專利名稱：便攜式巖石試驗(yàn)實(shí)時檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于為研究巖石力學(xué)與工程設(shè)計提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的巖石試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
在水工建筑物設(shè)計及工程地質(zhì)評價等工作中需了解現(xiàn)場巖塊和巖體的基本物理力學(xué)性質(zhì)，研究在水工建筑物荷載作用下基巖或圍巖的工程性狀及其破壞機(jī)制。現(xiàn)場對巖體結(jié)構(gòu)面、混凝土與基巖之間的抗剪強(qiáng)度及巖體變形的性質(zhì)的測試是工程設(shè)計的重要內(nèi)容。近年來，檢測手段逐步更新，擺脫了原始的人工測讀、手算的落后方式，將計算機(jī)技術(shù)引入了巖石試驗(yàn)，從而大大提高了檢測精度，減輕了工人勞動強(qiáng)度、提高了工作效率。長江科學(xué)院研制的“巖體剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備”是較有代表性的，并已用于現(xiàn)場的巖石試驗(yàn)。該設(shè)備由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩大部分組成，如

圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集部分是由傳感器、放大器、變送器及采集箱組成?，F(xiàn)場使用由蓄電池供電。數(shù)據(jù)處理部分由CPC－464個人計算機(jī)和一臺CE－515P繪圖打印機(jī)組成，放置在遠(yuǎn)離試驗(yàn)基地，有交流供電的地方。當(dāng)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)束后，將采集到的數(shù)據(jù)通過通訊接口傳送到CPC－464個人計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)計算整理。數(shù)據(jù)處理程序用BASIC語言存貯在盒式磁帶內(nèi)，每次處理數(shù)據(jù)前需裝入CPC－464內(nèi)，數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，由繪圖打印機(jī)繪出有關(guān)試驗(yàn)曲線。
可以看出，上述設(shè)備系統(tǒng)實(shí)際上是一個二級分布式多微機(jī)系統(tǒng)，不能現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時處理數(shù)據(jù)，使用不方便。
本實(shí)用新型的目的是為了更好地滿足現(xiàn)場測試要求，達(dá)到在現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時采集、實(shí)時處理，進(jìn)一步提高工作效率。
為此，本實(shí)用新型設(shè)計出一種便攜式巖石試驗(yàn)實(shí)時檢測議。它由傳感器、檢測儀主機(jī)和打印繪圖機(jī)組成。檢測儀主機(jī)的核心部分是CPU主機(jī)板。它是由8098單片機(jī)及相應(yīng)的接口電路所組成。8098單片機(jī)是美國INTEL公司1988年推出的最新產(chǎn)品，它集A／D轉(zhuǎn)換，高速I／O口，串行通訊口等于一超大規(guī)模集成電路芯片。使得儀器的硬件結(jié)構(gòu)大大簡化。相應(yīng)的接口電路，包括8098單片機(jī)與打印繪圖機(jī)接口；鍵盤顯示板接口以及多通道高速輸入接口。本檢測儀使用的傳感器包括多組位移傳感器和兩組壓力傳感器。多組位移傳感器是通過多通道高速輸入接口與單片機(jī)高速I／O口連接。壓力傳感器直接與單片機(jī)A／D口連接，沒有中間放大及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，連接極簡單方便。該檢測儀可置于測試現(xiàn)場，由便攜式交流發(fā)電機(jī)或直流供電。其傳感器放置在巖體所測部位，采集巖體的由于位移及壓力變化所得到的信號。試驗(yàn)過程參數(shù)及運(yùn)行方式通過顯示器顯示出來，所需的驗(yàn)試數(shù)據(jù)表格及各種試驗(yàn)曲線可隨時由打印繪圖機(jī)打印。程序采用P／LM－96高級語言編寫，載機(jī)試驗(yàn)程序32K(ROM)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)2K(RAM)，表格數(shù)據(jù)2K(E2ROM)，全部程序是模塊化結(jié)構(gòu)，包括初始化模塊，自檢模塊、輸入模塊，試驗(yàn)?zāi)K、打印繪圖模塊。
