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一种基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811540538.6国省代码:浙江 33
申请(专利权)人:杭州载博电子科技有限公司
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摘要:
本发明公开了一种基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统,其包括压电弯曲元剪切波速传感器(1)、土体抗剪强度检测信号处理电路(2)和串行通讯总线(3),所述的土体抗剪强度检测信号处理电路包括电源(4)、稳压电路(5)、单片机(6)、驱动放大(7)、电荷放大器(8)、电荷放大器(9)、RS485驱动(10),所述的单片机(6)控制驱动放大(7)输出正弦波激励发射压电弯曲元T(11振动,两个接收压电弯曲元R1(12)、接收压电弯曲元R2(13)接受剪切波后分别通过电荷放大器(8)、电荷放大器(9)处理,通过单片机(6)信号采样与特征点软件分析和计算剪切波速后得到土体抗剪强度,并将结果通过串行通讯总线(3)输出。

主权项:
1.一种基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统,其包括压电弯曲元剪切波速传感器(1)、土体抗剪强度检测信号处理电路(2)和串行通讯总线(3),所述的土体抗剪强度检测信号处理电路包括电源(4)、稳压电路(5)、单片机(6)、驱动放大(7)、电荷放大器(8)、电荷放大器(9)、RS485驱动(10),所述的压电弯曲元剪切波速传感器(1)包括发射压电弯曲元T(11)、接收压电弯曲元R1(12)、接收压电弯曲元R2(13)、整体支架(14)、导线槽(15),所述的电源(4)通过稳压电路(5)为整体处理电路供电,所述的单片机(6)通过DAC产生单周期正弦波,并控制驱动放大(7)输出到发射压电弯曲元T(11)发生振动产生剪切波,所述的接收压电弯曲元R1(12)接收到剪切波后通过电荷放大器(8)进行处理,接收压电弯曲元R2(13)接收到剪切波后通过电荷放大器(9)进行处理,所述的单片机(6)的通过ADC对两个接收到的剪切波信号进行采样,通过软件分析特征点和计算剪切波速后得到土体抗剪强度结果,将结果通过RS485驱动(10)到串行通讯总线(3)输出。


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说明书

一种基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统

技术领域

本发明属于土体抗剪强度检测领域,具体涉及基于剪切波速测量的土体抗剪强度
检测系统。

背景技术

土体抗剪强度广泛应用于建筑施工以及滑坡灾害等相关工程力学分析中。在各种
土木施工现场,施工之前都需要对土体稳定性进行严格的计算分析,而土体抗剪强度就是
进行稳定性分析时的重要的参数。若能够准确地测得土体抗剪强度,往往能对工程的进行
提供很大的帮助。另一方面由于我国的地质环境较为复杂,且降雨量集中,造成了滑坡灾害
的频繁发生的现象。滑坡发生的原因主要是土体在发生剪切破坏后形成破坏面,随着破坏
面的逐渐扩大,土体开始发生滑动,最终形成滑坡。因此,无论是对于土木施工还是滑坡灾
害预防,测量土体抗剪强度都具有十分重大的意义。

若要准确把握土木施工的时机和预测滑坡灾害的发生,最有效的方法是对土体抗
剪强度进行原位监测。国内外现有的土体抗剪强度测量方法有很多种,但这些方法目前都
无法实现野外长期原位监测土体抗剪强度的目的。所以当务之急是设计一种能够实现原位
监测土体抗剪强度的方法。

根据土力学中广泛采用的莫尔-库仑强度理论,以及国内外岩土学界的研究结论,
剪切波速是土体动力学的一项重要性质,并且与土体静力学性质密切相关,它直接反映了
剪切模量的大小,而抗剪强度又与剪切模量的大小成正比。剪切波速可以反映土体抗剪强
度,通常在土中波的传播速度与岩土体的种类、结构面、风化程度、应力状态等因素相关。本
发明采用剪切波速来检测土体的抗剪强度。

