0  引    言

固結儀是測量土的壓縮性實驗儀器設備,廣泛應用于工程建筑、工程勘察領域。主要用于測定土試樣的軸向變形與壓力的關系和變形與時間的關系,計算土壤的單位沉降量、壓縮系數(shù)、壓縮模量及固結系數(shù)、先期固結壓力、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)等壓縮性指標,用于計算建筑物的沉降,為工程建筑設計與施工提供科學依據(jù)^[1]。

目前土工試驗室普遍使用的傳統(tǒng)固結儀如圖1所示。無論氣壓固結儀還是杠桿固結儀，土樣變形的自動數(shù)據(jù)采集主要采用經改造的百分表或數(shù)字式千分表作為位移計，一般試驗室固結儀數(shù)量比較多，每聯(lián)固結儀都要單獨接線至數(shù)據(jù)采集器，多個采集器之間也要接線再經傳輸接口將各個位移計采集的數(shù)據(jù)通過通訊總線統(tǒng)一傳送至計算機軟件進行采集存儲處理。在試驗過程中，位移計上下移動時連線隨著位移計一起運動來回拉扯，會影響位移計數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。氣壓控制器也同時連接在通訊總線上，整個系統(tǒng)連線繁多、拆裝復雜，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)串擾、通訊不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)更新不及時等多種問題。

 

圖1 傳統(tǒng)固結儀連線圖

Fig. 1 Traditional oedometer

1  無線通訊技術簡介

隨著現(xiàn)代化生活的不斷進步，無線通訊技術已經得到了相當廣泛的應用，成為了現(xiàn)代生活當中必不可少的溝通媒介，在無線技術當中，可以利用無線網(wǎng)進行無線信號的覆蓋，從而使得人們可以利用各種終端設備來使用無線網(wǎng)絡，最大限度的滿足人們對于無線信息傳遞的需求。尤其是在這幾年經濟發(fā)展和社會進步得到飛速增長的今天，無論是工業(yè)領域還是民用消費品領域，無線技術得到了相當快速的發(fā)展，低成本低功耗小型化等優(yōu)點使得無線技術在各行各業(yè)都有了廣泛應用。

無線通訊種類很多，既有衛(wèi)星通訊、短波通訊、CDMA、LTE等遠距離無線通訊技術，也有WLAN、藍牙、ZigBee、紅外線等近距離無線通訊技術。各種技術互有優(yōu)劣，各有合適的應用場景^[2]。

為了解決傳統(tǒng)固結儀中存在的種種問題，本文將無線通訊技術引入固結儀的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，全面改進傳統(tǒng)百分表和氣壓控制器。對比試驗結果表明，改進后的固結儀的精度穩(wěn)定性超越同類傳統(tǒng)固結儀。

2  無線傳輸位移計的研發(fā)

針對固結儀數(shù)據(jù)采集的實際應用需求，我們采用近距離無線通訊技術，使用專用RF芯片工作于ISM頻段2.4GHz，與藍牙、ZigBee等技術相比在功耗、速率、通訊距離上有明顯優(yōu)勢。作為單芯片模塊，其內部集成高頻發(fā)射/接收模塊，最高可設置為+1dBm的發(fā)射功率，支持500kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持多種調制模式(OOK、GFSK、2-FSK和MSK)，提供對同步字檢測、地址校驗、靈活的數(shù)據(jù)包長度以及自動CRC處理的支持，支持RSSI(接收信號強度指示)和LQI(鏈路質量指示)，通過4線SPI接口與MCU連接，同時提供2個可設定功能的通用數(shù)字輸出引腳，獨立的64字節(jié)RXFIFO和TX FIFO，工作電壓范圍：1.8V～3.6V，待機模式下電流僅為400nA。

傳統(tǒng)位移計由數(shù)據(jù)采集器進行供電，電源線和通訊線一起連接在位移計上，采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術后，每個位移計不再需要連接通訊線，若不改變供電方式，電源線還是無法取消。因此在無線芯片功耗極低的技術基礎上，我們改用電池供電，徹底取消連線，只是增加后蓋厚度后將無線芯片、MCU和電池集中整合在百分表后蓋，使得無線百分表成為完全獨立的產品，易安裝易更換，便攜易用。在每秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)的條件下，單顆電池供電可使用三年。由于沒有連線拉拽，試驗過程中位移計完全穩(wěn)定，只反映土樣變形，所測數(shù)據(jù)真實可靠。在傳輸上各位移計完全獨立，互相沒有干擾。在電腦端只需一個無線收發(fā)器就可以接收所有位移計的數(shù)據(jù)，與目前常規(guī)儀器每八個位移計需要一個數(shù)據(jù)采集器相比，整個系統(tǒng)大大簡化。

