基于虛擬儀器的壓電彎曲元測試系統(tǒng)研制*

汪孔政

(浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室?guī)r土工程研究所，浙江杭州310058)

0 引言

土體的剪切波速是一個很重要的土動力學(xué)參數(shù)，在場地地震反應(yīng)分析、液化判斷、地基改良效果檢驗等方面都得到應(yīng)用［1，2］。測定土體剪切波速的方法有多種，其中，彎曲元剪切波速測試技術(shù)由于原理明確，操作便捷，目前在測試各類土體的剪切波速中得到了廣泛的應(yīng)用［3，4］。但現(xiàn)有的彎曲元剪切波速測試系統(tǒng)通常由數(shù)字儀表組成，數(shù)據(jù)記錄方法比較落后，剪切波傳播時間依靠人工對激發(fā)和接收信號波形進行比較來判別，有時會存在一定的主觀性。本文設(shè)計了一種基于虛擬儀器的彎曲元剪切波速測試系統(tǒng)，采用計算機進行測試數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和記錄，因而，有效解決了傳統(tǒng)的彎曲元剪切波速測試中存在的上述問題，并降低了系統(tǒng)構(gòu)建成本，提高了系統(tǒng)的測試效率。

1 彎曲元剪切波速測試原理

彎曲元是一種典型的機—電傳感器，它由2片壓電陶瓷晶體膠粘在一起而構(gòu)成，在晶片的兩面都敷有金屬電極，能通過壓電效應(yīng)實現(xiàn)機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換，在外電場作用下會發(fā)生橫向彎曲變形，在外力作用下發(fā)生橫向彎曲變形時可以產(chǎn)生電荷。傳感器的工作原理如圖1。

圖1 彎曲元傳感器的工作原理Fig 1 Working principle of bender elements

在用于土體的剪切波速測試時，根據(jù)所起作用可將彎曲元分為激發(fā)元和接收元2種。激發(fā)元在脈沖電壓作用下產(chǎn)生振動，在土體內(nèi)激發(fā)剪切波，該剪切波經(jīng)土體傳播后到達接收元，使之振動而產(chǎn)生電信號，將激發(fā)信號與接收信號進行比較，測出它們間的時間延遲即為剪切波的傳播時間t，再結(jié)合剪切波的傳播距離L即可算得土體的剪切波速vs，即

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

彎曲元波速測試時采用的激發(fā)信號頻率一般為0.2～20 kHz，這段頻率正好處于音頻范圍內(nèi)，因此，可以利用計算機聲卡來實現(xiàn)測試信號的發(fā)生和數(shù)據(jù)采集。目前的計算機一般都集成有一塊HD聲卡，它最高支持192kHz的D/A采樣頻率和96 kHz的A/D采樣頻率，采樣精度為24bit，性能完全能夠滿足彎曲元剪切波速測試的要求。

由于計算機聲卡的輸出信號電平較低，必須經(jīng)過功率放大器放大后才能驅(qū)動激發(fā)元產(chǎn)生合適的彎曲變形;測試中接收元獲得的微弱接收信號，也必須經(jīng)過電荷放大器放大后，才能輸入計算機聲卡的輸入接口進行數(shù)據(jù)采集。因此，所設(shè)計的彎曲元剪切波速測試系統(tǒng)由彎曲元傳感器，功率放大器，電荷放大器，分壓電路以及便攜式計算機組成，各部件的電路連接如圖2所示。

圖2 彎曲元測試系統(tǒng)構(gòu)成Fig 2 Construction of bender element measurement system

測試時，激發(fā)信號由計算機的Speaker Out端口輸出，該信號經(jīng)過放大器放大后分成兩路，一路用來驅(qū)動激發(fā)元在土體中產(chǎn)生剪切波，另一路經(jīng)分壓電路分壓后連接到計算機的Line in接口的左聲道進行采集，接收元獲得的接收信號經(jīng)電荷放大器放大后輸入到計算機的Line in接口的右聲道進行采集。通過確定兩路接收信號的時間延遲和傳播距離，便可利用式(1)得到剪切波在土體中的傳播速度。

所設(shè)計的功率放大器和電荷放大器的電路原理如圖3所示，功率放大器采用集成電路LM1875制作，放大倍數(shù)根據(jù)測試需要設(shè)計為20倍，電荷放大器由TL082集成電路和外圍元件組成，電荷放大器的放大倍數(shù)由反饋電容器的容量確定，在測試時可以根據(jù)接收信號強弱選擇合適容量的反饋電容器，以獲得最佳測試精度。