压电弯曲元是一种典型的机电传感器,利用压电效应能将电信号转化为机械振
动,也能捕获振动并输出电信号。这项无损技术因原理明确、使用简单、价格低廉等特点,已
在全球范围内被广泛用于确定土体的剪切波速。通常在土样的两端分别安装弯曲元,发射
弯曲元通电后发生振动,激发产生剪切波并在土中传播,最后在接收弯曲元处以电信号输
出。发射和接收弯曲元信号之间的时间差即为剪切波的传播时间,据此可以计算相应的剪
切波速。判断剪切波的到达时间从而计算剪切波速是弯曲元试验中的关键问题,剪切波速
可以通过初达波法、互相关法来测试。目前使用最为广泛的是初达波法。但发射弯曲元发出
的信号在传播过程中会因近场作用及边界效应发生畸变,导致接收信号和发射信号差异较
大。同时,接收信号也会随着激发频率的变化而发生改变。初达波法以接收信号的首个偏转
点为剪切波的到达位置,而发射弯曲元在激发剪切波的同时也产生压缩波,由于压缩波在
土体中的传播速度较快,接收信号的前段由于压缩波的影响会发生畸变,产生所谓的近场
效应,很难准确判定剪切波的到达时间。而互相关法需要较为复杂的数据分析处理方法来
分析两个波形的相关性,也不适合在模块化、总线式的现场高速处理电路设计。在上述因素
的综合作用下,受到不同测试仪器和研究者个体差异的影响,目前剪切波速具有较大的主
观性。传统的单发单收的剪切波速压电弯曲元传感器,要求测量电路对信号的同步要求较
高,测试的误差较大。因此,如何减少试验中的主观因素是弯曲元应用中亟待解决的主要问
题。

所以,本发明设计了一种新型的压电弯曲元剪切波速传感器和土体抗剪强度检测
信号处理电路。通过软件分析特征点和计算剪切波速后得到土体抗剪强度结果。

发明内容

本发明的目的:提出了一种基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统,设计的
压电弯曲元剪切波速传感器包括一个发射压电弯曲元和两个压电弯曲元,土体抗剪强度检
测信号处理电路采用单片机控制驱动放大输出单个正弦波到发射压电弯曲元产生剪切波,
两个接收压电弯曲元接收到剪切波后分别经过电荷放大器处理后,通过单片机的ADC进行
采样,通过软件分析特征点和计算剪切波速后得到土体抗剪强度。

所提出的基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统,包括压电弯曲元剪切波速
传感器、土体抗剪强度检测信号处理电路和串行通讯总线,所述的土体抗剪强度检测信号
处理电路包括电源、稳压电路、单片机、驱动放大、电荷放大器、电荷放大器、RS485驱动。

压电弯曲元剪切波速传感器包括发射压电弯曲元T、接收压电弯曲元R1、接收压电
弯曲元R2、整体支架、导线槽,电源通过稳压电路为整体处理电路供电,单片机通过DAC产生
单周期正弦波,并控制驱动放大输出到发射压电弯曲元T发生振动产生剪切波,所述的接收
压电弯曲元R1接收到剪切波后通过电荷放大器进行处理,接收压电弯曲元R2接收到剪切波
后通过电荷放大器进行处理,单片机通过ADC对两个接收到的剪切波信号进行采样,通过软
件分析特征点和计算剪切波速后得到土体抗剪强度结果,将结果通过RS485驱动到串行通
讯总线输出。

采用的发射压电弯曲元T包括压电元件、胶体银涂层、防水环氧树脂、有机玻璃支
托、隔振吸波圈、同轴电缆线,同轴电缆线与压电元件两侧焊接,并涂上具有电绝缘特性的
聚氨酯涂层后并涂上胶体银涂层,最后在弯曲元表面均匀涂防水环氧树脂,并固定在有机
玻璃支托内,发射压电弯曲元T固定在整体支架上的时候需要安装一圈隔振吸波圈,以减少
发振动信号的通过整体支架的干扰。

发射压电弯曲元T、接收压电弯曲元R1、接收压电弯曲元R2采用相同结构,并在同
一直线上采用一定间距安装在整体支架,所有输出通过导线槽引出。

单片机分别选取接收压电弯曲元R1、接收压电弯曲元R2的前四个峰值点中的第
②、③、④个峰值点中的一个作为特征点,或者三个都做为特征点最后通过求平均得到时间
差△t,从而根据已知的传感器距离计算求得剪切波速。单片机可以通过公式计算和实测拟
合推导出土体抗剪强度,并将结果输出到串行通讯总线。

