一种基于电路旋转切换方式的土体电阻率场动态变化测试系统

1.本发明涉及土木工程、岩土工程测试中电导率场或电阻率场的测试领域，尤其涉及一种基于电路旋转切换方式的土体电阻率场动态变化测试系统。


背景技术：

2.电阻率或电导率是研究材料电学性质的重要参数，在岩土工程中广泛应用，特别在特殊土的研究中，如膨胀土(崔可锐，查甫生，刘松玉，等.基于电阻率法的膨胀土吸水膨胀过程中结构变化定量研究[j].岩土工程学报.2008,30(12):1832-1839；缪林昌，严明良，崔颖.重塑膨胀土的电阻率特性测试研究[j].岩土工程学报.2007,29(9):1413-1417.)、污染土(韩鹏举，董晓强，白晓红，等.naoh污染下水泥土的电阻率变化研究[j].岩土工程学报.2007,29(11):1715-1719.韩立华，刘松玉，杜延军.)。当被测对象为尺寸较小，可视为单元尺度的情况，其测试方法较为常用的是采用四电极法或二电极法进行测试(刘松玉，查甫生，于小军.土的电阻率室内测试技术研究[j].工程地质学报.2006,14(02):216-222.)，或结合电桥桥路的二电极法测试(韩立华，刘松玉，杜延军.一种检测污染土的新方法——电阻率法[j].岩土工程学报.2006,28(8):1028-1032.)，也有土体电阻率测试方面的专利(一种绝缘材料的土壤电阻率测试装置(公开号：cn104166049a))。当被测物体作为一个单元体来看待时，上述测试方法和装置能够满足要求。但当被测对象具有较大尺寸，且其不同位置的性质随时间变化，且变化较快(变化频率大于1hz)时，则被测对象上，需要布置多个(通常是4或2的倍数个)测试电极，要求实现测试电极(及供电电极)与测试电极之间的快速切换。如从被测对象上连接多组测试电极，与信号采集电路和供电电路之间对应间歇性、周期性接触连接。即这种连接是动态的连接，电极上、下往返与电极之间实现快速的闭合与断开过程。
[0003]
目前为了实现这个功能，容易想到采用继电器开关来实现，通过自动控制继电器的开关功能，实现这种连接和断开的控制功能。对于测试对象性质变化较慢或几乎不变时，采用继电器控制电路，能够满足测试要求。但当测试对象的性质发生快速变化时，需要电极与采集电路、供电电路之间进行非常快速的切换，才能满足测试要求。仅采用继电器控制开关电路已经不能满足要求。如单个继电器最快的响应时间能够达到50毫秒左右，即电极与采集电路、供电电路之间可在50毫秒之间实现开闭。但测试电极数量较多，若按照40个计算，电极与采集电路、供电电路之间往返扫描一次的总时间为：40个/4(个/组)*(50秒)*2＝1.0秒。当被测对象性质变化的周期小于1秒时，电极扫描仅仅往返扫描了1次，测试获得的数据不能反应被测对象性质的变化。因此当被测对象性质发生动态变化时，采用继电器控制电路无法满足对象动态变化测试的需要。
[0004]
另外，由于多组继电器的开关动作控制需要布置更多的控制线路，浪费电能、成本提高，且机械继电器的开关有较多噪声，影响系统的设备品质。


