計算機在線測試系統(tǒng)及其在巖石強度試驗中的應用

姚 宇,宋戰(zhàn)平,郭芳瑞

(1.西安建筑科技大學信息與控制工程學院,陜西 西安710055;2.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安710055)

0 引 言

測試問題廣泛存在于各行各業(yè),存在于生產、生活等領域。隨著生產力水平與人類生活水平的不斷提高,對測試問題提出了越來越高的要求。除了要求準確、迅速、可靠地完成測試任務外,還要求能實現(xiàn)自動與智能化的測試。測試技術的廣泛應用,使得測試自動化的應用領域也已由以前的“自動化孤島”向各個領域中擴展。隨著計算機技術的發(fā)展和普及,在生產過程控制和科學研究等廣泛的領域中,計算機測試技術正發(fā)揮著越來越重要的作用[1～3]。

與以往試驗中手工測試的慢速度,低效率相比較,利用計算機在線測試更加方便、快捷、準確。不僅可以自動完成測試用例執(zhí)行結果的判斷,從而避免人工比對存在的疏漏問題,而且若設計良好的自動化測試系統(tǒng),在某些情況下可以實現(xiàn)“夜間測試”和“無人測試”。同時,還可以高效地完成一些重復性測試,降低了人為因素對測試過程的干擾,排除了測試的隨機性和盲目性,可降低冗余,減少遺漏等。

為了改善生產過程和試驗中人工測試所存在的缺點,利用計算機在線測試技術,研制開發(fā)了計算機動態(tài)測試系統(tǒng)。這套輔助測試系統(tǒng)可以在試驗過程中將試驗數(shù)據(jù)直接輸入到計算機中,在需要的情況下,每秒可采集并輸入數(shù)千至數(shù)萬個數(shù)據(jù)。采用這套測試系統(tǒng)可以實時跟蹤生產過程的變化情況,并可避免人工讀數(shù)時可能出現(xiàn)的錯誤。試驗結束后,又可以用計算機整理試驗數(shù)據(jù),快速繪制有關圖形文件等,十分方便。

1 在線動態(tài)測試系統(tǒng)原理及硬件構成

1.1 測試基本原理

在一個自動化測試系統(tǒng)中,各個組成部分常常以信息流的過程來劃分,一般可分為:信息的獲得、信息的轉換、信息的顯示以及信息的處理四部分。因此,進行非電量測試時,首先要獲得被測量的信息,接著將其變換成電量,然后通過信息的轉換,把獲得的信息變換、放大,再用指示儀或記錄儀將信息顯示出來,有時還需要將信息加以處理。具體來說,非電量測試系統(tǒng)一般包括傳感器(信息的獲得)、測量電路、放大器(信息的轉換)、指示儀、記錄儀(信息的顯示)等幾部分,有時還有數(shù)據(jù)處理儀(信息的處理)。非電量測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)如圖1所示。

圖1 非電量測試系統(tǒng)的組成

1.2 測試系統(tǒng)硬件構成

在一般工程實際中,測量的主要參數(shù)均為非電量。由于此類參數(shù)的測試較為復雜,所以在設計測試系統(tǒng)硬件框圖時,需要考慮眾多因素。計算機在線動態(tài)測試系統(tǒng)硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 計算機在線動態(tài)測試系統(tǒng)硬件組成框圖

被測對象,即非電的物理量參數(shù)通過傳感器,將其轉換成模擬電量。傳感器根據(jù)所測參數(shù)不同選取不同的類型。然后這些多路模擬輸入信號經多路采樣開關依次接通并順序輸入,再經采樣/保持器(S/H)采樣并保持,使輸入到A/D轉換器的模擬量在保持時間內保持恒定,以保證A/D轉換的準確性[4,5]。A/D轉換器轉換后的數(shù)字量經接口插槽送入微型計算機,以便CPU對采樣的數(shù)據(jù)進行處理。

本文巖土工程強度—變形性質測試系統(tǒng)中,測量巖石材料隨應力增加時的橫縱變形是采用紙基電阻絲應變片,應變片貼在試件中部,每個試件各貼縱橫方向相對應的兩片,用半橋的方法測出試件的變形。利用電阻應變片敏感的物理效應,將待測試件應變量轉換成電阻值。由于一般應變在10-3～10-6范圍內,而常規(guī)電阻應變片的靈敏系數(shù)值很小,所以對應其電阻變化范圍很小,約10-1～10-4Ω。要精確的測量出這些微小的電阻變化,本系統(tǒng)采用動態(tài)電阻應變儀YD-15型,共有4通道,各通道相互獨立,且能滿足上述測量要求。實際測量中,有3個通道用于應變測量,分別測定橫向應變和縱向應變,具體可視自身需要而定,另一個通道用于荷載測量。

