专利名称：全自动采集液塑限联合测定系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及土建工程中进行土壤液塑限测定的技术领域，尤其涉及一种全自动采集液塑限联合测定系统。
背景技术：
液限、塑限是粘性土的重要物理特性指标，反映了土中水对土体性质的影响，是估计地基土承载力等的一个重要依据。界限含水量中的液限可以采用圆锥仪法，塑限可以采用滚搓法。液塑限联合测定法是为改进碟式仪液限和滚搓法塑限而提出的一种试验方法，该方法的主要试验仪器为液限联合测定仪，其包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯。试验时，根据土样在可塑状态范围内，用圆锥仪以瞬时落锥方法，测得圆锥入土深度h与含水量w两个参数，然后绘制在双对数坐标纸上，得到深度h与含水量w之间的关系曲线，在该曲线图上读取液限、塑限，继而计算塑性指数及液性指数。然而，液塑限联合测定法在试验过程中，人工绘制深度与含水量曲线，易出现人为误差，然后再曲线上再次人工读取数据不可避免的会出现二次误差，影响了数据的准确性；且该方法作图步骤较多，速度慢，功效低，以至于实验人员工作量较大，人力资源成本较高。因此，本领域的技术人员一直致力于开发一种全自动采集液塑限联合测定系统，能克服上述不足，实现全自动采集测定读取数据并绘制曲线结果，提高试验数据的准确性和减轻实验人员的工程量，降低人力资源成本，提高试验效率。
发明内容
有鉴于上述现有技术的不足，本发明提出一种能实现全自动采集测定读取数据并绘制曲线结果，提高试验数据的准确性和减轻实验人员的工程量，降低人力资源成本，提高试验效率的全自动采集液塑限联合测定系统。为实现上述目的，本发明提供了一种全自动采集液塑限联合测定系统，包括:液塑限联合测定仪和计算机；所述液塑限联合测定仪包括安装机架、用作自由落体插入土样内的圆锥头、用于吸附和释放所述圆锥头的电磁铁、用于检测所述圆锥头入土深度的位移传感器、显示所述位移传感器检测到的数据的位移显示屏、CPU、通讯模块、控制开关和用于盛装测试土样的试样杯，所述试样杯放置在安装机架上，所述电磁铁、位移传感器、位移显示屏、CPU、通讯模块和控制开关设置在所述安装机架上，所述圆锥头设置在上述试样杯开口上方，且所述圆锥头吸附在所述电磁铁上，所述位移传感器通过所述CPU和所述通讯模块与所述计算机信号连接，所述计算机内储存有双对数坐标图。作为本发明的进一步改进，所述位移传感器为LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器同时连接所述位移显示屏和所述计算机。LVDT (即Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变差动变压器缩写，简单地说是铁芯可动变压器。所以，LVDT位移传感器也可称之为LVDT差动变压器式位移传感器，它由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。本测定仪与其它使用光栅，磁栅传感器的同类型设备相比，一个最大的特点就是使用了 LVDT位移传感器，从而提高了测定精度和可靠性。作为本发明的进一步改进，还包括一信号处理模块，所述信号处理模块包括用作前级信号放大处理的LM324芯片和用作A/D转换器的LM331芯片，所述LVDT位移传感器通过所述信号处理模块同时连接所述位移显示屏和所述计算机。有利于进一步提高本系统的测试精度和稳定性。作为本发明的进一步改进，所述位移显示器为三位数带小数点的IXD液晶显示屏。本发明的全自动采集液塑限联合测定系统的有益效果如下:1.本发明采用所述液塑限联合测定仪通过控制电磁铁的电源即可实现吸附和释放所述圆锥头的，使得圆锥头落入下方试样杯中的土样内，同时由位移传感器检测出入土深度，最后传输到位移显示器上进行入土深度的显示和传输到所述计算机的双对数坐标图上进行数据的记录与最后的曲线绘制，实现了全自动采集测定读取数据并绘制曲线结果，提高了试验数据的准确性和减轻实验人员的工程量，降低人力资源成本，提高试验效率。2.