采用本實(shí)用新型進(jìn)行巖體試驗(yàn)，可使試驗(yàn)人員在試驗(yàn)現(xiàn)場就能準(zhǔn)確而及時掌握試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果，能及時作出分析判斷，大大提高了工效。
附圖筒要說明圖1為已有技術(shù)總體結(jié)構(gòu)示意框圖。
圖2為本實(shí)用新型總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例主機(jī)板配置圖。
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例顯示鍵盤板接線框圖。
圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例箱體前面板配置圖。
圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例箱體后面板配置圖。
圖7為巖石試驗(yàn)流程圖。
本實(shí)用新型的一種最佳實(shí)施例如圖2～7所示，現(xiàn)結(jié)合各附圖詳細(xì)描述如下圖2為實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)框圖。它由數(shù)據(jù)采集部件、數(shù)據(jù)處理部件及數(shù)據(jù)顯示、輸出部件所組成。數(shù)據(jù)采集部件包括位移傳感器和壓力傳感器，其中位移傳感器采用8個BWG系列電感調(diào)頻式位移傳感器，它能把機(jī)械量位移變換成電脈沖信號，無需A／D轉(zhuǎn)換器，直接通過多通道高速輸入接口與數(shù)據(jù)處理部件I／O口連接，壓力傳感器采用2個AKC2－61系列壓力傳感器，它將信號的測量、及放大部件封裝為一體，其輸出端直接與數(shù)據(jù)處理部件的A／D轉(zhuǎn)換通道連接。數(shù)據(jù)處理部件采用美國INTEL公司生產(chǎn)的準(zhǔn)十六位8098單片機(jī)，及專門設(shè)計的接口電路組成的CPU主機(jī)板，數(shù)據(jù)顯示，輸出部件包括顯示鍵盤板及一臺CE－515P繪圖打印機(jī)。它們分別通過接口與主機(jī)板連接。該儀器電源由220V交流變直流5V和12V供電，其中12V為壓力傳感器精密電源，5V為儀器用直流穩(wěn)壓電源。
CPU主機(jī)板詳細(xì)配置如圖3所示，其中虛線框內(nèi)部是8098單片機(jī)，它由寄存器文件，算術(shù)邏輯單元、時鐘、存儲器控制器、A／D轉(zhuǎn)換器、高速輸入輸出口等部件組成。主頻為12MHZ，A／D轉(zhuǎn)換有四路，分辨率為10位，轉(zhuǎn)換時間22μS，快速輸入和快速輸出口各四路，分辨率500KHZ。設(shè)有20個中斷源。虛線框外是專為本實(shí)用新型所設(shè)計的接口電路，包括譯碼器、顯示鍵盤接口8279，打印機(jī)接口8255，74LS373鎖存器，74LS251多路轉(zhuǎn)換器，A／D參考電源等。其中，譯碼電路采用了可編程邏輯器件GAL16V8，它可以通過靈活的編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯組合。顯示鍵盤接口8279是專用于顯示器和鍵盤的可編程I／O器件，其功能有兩個其一，接收來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，其二，管理顯示數(shù)據(jù)。打印機(jī)接口8255是一個可編程的并行I／O接口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與打印機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。它有三個端口，其中A口用作數(shù)據(jù)口，C口為控制口，B口備用。74LS373鎖存器是用來解決多重數(shù)據(jù)總線的分時問題。74LS251多路轉(zhuǎn)換器的作用是將位移傳感器八路信號分時接入8098的高速輸入端口HSI0，HSI10A／D參考電源是單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換器的專用電源。
顯示鍵盤板接線框圖如圖4所示，其中兩個譯碼器是實(shí)現(xiàn)顯示及鍵盤的譯碼，顯示器共18位，2位顯示巖石試驗(yàn)方式，16位顯示傳感器讀數(shù)，以4位為一組，分別顯示垂直壓力，水平壓力，垂直位移，水平位移(位移是四個傳感器的平均值)。鍵盤為4×5陣列，掃描SL0～SL3經(jīng)譯碼后與回送線RL0～RL3一起連至鍵盤?？梢怨ぷ髟谥袛喾绞剑部晒ぷ髟诓樵兎绞?。鍵盤包括0～9數(shù)字鍵，例如編輯EDIT，修改CHK，打印PRI，繪圖PAU等14個功能鍵，數(shù)字0～3與功能鍵共用。顯示鍵盤板上還有加／卸壓顯示、喇叭，分別由8098的快速輸出口HSO0HSO1HSO2控制。
