一种微损钻入阻力测试系统的制作方法

本发明涉及文物保护技术领域，具体是指一种微损钻入阻力测试系统。

背景技术：

在当前的土遗址保护实际工程中，有两个问题一直得不到很好的解决：(1)土遗址风化程度；长期以来，在野外进行现场考察的时候，对于遗址的风化程度的判定只能通过主观评价或者现场取已经坍塌的块体带回实验室进行分析测试。这里存在的问题就是仅仅通过对表层的观察，往往很难了解土体内部的情况，而将现场已坍塌的块体的性能去评价主体的情况，其结果往往也是不客观的。微损钻入阻力仪可以选择合适的钻头直接在本体上进行原位测试，同时根据距离表层不同深度下的阻力值，很直观的判断出风化层的强度、内部未风化层的强度以及风化层的厚度。(2)加固效果评价；在现有的加固效果评价体系中，绝大部分都是基于实验室方法得出的效果评价。由于实验室的加固方法和养护环境，以及待测试试样本身和实际的土遗址性质存在差异，实验室得出的结果可能和现场施工效果相去甚远。现场加固工程施工完毕后，如何去判定固化强度、加固深度，有没有存在所谓的加固和未加固层之间的明显分界面，也是亟需解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为一种测试在恒定状态下的，钻头受到推力作用钻入待测试试样，通过内置的压力传感器采集钻头钻入时所遇到的阻力与钻入深度之间的对应关系的微损钻入阻力测试系统，其特征在于：包括机械元件模块、控制电路模块和数据采集模块组成，所述机械元件模块包括固定底座、工作台、单轴滑台、步进电机和主轴电机，所述固定底座一端固定工作台，另一端连接步进电机，所述固定底座上设有与单轴滑台相配合的滑轨，所述步进电机连接于单轴滑台，所述主轴电机固定于单轴滑台上，所述单轴滑台底部设有连接于主轴电机底部的压力传感器，所述主轴电机靠近工作台一端设有钻头，控制电路模块包括pwm转速控制电路和推进速率与位移控制单元，所述数据采集模块包括数据采集仪、usb集线器和计算机，数据采集仪通过usb集线器连接于计算机。

优选的，所述步进电机和主轴电机上均设有编码器。

优选的，所述推进速率与位移控制单元通过usb数据线连接于usb集线器。

优选的，所述主轴电机与钻头之间通过减速机相连。

本发明与现有技术相比具有如下优点：微损检测不同深度范围内材料强度，通过对比加固前后数据，量化加固有效渗透深度和强度，原位测试手段，对比阻力和深度数据，量化墙体风化程度以及风化层厚度，对后期表层风化程度分类和加固措施选择提供依据，通过室内试验将钻入阻力与常用力学参数进行拟合、标定，降低常规强度试验的工作量，同时更好的满足遗址非破坏性原位测试的要求，能够丰富土石质遗址的现场风化检测和加固效果评价手段，实现对遗址微损、快速的强度测试。

附图说明

图1是本发明一种微损钻入阻力测试系统的机械元件模块结构示意图。

图2是本发明一种微损钻入阻力测试系统的单轴滑台顶部结构示意图。

图3是本发明一种微损钻入阻力测试系统控制电路系统图。

图4是本发明一种微损钻入阻力测试系统工作流程图。

图5是本发明一种微损钻入阻力测试系统的未加固试样原始数据输出图。

图6是本发明一种微损钻入阻力测试系统的未加固试样平滑处理数据输出图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

结合附图，一种微损钻入阻力测试系统，其特征在于：包括机械元件模块、控制电路模块和数据采集模块组成，所述机械元件模块包括固定底座1、工作台2、单轴滑台3、步进电机4和主轴电机5，所述固定底座1一端固定工作台2，另一端连接步进电机4，所述固定底座1上设有与单轴滑台3相配合的滑轨6，所述步进电机4连接于单轴滑台3，所述主轴电机5固定于单轴滑台3上，所述单轴滑台3底部设有连接于主轴电机5底部的压力传感器7，所述主轴电机5靠近工作台2一端设有钻头8，控制电路模块包括pwm转速控制电路和推进速率与位移控制单元，所述数据采集模块包括数据采集仪、usb集线器和计算机，数据采集仪通过usb集线器连接于计算机。