2 軟件組成及功能

2.1 軟件組成

本測試系統(tǒng)軟件有兩部分組成。第一部分是系統(tǒng)接口程序,第二部分是數(shù)據(jù)處理程序。其中接口程序由匯編語言編寫而成源程序,經編譯連接后形成可執(zhí)行文件,在MSDOS狀態(tài)下運行。接口程序的主要功能是導通計算機與A/D轉換器,并啟動A/D轉換,最終把轉換結果輸出到磁盤上。數(shù)據(jù)處理程序包含兩部分,一是數(shù)據(jù)轉換程序,其主要是把由采集程序采集到的二進制文件轉換為具有一定格式的十進制文件。通過該程序可得到其它應用軟件處理所要的順序文件,并可根據(jù)整個系統(tǒng)標定結果對數(shù)據(jù)進行相應的修正,還可作一些簡單的計算。第二部分是應用軟件VBA語言結合EXCEL宏語言編制的數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件,以便繪制試驗曲線,并根據(jù)需要計算出一些必要的參數(shù)。

2.2 軟件功能

在軟件設計中,以DOS作為運行平臺。根據(jù)試驗需要由采樣值和鍵盤中斷同時作用進入待命狀態(tài),以便根據(jù)不同的實驗要求,進行下一階段的試驗,或結束采樣子程序,退回DOS狀態(tài)。退出采樣子程序時,系統(tǒng)可按需要由鍵盤鍵入文件路徑及文件名用于采樣數(shù)據(jù)自動存盤(隨機二進制數(shù)據(jù)文件)。

同時,本程序可視實際情況通過菜單形式選擇來實現(xiàn)對同一被測對象在相同的試驗條件下按不同的采樣速率來采集數(shù)據(jù),以便獲得更多有用信息。若按照最高采用速度采樣,可在每秒采入多達50 K的數(shù)據(jù)。

對于數(shù)據(jù)的后處理和繪圖,是通過VBA語言結合EXCEL宏語言編制的數(shù)據(jù)處理繪圖軟件來完成的。經過后處理,可在屏幕終端顯示被測對象的相關參數(shù)。

3 測試系統(tǒng)的應用實例

巖石力學或巖土工程最基本的問題是獲得所研究巖石(體)必要的物理力學參數(shù)(其中包括變形參數(shù)和強度參數(shù)等),這就要借助于測試技術來完成。通過測試,人們可以對巖石物理力學性質獲得數(shù)量上的概念,從而總結出一般規(guī)律,服務于工程實際[6,7]。

本試驗中,利用這套計算機在線動態(tài)測試系統(tǒng),對松樹腳錫礦蘆塘壩礦段10-6礦體5號實驗采場的礦巖進行了一系列試驗,并對試驗結果進行了分析研究。

采用巖石切片機切割巖樣,然后用磨石機研磨,以使加工出的試樣有足夠的平整度,并達到有關規(guī)范對加工精度的要求。單軸抗壓強度的測定采用5 cm×5 cm×10 cm方柱形試樣進行。將試樣置于最大出力為1 000 kN或2 000 kN的材料壓力試驗機上,按0.5 MPa/s～0.8 MPa/s的速度加載,直至試樣破壞。在測定抗壓強度的巖石試樣中部也粘貼電阻應變片,在對試件加載、讀取荷載值的同時,用電阻應變儀讀取試樣的變形值,以計算彈性模量、泊松比并繪制變形曲線。每塊試樣上通常粘貼4～6片電阻應變片,其中2片測量沿加載方向的縱向應變,2～4片測量垂直于加載方向的橫向應變。同時進行巖石的聲發(fā)射試驗,測定聲發(fā)射同應力之間的關系[8]。

根據(jù)水電巖石力學試驗規(guī)范,巖石試驗加載速率為0.1 MPa/s～0.5 MPa/s。如人工讀數(shù),則10 s左右讀取一組數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)測試連貫性差,因此,對于聲發(fā)射試驗,人工讀數(shù)僅僅可得到3～5組數(shù)據(jù)。利用計算機在線動態(tài)測試系統(tǒng),在室內對云錫松礦采場的礦巖進行了一系列試驗。圖3給出了測試系統(tǒng)測試的云錫松礦采場灰?guī)r試驗應力、聲發(fā)射和時間的關系圖。

圖3 應力、聲發(fā)射和時間關系

由圖可見,采用此計算機動態(tài)測試系統(tǒng),測試頻率大(每秒可記錄30條數(shù)據(jù)),因此,測試數(shù)據(jù)完整反映了巖石破壞過程中的應力變化,得出了強度試驗的后半段曲線。

4 結 論

采用傳統(tǒng)方式進行測試試驗時,耗時、耗力、測量精度低,尤其在對多點、多變量及參量變化曲線拐點處,人工測量誤差較大。將微機引入試驗,借助于高速A/D芯片研制的計算機在線動態(tài)測試系統(tǒng),將非模擬量轉化為數(shù)字量輸入計算機,由計算機對數(shù)據(jù)進行處理,并繪制曲線,這就避免了參量變化曲線拐點處測量精度低的現(xiàn)象。這樣,可做到計算速度快、采點多,并能改變采點速率,使微機模擬的曲線更能反映被測對象的特性。本系統(tǒng)已在巖石材料試驗中得以應用,還可以將其應用于其它場合。

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