打印繪圖機(jī)選用SHAP－CE515P，8098單片機(jī)通過并行接口芯片8255與打印機(jī)相連，工作方式采用通常的握手方式，當(dāng)數(shù)據(jù)從8255A口送出后，查詢C口的狀態(tài)(C4)，當(dāng)C4有效再送下一數(shù)據(jù)。
本實(shí)施例除傳感器和打印繪圖機(jī)外，其余部件全部放置在儀器箱體內(nèi)。儀器箱體由前面板、后面板、箱體框架組成，前后面板可拆卸。圖5為前面板布置圖，其中1.電源指示燈，當(dāng)儀器運(yùn)行時，該燈亮，表示運(yùn)行狀態(tài)。2.為垂直壓力顯示塊，3.垂直位移顯示塊，4.水平壓力顯示塊，5.水平位移顯示塊，它們分別顯示出壓力(kg／cm2)位移(mm)的數(shù)值，6.工作方式顯示塊，表示儀器處于何種工作狀態(tài)，例如
表示試驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)，
表示巖石垂直方向加第一級壓力。7.加壓指示燈，8.卸壓指示燈，9.時鐘，外接電子表，由充電電池供電，10.4×5鍵盤，11.快、慢速撥動開關(guān)，用于巖石抗剪(斷)試驗(yàn)的測量過程中，由慢速采樣到快速采樣的轉(zhuǎn)換。12.手動采樣鍵，用于試驗(yàn)中某些特殊點(diǎn)需要捕捉而采樣時間還未到，即可按動此鍵，將此時巖石所受的壓力位移值記錄下來。圖6為箱體后面板布置圖，圖中，13.電源開關(guān)，14.電源保險，15.單相交流電源插座，16～19水平位移傳感器插座，20～23.垂直位移傳感器插座，24，25.調(diào)零撥動開關(guān)，26，27.壓力傳感器插座，28，29.調(diào)零多圈電位器，30.打印機(jī)接口，31，32.備用孔，33，34，35.備用插座。
圖7為巖石試驗(yàn)流程框圖，詳細(xì)描述如下首先初始化。將有關(guān)重要的接口芯片如8255，8279，進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入編輯狀態(tài)。EDIT編輯狀態(tài)是試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段，采用人機(jī)對話方式。本儀器有以下幾種編輯方式，如ED4——是傳感器率定表與傳感器物理接口位置的對應(yīng)表。本儀器傳感器接頭為10個，連接過程中可能接錯，這時只要通過按鍵可將表中的編號進(jìn)行修改，即可以對應(yīng)起來。ED5——是K值表。將傳感器的全部率定表存入內(nèi)存，一般來講傳感器的率定曲線是非線性，如果用一個K值反映，就會在整個量程段產(chǎn)生測量誤差。本系統(tǒng)將傳感器的率定值分成若干段，分別用不同的K值來反映，以減小誤差。ED6——拷貝。是將傳感器表拷貝到E2ROM中去，E2ROM是一種可改寫的只讀存貯器，它吸取了RAM可改寫ROM可永久保留的優(yōu)點(diǎn)。為防止數(shù)據(jù)輕易丟掉，拷貝過程是以口令方式進(jìn)行，從鍵盤輸入××××××口令值，數(shù)秒鐘后，即全部拷貝完成。ED7——將E2ROM保存的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，當(dāng)傳感器率定有變化時，此時可修改，再通過ED6拷貝。ED8——修改日期。ED0，ED1——是輸入抗剪(斷)與彈模兩類試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)。它們包括巖石垂直加壓級數(shù)，巖石水平加壓級數(shù)，采樣間隔等參數(shù)，試驗(yàn)前只有將這些參設(shè)定好，儀器才能正常采集數(shù)據(jù)。自檢包括抗剪(斷)自檢彈模自檢，傳感器自檢，顯示燈、喇叭自檢，傳感器定零點(diǎn)。以上均正常后，按退出鍵，進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)。
本流程圖試驗(yàn)是以抗剪斷為例，抗剪斷分為垂直加壓和水平加壓，首先是垂直加壓，由機(jī)器提示發(fā)出“嘀……”信號，同時由顯示器上顯示本級應(yīng)加壓的數(shù)值，級與級之間的時間間隔由鍵盤設(shè)定，當(dāng)判斷加到最大垂直壓力時，自動進(jìn)入判斷巖石垂直位移是否穩(wěn)定，當(dāng)連續(xù)兩次垂直變形之差＜1％mm時認(rèn)為穩(wěn)定，當(dāng)滿足條件進(jìn)入水平逐級加壓，(水平加壓與垂直加壓過程相同，直到剪斷)，當(dāng)加至某一級壓力后，巖石發(fā)生較大位移，則下級加壓減半加法，即按下級壓力的50％加壓，當(dāng)進(jìn)入臨近剪斷時至關(guān)重要！對于巖石剪斷的瞬間變化過程，是工程技術(shù)人員極為關(guān)心的問題，它是所提供的資料中最有價值的部分，為了確保這一過程準(zhǔn)確無誤，不失時機(jī)，本儀器采取了三種方法1.手動2.自動3.自動、手動結(jié)合。1.