由于目前常規(guī)有線系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)采集器都連接在同一根數(shù)據(jù)總線上，主機對采集器的訪問只能采用主從式，即主機輪詢各個采集器，相應采集器依次應答。隨著固結儀數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)采集器也相應增加，輪詢時間就會變長，可能影響數(shù)據(jù)實時性。改為無線通訊后，所有位移計改為主動發(fā)送模式，電腦端收發(fā)器平時只接收位移計和氣壓控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，只有在需要給控制器發(fā)送命令改變參數(shù)時才短時進入發(fā)送模式。這樣數(shù)據(jù)采樣周期只取決于位移計端的發(fā)送周期，可以保證數(shù)據(jù)實時性。

百分表分辨率是0.01mm，經過改造使用高精度采集部件，所得數(shù)據(jù)分辨率可提高一個數(shù)量級至0.001mm。對于含水率低整體壓縮變形較小的硬土，提高分辨率可顯著改善變形隨時間變化采樣精度和曲線顯示圓滑度，更有利于求得準確的固結系數(shù)。經改進后的無線百分表實物如圖2所示。接收端無線收發(fā)器實物如圖3所示。

 

圖2 無線百分表實物圖

Fig. 2 Wireless dial indicator

 

圖3 無線收發(fā)器實物圖

Fig. 3 Wireless transceiver

技術指標：

量程：0-10mm；

精度：0.2%FS；

分辨率：0.001mm

無線發(fā)送周期： 1Hz（每秒1次）；

傳輸距離：50m（視距）

傳輸速率：250kbps；

頻率波段：2.4GHz-2.483GHz；

待機電流：<6uA；

發(fā)射功率: >1dbm；

電源：DC3.6V電池供電

技術特點：

（1）整合度高：在現(xiàn)有通用成量百分表基礎上，將供電、數(shù)據(jù)采集、無線傳輸整合為一體，保留原百分表指針讀數(shù)，不改變原有百分表結構功能的條件下略微增加厚度即實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)乃泄δ?，整合度極高，可代替現(xiàn)行常規(guī)試驗系統(tǒng)中的采集器、電源線、通訊線等，無需連線，便于原位測試。

（2）功耗極低：由于采用極低功耗無線收發(fā)芯片和數(shù)據(jù)采集芯片，使得整個系統(tǒng)功耗極低，單顆電池使用壽命三年以上。

精度高：采用專用采集芯片，14位AD采集（分辨率16384碼），對于量程12mm以內的百分表分辨率可達0.001mm。

（3）傳輸速率高，系統(tǒng)容量大：無線傳輸速率達250kbps，在穩(wěn)定可靠的基礎上相較于傳統(tǒng)串口通訊9.6kbps有極大提升， 一個接收器可同時接收250以上通道數(shù)據(jù)（滿足每秒數(shù)據(jù)更新1次）。

（4）兼容性強：可兼容其他類型傳感器、儀器，所有類型儀器的控制、數(shù)據(jù)采集都可通過無線發(fā)送，只需一個接收終端。

（5）抗干擾能力強：相比傳統(tǒng)有線RS485傳輸，通訊抗干擾能力強，各通道相互間AD轉換完全獨立，不存在串擾現(xiàn)象^[3]。

3 氣壓控制器的改進

常規(guī)氣壓固結儀的氣壓控制器也是通過通訊線和電腦主機連接，由主機發(fā)送命令至控制器，然后輸出相應氣壓控制各級固結壓力。和改造位移計類似，將無線通訊技術加入氣壓控制器后，可省去與主機端連接線，簡化系統(tǒng)。

目前常規(guī)氣壓控制器只是執(zhí)行命令輸出氣壓，而不檢測氣源氣壓。若氣源異常氣壓低于輸出所需氣壓，閥門將頻繁開關嚴重影響使用壽命。我們在控制器中加入檢測氣源氣壓單元，可實時判斷氣壓是否滿足需求，若不滿足可向主機發(fā)送異常報警同時調低輸出氣壓保護閥門。