位移传感器采用LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器的构成原理如下:LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成，当初级线圈Pl，P2之间供给一定频率的交变电压时，铁芯在线圈内移动改变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈Sll，S22之间就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出，由于两个次级线圈电压极性相反，输出电压为差动电压。当铁芯往右移动时，次级线圈2感应的电压大于次级线圈I ;当铁芯往左移动时，次级线圈I感应的电压大于次级线圈2，两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而成线性变化。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0 ;当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。本发明采用LVDT位移传感器包括但不限于如下技术效果:A、无摩擦测量LVDT的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT是没有摩擦的部件。它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。例如，精密材料的冲击挠度或振动测试，纤维或其它高弹材料的拉伸或蠕变测试。B、无限的机械寿命由于LVDT的线圈及其铁芯之间没有摩擦和接触，因此不会产生任何磨损。这样LVDT的机械寿命，理论上是无限长的。在对材料和结构进行疲劳测试等应用中，这是极为重要的技术要求。此外，无限的机械寿命对于飞机、导弹、宇宙飞船以及重要工业设备中的高可靠性机械装置也同样是重要的。C、无限的分辨率LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具备两个显著的特性。第一个特性是具有真正的无限分辨率。这意味着LVDT可以对铁芯最微小的运动作出响应并生成输出。外部电子设备的可读性是对分辨率的唯一限制。D、零位可重复性LVDT构造对称，零位可回复。LVDT的电气零位可重复性高，且极其稳定。用在闭环控制系统中，LVDT是非常出色的电气零位指示器。E、径向不敏感LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。这样，LVDT可以用于测量不是按照精准直线运动的物体，例如，可把LVDT耦合至波登管的末端测量压力。F、输入/输出隔离LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入(初级)和输出(次级)是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号元件。在要求信号线与电源地线隔离的测量和控制回路中，它的使用非常方便。G、坚固耐用制造LVDT所用的材料以及接合这些材料所用的工艺使它成为坚固耐用的变送器。即使受到工业环境中常有的强大冲击、巨幅振动，LVDT也能继续发挥作用。铁芯与线圈分离LVDT铁芯与线圈彼此分离，在铁芯和线圈内壁间插入非磁性隔离物，可以把加压的、腐蚀性或碱性液体与线圈组隔离开。这样，线圈组实现气密封，不再需要对运动构件进行动态密封。对于加压系统内的线圈组，只需使用静态密封即可。H、环境适应性LVDT是少数几个可以在多种恶劣环境中工作的变送器之一。例如，密封型LVDT采用不锈钢外壳，可以置于腐蚀性液体或气体中。有时，LVDT被要求在极端恶劣的环境下工作。例如，在类似液氮的低温环境中或核辐射环境。虽然在大多数情况下，LVDT具有无限的工作寿命(理论上)，置于恶劣环境下的LVDT，工作寿命却因环境不同而各不相同。综合以上LVDT与光栅、磁栅等高精度测长仪器相比有以下几个优点:动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量、自动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为1.5m/s以内，只能用于静态测量。LVDT可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用。可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压，高温，耐辐射，全密土封在水下工作。