3 測試軟件設(shè)計

本系統(tǒng)測試軟件選用LabVIEW 8.5虛擬儀器平臺進行開發(fā)。軟件設(shè)計時應(yīng)用了結(jié)構(gòu)化模塊化的設(shè)計思想［5］。軟件主要由4個模塊組成:1)信號發(fā)生器模塊:用于控制計算機聲卡輸出指定頻率、類型和周期數(shù)的激發(fā)信號，本系統(tǒng)的可用頻率范圍為20～20000Hz，激發(fā)信號通常采用單周期的正弦波或方波信號;2)信號采集模塊:用于控制計算機聲卡實現(xiàn)同步雙通道數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)定為96 kHz;3)信號處理模塊:對接收信號進行濾波與實時分析計算;4)波形顯示和存儲模塊:將激發(fā)與接收信號波形在屏幕上顯示出來并存儲到計算機硬盤中。

在針對土體的剪切波速測試中，由于土體的衰減作用和其他因素的干擾，獲得的剪切波接收信號起跳點有時不是很清晰，直接根據(jù)波形判斷剪切波傳播時間會存在一定的誤差，因此，軟件設(shè)計中加入了實時計算激發(fā)信號與接收信號互相關(guān)函數(shù)值的功能，互相關(guān)函數(shù)值由公式(2)計算得到［6］

圖3 功率放大器與電荷放大器電路原理圖Fig 3 Circuit principle diagram of power amplifier and charge amplifier

測試時計算機將采集到的波形圖形和計算得到的互相關(guān)函數(shù)值圖形顯示在同一個屏幕界面上，可以根據(jù)實際情況選擇采用直接比較波形或者根據(jù)互相關(guān)函數(shù)值對剪切波傳播時間進行判別，因而有利于提高系統(tǒng)的測試精度。

4 實驗測試

圖4為測試系統(tǒng)在對砂土進行剪切波速測試時獲得的特性曲線，圖4(a)為激發(fā)信號與接收信號的波形，測試中激發(fā)信號采用標準的單周期正弦信號，接收信號相對激發(fā)信號有一定的時間延遲，其波形特征為幅度由強到弱衰減的多周期信號;圖4(b)為激發(fā)信號與接收信號的互相關(guān)函數(shù)曲線。當根據(jù)波形判別剪切波傳播時間時，取激發(fā)信號與接收信號的起跳點對應(yīng)的時間之差作為剪切波傳播時間;當根據(jù)互相關(guān)函數(shù)值判別剪切波傳播時間時，取互相關(guān)函數(shù)值圖形上的峰值對應(yīng)的時刻作為剪切波傳播時間。

圖4 彎曲元測試得到的波形與互相關(guān)函數(shù)曲線Fig 4 Curve of signal waveform and cross-correlation function obtained by bender element test

本次測試時激發(fā)元與接收元間距為20 cm，從圖4中可以讀出，當采用波形進行判別時，剪切波傳播時間為1.5260 ms，當采用互相關(guān)函數(shù)值判別時，剪切波傳播時間為1.556 7 ms。兩者對應(yīng)的波速分別為131.06 m/s和128.48 m/s，相差約1.6%。產(chǎn)生這種差異的原因一般是由于接收信號波形的起跳點不是很明顯，測試中游標不能精確對準起跳點，引起判斷誤差，在這種情況下，采用激發(fā)信號與接收信號的互相關(guān)函數(shù)值進行剪切波傳播時間判別可以避免這一問題，其測試結(jié)果要更客觀一些。

5 結(jié)論

本文結(jié)合虛擬儀器技術(shù)研制了一種彎曲元剪切波速測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了利用波形和互相關(guān)函數(shù)2種方法進行剪切波傳播時間判別的功能。該系統(tǒng)具有成本低、精度高、測量速度快等優(yōu)點，有望應(yīng)用于各類土體的剪切波速精確測量，為土力學(xué)與巖土工程分析提供基本參數(shù)。

［1］周燕國，土結(jié)構(gòu)性的剪切波速表征及對動力特性的影響［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［2］陳云敏，周燕國，黃 博.利用彎曲元測試砂土剪切模量的國際平行試驗［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28(7):874－880.

［3］曾向武，胡黎明.壓電陶瓷傳感器在巖土工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28(8):983－988.

［4］周燕國，陳云敏，黃 博，等.利用彎曲元測量土體表層剪切波速的初步試驗［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30(12):1883－1887.

［5］戴鵬飛，王勝開，王格芳，等.測試工程與LabVIEW應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］侯興民，楊學(xué)山，廖振鵬，等.基于互相關(guān)函數(shù)的單孔法波速測試優(yōu)化算法［J］.巖土力學(xué)，2006，27(7):1161－1165.