試驗(yàn)前，由鍵盤輸入β0值，當(dāng)β0＝9999表示手動進(jìn)入快速檢測，試驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，判斷巖石即將剪斷，則將快速撥動開關(guān)撥向快速(在面板上)，儀器即進(jìn)入快速采樣。2.β0≠9999表示自動進(jìn)入快速檢測，判斷 (△τ)/(△u) ＜β0(△τ－壓力，△u－位移)。若滿足條件，則自動進(jìn)入快速。并將快慢速撥動開關(guān)撥向“快速”，表示自動進(jìn)入有效。3.在2的情況下，試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)不應(yīng)進(jìn)入快速過程時，則可以重新將快慢速撥動開關(guān)撥向慢速。表示自動進(jìn)入無效，同時機(jī)器自動高速β0值，使β1＜β0，等待第二次自動進(jìn)入快速……另外，當(dāng)β0≠9999時，若機(jī)器判斷未進(jìn)入快速，而操作人員認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入，則操作方式同1。由于采取了以上三種方法，成功地解決了快速過程的數(shù)據(jù)采集問題?？焖龠^程結(jié)束后，巖石發(fā)生大位移，這時分兩種情況①當(dāng)機(jī)器判斷大位移超過某一數(shù)值(鍵入值)，則按程序設(shè)定值進(jìn)入卸壓段。②人為進(jìn)入卸壓段，即通過手按按鍵發(fā)出卸壓信號，卸壓過程與加壓過程相同。當(dāng)以上步驟完成后，進(jìn)入打印輸出階段，打印輸出包括打印數(shù)據(jù)和繪圖兩項(xiàng)內(nèi)容。打印數(shù)據(jù)包括兩類一是原始數(shù)據(jù)，二是壓縮表格數(shù)據(jù)。繪圖可繪制u(水平變形)～τ(剪切力)關(guān)系圖(包括1～5個巖石試件)，在u～τ關(guān)系圖基礎(chǔ)上回歸出δ(垂直壓力)～τ(剪切力)關(guān)系圖，彈模試驗(yàn)繪制P(壓力)～W0(變形)關(guān)系圖。在試驗(yàn)現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)一組試件中(五個試件為一組)個別試件試驗(yàn)失敗時，則程序上可以采用人機(jī)對話方式選擇1～5個試件中的任一試件繪制圖形。給試驗(yàn)人員提供了方便。
權(quán)利要求1.一種便攜式巖石試驗(yàn)智能檢測儀，由傳感器、檢測儀主機(jī)和打印繪圖機(jī)組成，其特征在于所說的檢測儀主機(jī)核心采用準(zhǔn)十六位單片機(jī)，并且設(shè)計出相應(yīng)的CPU主機(jī)板和鍵盤顯示板。所說的傳感器包括多組位移傳感器及兩組壓力傳感器，所說多路位移傳感器通過多通道高速輸入接口直接與所說的主機(jī)板的高速I/O口連接，所說的壓力傳感器與所說主機(jī)板A/D口連接，所說打印繪圖機(jī)與所說的主機(jī)板的并行I/O口相連接，該檢測儀由便攜式交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成直流供電。
2.如權(quán)利要求1所述檢測儀，其特征在于所說位移傳感器采用8個BWG系列的電感調(diào)頻式位移傳感器，所說壓力傳感器采用2個將信號的測量、轉(zhuǎn)換及放大器部件封裝為一體的AKC2－61系列壓力傳感器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的檢測儀，其特征在于所說的CPU主機(jī)板采用8098單片機(jī)，包括寄存器元件，算術(shù)邏輯單元，時鐘，存儲器控制器，A／D轉(zhuǎn)換器，高速輸入輸出等部件。所說的接口電路由譯碼器，顯示鍵盤接口8279，打印機(jī)接口8255，74LS373鎖存器，74LS251多路轉(zhuǎn)換器，A／D參考電源等組成。
專利摘要一種便攜式巖石試驗(yàn)實(shí)時檢測儀，屬于巖石試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型由傳感器、準(zhǔn)十六位單片機(jī)及相應(yīng)的接口電路構(gòu)成的CPU主機(jī)板，顯示鍵盤板以及打印繪圖機(jī)組成。可對巖石試驗(yàn)的“巖體變形”和“巖體強(qiáng)度”兩類試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場測試，并能立即顯示數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)、繪制圖形。該儀器體積小、重量輕、造價低，抗干擾性能強(qiáng)，特別適合水利水電工程的現(xiàn)場使用。
文檔編號G01N27/00GK2075782SQ9022114
公開日1991年4月24日 申請日期1990年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月30日
發(fā)明者霍秀英, 何德芬, 眭哲, 謝克 申請人:清華大學(xué), 廣西壯族自治區(qū)電力工業(yè)局勘測設(shè)計院