隙比参数与人工比测数据的比对偏差分析表明：

|孔隙比偏差平均值|e=0.0015

|孔隙比相对偏差平均值|e=0.24%

两组对比试验数据偏差较小，偏差范围基本稳定，且无趋势性漂移。满足试验精度要求。

4.2 三轴压缩试验比对分析

采用24个土样进行了8组三轴压缩试验数据的比对分析。在试验过程中以人工读数与自动采集数据两种方式对每一组土样的两组试验数据分别进行记录、录入、计算处理，再选取对应的两组抗剪强度参数进行比对分析，得到抗剪强度参数的比对偏差。

通过三轴压缩试验自动采集系统实测抗剪强度参数与人工比测数据的比对偏差分析表明:

|黏聚力偏差平均值|δc=2.18

|摩擦角偏差平均值|δφ=0.36

|黏聚力相对偏差平均值|δ'c=14.66%

|摩擦角相对偏差平均值|δ'φ=1.78%

两组对比试验抗剪强度摩擦角数值偏差较小，偏差范围基本稳定，且无趋势性漂移。黏聚力比对偏差稍大，经分析由于在人读、机采变形量时存在微小时差，不能完全同步、是导致数值偏差的主要影响因素。比对分析说明自动采集系统满足试验精度要求，并优于人工读数方式。

4.3 电子天平采集与人工读取数据比对分析

通过对80个土样进行的40组含水率试验得到的数据进行比对，人工读取的电子天平读数与机采读数两组数据及其计算结果完全相同，无偏差。机采数据能够消除人工读数及输入时产生的随机误差，从而提高试验结果的数据准确率。

5 结语

1）土工试验系统实现自动化数据采集及处理后，试验精度得到提高，缩小了相对误差，减少了随机误差，对数据的准确性，稳定性有更好的保证。

2）土工试验软件使各种试验的读数、计算、制表、绘图等大量工作完全由计算机完成，提高了土工试验的自动化程度，大大提高了工作效率，同时减轻了试验人员的劳动强度，人工试验成本降低了近1/3。

3）应用这套系统后，提高了土工试验的自动化程度，如若采用自动加载伺服系统，采集加载一体化控制，能够进一步提高试验工作效率。

（责任编辑 迟明春）

TU41

B

1009-6159（2017）-10-0073-02

王锦龙（1981—），男，工程师