可靠性非常好，能承受冲击达150g/llms，振动频率2KHZ加速度20g。体积小，价格低，性能价格比高。3.本发明设置一个包括用作前级信号放大处理的LM324芯片和用作A/D转换器的LM331芯片的信号处理模块。信号处理是精密测量仪器中电路上的关键，测量精度的高低和稳定性和信号处理息息相关。本发明中使用LM324芯片做前级放大处理，LM331芯片做A/D转换送CPU读取。LM324系列由四个独立的、高增益、内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。LM331是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达IOOdB ;线性度好，最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。4.液塑限联合测定仪测定数据直接使用三位带小数点LCD液晶显示屏显示出来。目前，LCD有段式和点阵式2种，在只涉及数据显示及简单字母提示时，智能仪器通常采用段式LCD。本系统用到的三位带小数点LCD液晶显示屏是一种实用美观的三位串行段式液晶显示模块。与现有的一些并行段式液晶显示模块相比，其具有管脚少、与单片机系统连接简单、编程方便等优点。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1为本实施例的全自动采集液塑限联合测定系统示意图。图2为本实施例全自动采集液塑限联合测定系统的工作原理图。图3为本实施例的位移显示器主视图。
具体实施例方式图1是本实施例的全自动采集液塑限联合测定系统示意图。本实施例提出一种全自动采集液塑限联合测定系统，结合图1所示，包括:液塑限联合测定仪I和计算机2 ;液塑限联合测定仪I包括安装机架3、用作自由落体插入土样内的圆锥头5、用于吸附和释放圆锥头5的电磁铁7、用于检测圆锥头5入土深度的位移传感器(图中未示出)、显示所述位移传感器检测到的数据的位移显示屏6、CPU (图中未示出)、通讯模块(图中未示出)、控制开关(图中未示出)和用于盛装测试土样的试样杯4，试样杯4放置在安装机架3上，电磁铁7、所述位移传感器、位移显示屏6、所述CPU、所述通讯模块和所述控制开关设置在安装机架3上，圆锥头5设置在上述试样杯4开口上方，且圆锥头5吸附在电磁铁7上，所述位移传感器通过所述CPU和所述通讯模块与计算机2信号连接，计算机2内储存有双对数坐标图。作为本实施例的进一步实施方式，所述位移传感器为LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器同时连接位移显示屏6和计算机2。作为本实施例的进一步实施方式，还包括一信号处理模块，所述信号处理模块包括用作前级信号放大处理的LM324芯片和用作A/D转换器的LM331芯片，所述LVDT位移传感器通过所述信号处理模块同时连接位移显示屏6和计算机2。
图3为本实施例的位移显示器主视图。作为本实施例的进一步实施方式，位移显示器6为如图3所示的三位数带小数点的LCD液晶显示屏。示例性的，本实施例的全自动采集液塑限联合测定系统的工作原理和具体应用如下:图2为本实施例全自动采集液塑限联合测定系统的工作原理图。液塑限联合测定仪采用电磁铁吸附圆锥仪，电路控制电磁铁，圆锥头入土 5秒时间，由讯响自动发出信号，而入土深度则由圆锥仪上装有的LVDT位移传感器精准测出位移值，位移值经电路放大、CPU读取处理后，由位移显示器显示出来，同时该测定数据送计算机的双对数坐标图上显示并存储。电磁铁是用来吸附圆锥头，当按下控制开关时放开，让圆锥头自由落下。其工作有如下两个状态:a.当电磁铁通电时，绕过其铁芯的线圈产生了磁场，于是铁芯产生磁性，成为电磁铁。此时铁芯吸附圆锥头。b.当断电时，磁场消失，于是铁芯失去磁性，让圆锥头自由落下。在试样杯中装入土样，先对土样进行含水量w的测试，含水量w作为给定值输入计算机内的双对数坐标图内。由于土样的入土深度h与含水量w存在这样的关系:In(h) =In (a)+b*ln (w)其中，h为入土深度；w为百分含水量；a、b为系数。故通过液塑限联合测定仪测定入土深度并将数据进行显示，同时通过通讯模块进行无线或有线传输数据信号到计算机上，即可直接在计算机内存储的双对数坐标图上逐步完成曲线结果绘制，实现全自动采集测定读取数据并绘制曲线结果，提高试验数据的准确性和减轻实验人员的工程量，降低人力资源成本，提高试验效率的目的。