所述步进电机4和主轴电机5上均设有编码器。

所述推进速率与位移控制单元通过usb数据线连接于usb集线器。

所述主轴电机5与钻头8之间通过减速机9相连。

本发明的设计原理：通过对压力传感器(或扭矩传感器)对钻头进入某种材料时的端阻力以及切向阻力的持续测量，反映材料强度随深度变化的规律。该系统既可以用于实验室测试分析，同时可配备可充电锂电池也适用于现场原位测试，小直径钻头的设计对测试对象的影响降至最小，属于微损检测设备，符合当下文物保护的基本原则。

尽管本系统没办法做到对测试样完全无破坏，但是相对来说每次测试都只留下几毫米的微孔，完全满足室内试验的需求，即使用于野外原位测试，考虑到遗址较大的体量，几毫米的微孔也是可以接受的，因此可以认为是微损检测方法。

主要设计参数

1.转头转速：0-1000rpm，恒定、可调；2.钻入速度：0.2-2.0mm/s，恒定，可调；3.压力范围：0-100n；4.钻头直径1-10mm。

主轴电机主要负责驱动钻头旋转，步进电机主要负责驱动滑台行进，保证钻头顺利进入工作台上的试样。钻头转速和推进速度可独立设置，并通过各自的编码器控制，以便根据不同材料的强度和钻头的粗细，来选择合适的测试参数。数据采集模块包括主要有转速监测和钻入阻力监测两部分，通过换能器将传感器输出的电流信号在计算机上通过专用的软件显示和保存。

负责推进的步进电机采用步进驱动系统及闭环控制方法控制。首先引入闭环位置控制器和位置检测环节，使钻机在滑台上的位置精度由位置检测环节决定，在测试过程中因外力引起的各种非线性因素的影响通过位置控制器进行即时的动态校正与补偿反馈，配合对步进电机的步距角进行细分驱动，很好的解决了钻入阻力仪在钻入过程中遇到较大阻力的情况下，一样能维持恒定的速度推进，还可以通过驱动器的编码控制实现推进速度可调的要求。尽管闭环步进电机在遇到外部荷载的情况下仍能通过脉冲控制很好的保持恒定的运转状态，但也存在着转动不连续和伴随轻微震动的缺点，在钻入试样的过程中必然会影响阻力数值的采集。由于主轴电机存在高转速、低扭矩的特点，而一般用于土样测试的转速往往不高于1000转/分钟，因此通过在主轴电机前端安装减速机，在降低转速的同时提升输出扭矩，尽可能减小外界荷载对转速带来的影响。

尽管钻入阻力测试系统配套了实时数据记录和输出功能，但是为了更好的发现规律，仍有必要对数据进行处理。以未加固试样为例，图5表示钻头钻入试样后阻力随深度变化的原始数据曲线。总的来说，曲线具有明显的递增趋势，但也存在相邻数据点跳跃较大的问题，这可能是由于制样过程中土颗粒团聚引起的局部不均一性以及细小砂粒的存在引起的阻力值在均值附近上下波动的现象。通过origin软件的平滑曲线功能，可以对原始数据进行一定程度的降噪处理，输出相对平滑的曲线(如图6)，以便后期进行数据分析。

数据处理还要进行阻力值计算，由图6可以看出阻力-深度曲线的变化趋势大致可以分为三个阶段：微小阻力阶段、快速增长阶段和相对平稳阶段。在测试中，忽略微小阻力和快速增长的数据点，取相对平稳阶段的数据进行相关分析。钻入阻力的大小采用平均钻入阻力值dfav来表示。公式如下：

同时，定义非均匀系数(inh)来反应在一定深度范围内阻力大小的变化情况，公式如下：

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来，本发明说可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。