目前大多數(shù)氣壓固結儀氣源普遍采用空壓機，市場上最常見的傳統(tǒng)空壓機啟?？刂贫际遣捎眉儥C械方式，安全系數(shù)低，精度低，無法調節(jié)氣壓范圍，特別是低壓啟動值經常無法滿足氣壓固結儀等試驗要求。另外常規(guī)氣壓控制器只是執(zhí)行命令輸出氣壓，而不檢測氣源氣壓。若氣源異常氣壓低于輸出所需氣壓，閥門將頻繁開關嚴重影響使用壽命。因此從安全保護角度和試驗實際需求出發(fā)，我們在控制器中加入氣源氣壓檢測控制單元，對空壓機進行數(shù)字化控制，可按需求對空壓機進行啟?？刂疲ＷC氣源氣壓高于輸出氣壓，若出現(xiàn)異常氣源氣壓不滿足試驗需求可向主機發(fā)送異常報警同時調低輸出氣壓保護閥門，大大提高設備安全性和實用性。

根據(jù)試驗需求，氣壓控制器分為中低壓和高壓兩種。針對30cm²標準土樣，配合相應容器，中低壓控制器可進行0-1600kPa固結試驗，高壓控制器可進行0-3200kPa固結試驗^[4]。

改進后的無線固結儀如圖4所示。

 

 

圖4 無線固結儀實物圖

Fig. 4 Wireless oedometer

按照2019最新版標準《土工試驗方法》^[5]用改進后的固結試驗系統(tǒng)進行多組試驗，經驗證各項指標均達到設計參數(shù)，完全滿足試驗要求。以下表1為高壓固結試驗樣例結果。

表1 高壓固結試驗結果

Table 1 Result of high pressure oedometer test

荷重	穩(wěn)定讀數(shù)	孔隙比	壓縮系數(shù)	壓縮模量
50	1.464	0.867	0.4	4.692
100	1.626	0.85	0.34	5.491
200	1.852	0.828	0.22	8.409
400	2.158	0.797	0.155	11.794
800	2.908	0.721	0.19	9.458
1600	3.846	0.627	0.117	14.709
3200	4.909	0.52	0.067	24.284

圖5為該試樣3200kPa固結壓力下的固結變形與時間關系曲線。（a為時間平方根曲線，b為時間對數(shù)曲線）。分別用兩種方法求得固結系數(shù)幾乎一致，分別為4.05×10-4 cm2/s和4.04×10-4cm2/s。圖6為孔隙比與固結壓力關系曲線。根據(jù)e~lgp曲線自動計算求得該試樣先期固結壓力Pc為157kPa，壓縮指數(shù)0.313，回彈指數(shù)0.052.

 

（a）時間平方根曲線

 

（b）時間對數(shù)曲線

圖5固結變形與時間關系曲線

Fig. 5 Variation of deformation with time

 

（a）e~p曲線

 

（b）e~lgp曲線

圖6孔隙比與固結關系曲線

Fig. 6 Variation of void ratio with consolidation preesure

 

4  結論與展望

1. 將無線通訊技術引入位移計和氣壓控制器，通過對百分表位移計和氣壓控制器的全面改進，固結儀數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性、實時性、分辨率都有顯著提高，控制系統(tǒng)安全可靠。。

2.大幅簡化系統(tǒng)，更加易于安裝調試，操作簡單，使用方便。

3.可直接在現(xiàn)有氣壓固結儀和杠桿固結儀上更新使用，無線百分表可作為位移計獨立使用于其它儀器，有廣泛應用前景。

本文驗證了無線通訊技術應用于土工試驗儀器的可行性、優(yōu)越性和可靠性。因此可將此技術應用于其它各種土工儀器，如三軸儀、直剪儀、滲透儀等，可顯著提高儀器智能化水平，改善目前土工試驗室儀器種類繁多連線復雜的現(xiàn)狀。同時還可與其它技術結合，比如在室內試驗儀器可利用WIFI ,在室外原位測試中可引入4GLTE通信以及最新的5G通信，將所有試驗數(shù)據(jù)實時通過互聯(lián)網(wǎng)傳送至服務器數(shù)據(jù)中心，可以遠程監(jiān)控整個試驗過程而不只是在試驗結束后查看結果。

參考文獻：

[1]袁聚云.土工試驗與原理[M].上海.同濟大學出版社,2005:78-93.

[2]張玲. 現(xiàn)代無線通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J]. 中國新通信, 2017(18).

[3] GB/T 37367-2019巖土工程儀器位移計[S].

[4] GB/T 4935.2-2009 土工試驗儀器固結儀第2部分：氣壓式固結儀[S].

[5] GB/T 50123-2019 土工試驗方法[S].