本发明的有益效果:

1.本发明通过两个接收波形的比较信号更容易得到两个接收波形的时间差,可以降低
近场效应的影响,更准确的得到剪切波速。

2.本发明通过单片机的拟合可以精确的得到土体抗剪强度。

3.本发明通过串口总线输出,可以在一定区域内连续测量多个点的剪切波速,增
加土体抗剪强度测量的可靠性。

附图说明

图1为一种基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统示意图;

图2为压电弯曲元剪切波速传感器的剖面示意图;

图3为单个压电弯曲元的安装俯视示意图;

其中:1、压电弯曲元剪切波速传感器;2、土体抗剪强度检测信号处理电路;3、串行通讯
总线;4、电源;5、稳压电路;6、单片机;7、驱动放大;8、电荷放大器;9、电荷放大器;10、RS485
驱动;11、发射压电弯曲元T;12、接收压电弯曲元R1;13、接收压电弯曲元R2;14、整体支架;
15、导线槽;16、压电元件;17、胶体银涂层;18、防水环氧树脂;19、有机玻璃支托;20、隔振吸
波圈;21、同轴电缆线。

具体实施方式

一种基于剪切波速测量的土体抗剪强度检测系统,其包括压电弯曲元剪切波速传
感器(1)、土体抗剪强度检测信号处理电路(2)和串行通讯总线(3)。

如图1所示,土体抗剪强度检测信号处理电路包括电源(4)、稳压电路(5)、单片机
(6)、驱动放大(7)、电荷放大器(8)、电荷放大器(9)、RS485驱动(10),压电弯曲元剪切波速
传感器(1)包括发射压电弯曲元T(11)、接收压电弯曲元R1(12)、接收压电弯曲元R2(13)、整
体支架(14)、导线槽(15)。

工作原理:电源(4)通过稳压电路(5)为整体处理电路供电,单片机(6)通过DAC产
生单周期正弦波,并控制驱动放大(7)输出到发射压电弯曲元T(11)发生振动产生剪切波,
所述的接收压电弯曲元R1(12)接收到剪切波后通过电荷放大器(8)进行处理,接收压电弯
曲元R2(13)接收到剪切波后通过电荷放大器(9)进行处理,所述的单片机(6)的通过ADC对
两个接收到的剪切波信号进行采样,在特征点法中分别选取两个接收信号的前四个峰值点
计算剪切波速,如图1右侧的波形示意图所示,发送波形和接收波形是不同的,而两个接收
波形的形状是类似的,只是幅值随着距离的不同而衰减程度不同。从图中可以看出,第一个
峰值点受到近场效应的影响较大,得出的剪切波速远大于其他峰值点,其他三个峰值点计
算所得剪切波速相差不大。可以选择如图1右侧的波形示意图中第②、③、④的峰值点中的
一个作为特征点,或者三个都做为特征点最后通过求平均得到时间差△t,从而求得剪切波
速。通过软件分析特征点和计算剪切波速后得到土体抗剪强度结果,将结果通过RS485驱动
(10)发送到串行通讯总线(3)输出。

如图2、图3所示,采用的发射压电弯曲元T(11)包括压电元件(16)、胶体银涂层
(17)、防水环氧树脂(18)、有机玻璃支托(19)、隔振吸波圈(20)、同轴电缆线(21)。同轴电缆
线(21)与压电元件(16)两侧焊接,并涂上具有电绝缘特性的聚氨酯涂层后并涂上胶体银涂
层(17),最后在弯曲元表面均匀涂防水环氧树脂(18),并固定在有机玻璃支托(19)内,发射
压电弯曲元T(11)固定在整体支架(14)上的时候需要安装一圈隔振吸波圈(20),以减少发
振动信号的通过整体支架(14)的干扰。发射压电弯曲元T(11)、接收压电弯曲元R1(12)、接
收压电弯曲元R2(13)采用相同结构,并在同一直线上采用一...

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图1
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