示例性的，本实施例的液塑限联合测定仪内置的各部件是本领域通用的现有技术，也是常用外购件，本领域普通技术人员可以依据本实施例的描述进行装配，在此不再赘述。如CPU采用MICROCHIP公司PIC16F876A单片机。使用C语言编程实现测定过程的控制。PIC16F876A是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PI Cmicro系列单片微机,具有Flash pro gram程序内存功能，抗干扰能力很强的，适合工业环境，野外产品等用途。测试结果表明，该方法控制速度快、可靠性高。具体的，本实施例的全自动采集液塑限联合测定系统测试方法如下:1、调节安装支架3，使水准器水泡居中即保证安装支架3水平放置。2、接通电源。将电源开关打向开，此时，电源灯亮。3、放入圆锥头5，使电磁铁7吸牢圆锥头5。4、放入调好土样的试样杯4，通过执行、调节机构调整试样杯4的高度，使试样杯4中的土样与圆锥头5的锥尖与之接触，这时接触灯亮，按归零键。5、按下控制开关，此时圆锥头5下落，仪器自动计时，5秒钟后发出讯响，此时便可在位移显示屏6上读出圆锥入土深度h，同时输送入土深度h到计算机2中。6、再通过执行、调节机构调节试样杯4的高度，使试样杯4下降取下锥头5与试样杯4。7、多次实验查看计算机2记录结果及图表。
示例性的，本实施例的双对数坐标图可采用EXCEL软件进行绘制。计算机内置自动数据采集软件，软件可自动完成对数据的采集、记录、表格绘制和查询等功能，并且记录可以通过U盘进行导入和导出。采集的数据和历史数据除了在画面中以值输出的方式和以报表形式显示外，还可以用曲线的形式显示。历史曲线可以实现查看历史的测定数据。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种全自动采集液塑限联合测定系统，其特征在于，包括:液塑限联合测定仪和计算机；所述液塑限联合测定仪包括安装机架、用作自由落体插入土样内的圆锥头、用于吸附和释放所述圆锥头的电磁铁、用于检测所述圆锥头入土深度的位移传感器、显示所述位移传感器检测到的数据的位移显示屏、CPU、通讯模块、控制开关和用于盛装测试土样的试样杯，所述试样杯放置在安装机架上，所述电磁铁、位移传感器、位移显示屏、CPU、通讯模块和控制开关设置在所述安装机架上，所述圆锥头设置在上述试样杯开口上方，且所述圆锥头吸附在所述电磁铁上，所述位移传感器通过所述CPU和所述通讯模块与所述计算机信号连接，所述计算机内储存有双对数坐标图。
2.如权利要求1所述的全自动采集液塑限联合测定系统，其特征在于:所述位移传感器为LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器同时连接所述位移显示屏和所述计算机。
3.如权利要求2所述的全自动采集液塑限联合测定系统，其特征在于:还包括一信号处理模块，所述信号处理模块包括用作前级信号放大处理的LM324芯片和用作A/D转换器的LM331芯片，所述LVDT位移传感器通过所述信号处理模块同时连接所述位移显示屏和所述计算机。
4.如权利要求2所述的全自动采集液塑限联合测定系统，其特征在于:所述位移显示器为三位数带小数点的IXD液晶显示屏。
全文摘要
本发明公开一种全自动采集液塑限联合测定系统，包括液塑限联合测定仪和计算机；所述液塑限联合测定仪包括安装机架、圆锥头、电磁铁、位移传感器、位移显示屏、CPU、通讯模块、控制开关和试样杯，所述试样杯放置在安装机架上，所述电磁铁、位移传感器、位移显示屏、CPU、通讯模块和控制开关设置在所述安装机架上，所述圆锥头设置在上述试样杯开口上方，且所述圆锥头吸附在所述电磁铁上，所述位移传感器通过所述CPU和所述通讯模块与所述计算机信号连接，所述计算机内储存有双对数坐标图。本发明能实现全自动采集测定读取数据并绘制曲线结果，提高试验数据的准确性和减轻实验人员的工程量，降低人力资源成本，提高试验效率。
文档编号G01N33/24GK103105479SQ201310025420
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者刘银宝, 王静, 陈颖, 刘燕萍, 郎权德 申请人:上海市城市建设设计研究总院