技术实现要素：

[0005]
发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开一种基于电路旋转切换方式的土体电阻率场动态变化测试系统，该系统可实现测试电极与信号测试电路(包括供电电路)之间的快速的逐一开启、闭合切换，开闭切换快慢与速度可通过伺服电机转速控制。
[0006]
技术方案：本发明所公开的基于电路旋转切换方式的土体电阻率场动态变化测试系统，其特征在于，包括：旋转切换式电极扫描装置和数据采集及仪器控制部分；
[0007]
所述旋转切换式电极扫描装置包括：伺服电机、转芯、换向滑环、一个或多个固定电极组、与固定电极组对应的动电刷、辅助电路及电源；所述转芯与伺服电机的转子固连，所述换向滑环的定子端固定于支撑件上，转子端与转芯固连，所述固定电极组由多个围绕转芯径向等角度、均匀排列的固定电极及引出导线组成，封装于外侧绝缘透明圆环内，该圆环固定于支撑件上，所述动电刷由相邻的四个电极及引出导线组成，四个电极排列方式与固定电极组的排列方式相同，封装于内侧绝缘透明圆环内，该圆环固定于转芯；
[0008]
所述数据采集及仪器控制部分包括：数据采集模块、仪器控制模块和计算机；
[0009]
被测对象的不同高度埋设测试电极，所述旋转切换式电极扫描装置中固定电极组引出导线与测试电极按序连接，动电刷引出导线与换向滑环转子端连接，并由定子端接出与辅助电路相连，随着转芯的转动，动电刷触头与固定电极组触头依次接触、脱离，在伺服电机转动下，形成闭合、开启的切换开关；
[0010]
根据动电刷的接线方式不同，实现四极法和二极法测试土体动态电阻率场的功能，在伺服电机不同转速下，实现对土体的不同扫描频率测试，辅助电路中，根据电路输入的激励电源信号类型，系统实现不同幅值、频率、波形测试功能，仪器控制模块判断并控制动电刷的测试位置，数据采集模块定时分通道采集动电刷间测试信号。
[0011]
动电刷径向触头与固定电极从接触到闭合再到开路的接触周期为t0，与转芯转速ω和径向触头数n有关；t0＝2π/ω/n；固定电极组与动电刷工作特征为：所有固定电极工作一次，所用的时间与固定电极的数量无关，而仅与转芯转速ω有关，转芯旋转一周，固定电极组完成一个周期扫描。旋转切换器只要设计并控制转芯转速，便可以以一定的采样频率对固定电极组外接电极之间进行不间断的电阻率扫描采集。
[0012]
在本发明中，按照伺服电机的一般稳定转速50转/秒计算，该装置的所有固定电极与动电刷开闭循环一次的时间为20毫秒，固定电极数量按照20个计算，相当于每个固定电极与动电刷开闭一次的时间仅为1毫秒。该速率无论是单个电极的开闭速率还是所有电极的开闭循环速率，都远高于目前现有技术。伺服电机的转动频率与所有m个固定电极开闭一次的频率有关，单个动电刷与单个径向触头之间接触与非接触的时间t为电机转速r与径向触头数m的乘积的倒数，即t＝1/(mr)，或单电路接触频率为f＝mr。外部供电电源端发生供电型号的频率和测试线路端信号采集频率f，与单电路接触频率相同。
[0013]
进一步的，所述辅助电路包括多组可调节电桥、高精度电阻、信号发生器；所述信号发生器为电桥提供不同类型、不同频率、不同幅值的激励电源信号电源。同时，针对某些特殊被测对象，如测量电解质溶液阻抗时，辅助电路可以提供不同类型、不同频率、不同幅值的激励电源信号，以减轻或消除测试过程中电解质溶液中的极化、容抗等因素对测试结果的影响。
[0014]
进一步的，所述数据采集模块包括数据采集程序、数据采集卡、信号调理器；所述
信号调理器接收辅助电路信号，调节后传至数据采集卡由数据采集程序完成采集。
[0015]
进一步的，所述仪器控制模块包括仪器控制程序和信号转换器；控制伺服电机的转速、判断并给定动电刷初始位置。
[0016]
进一步的，当采用四极法测试土体动态电阻率场，所述动电刷的四个电极分别与正电源电路、高电位数据采集电路、低电位数据采集电路和负电源电路连接，四个动电刷电极随着转芯转动并与固定电极组相接触，接触过程中，相接触的四个固定电极依次充当正电源电路、高电位数据采集电路、低电位数据采集电路和负电源电路，随着动电刷的转动，四个动电刷电极分别与下一个固定电极接触，此时，原接触的动电刷功能发生变化，原固定电极中充当正电源电路电极断开，原固定电极中充当高电位数据采集电路的电极变为正电源电路，原固定电极中充当低电位数据采集电路的电极变为高电位数据采集电路，原固定电极中充当负电源的电极变为低电位数据采集电路，动电刷中充当负电源电路的电刷按旋转方向与下一个固定电极接触，该固定电极充当负电源电路，依此规律，四个动电刷电极以一定的频率及转动方向依次与固定电极相接触，固定电极依次变换功能；
[0017]
外侧两个动电刷所接的正、负电源闭合电路中接入电流传感器，所述电流传感器接入信号调理器，经调理后的电流信号接入数据采集卡，通过计算机及数据采集程序完成电流信号采集；内侧两个动电刷接入信号调理器，经调理后的电压信号传输至数据采集卡，通过计算机及数据采集程序采集并计算出内侧两个动电刷之间电位差。
[0018]
进一步的，当采用二极法测试土体动态电阻率场，中间两个动电刷分别连接可调节电桥两端，辅助电路的电源端接入信号发生器，动电刷和固定电极相接触，随着动电刷的旋转固定电极按顺序依次充当为电源正极，电源负极，可调节电桥连接信号调理器，经调理的电压信号传输至数据采集卡，通过计算机及数据采集程序采集。
[0019]
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本系统不使用继电器的切换装置，克服了电路开闭速率不够的根本问题，还可以避免布线的交叉干扰、继电器噪声污染的问题，开闭切换快慢与伺服电机转速相关，可以实现测试电极与采集电路、供电电路之间进行非常快速的切换。
附图说明
[0020]
图1为本发明系统示意图；
[0021]
图2为本发明中旋转切换式电极扫描装置示意图；
[0022]
图3为本发明中固定电极组及动电刷结构示意图；
[0023]
图4为本发明四极法测试土体动态电阻率场的测试原理图；
[0024]
图5为本发明二极法测试土体动态电阻率场测试原理图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0026]
如图1所示的基于电路旋转切换方式的土体电阻率场动态变化测试系统，包括：旋转切换式电极扫描装置和数据采集及仪器控制部分；
[0027]
如图2和3所示，所述旋转切换式电极扫描装置包括：伺服电机1、转芯2、换向滑环3、一个或多个固定电极组4、与固定电极组对应的动电刷5、辅助电路及电源15；所述转芯2
与伺服电机1的转子固连，所述换向滑环3的定子端固定于支撑件上，转子端与转芯2固连，所述固定电极组4由多个围绕转芯2径向等角度、均匀排列的固定电极及引出导线组成，封装于外侧绝缘透明圆环内，该圆环固定于支撑件上，所述动电刷5由相邻的四个电极及引出导线组成，四个电极排列方式与固定电极组4的排列方式相同，封装于内侧绝缘透明圆环内，该圆环固定于转芯2。
[0028]
如图1所示，所述数据采集及仪器控制部分包括：数据采集模块、仪器控制模块和计算机9。
[0029]
所述辅助电路包括多组可调节电桥7、高精度电阻、信号发生器8；所述信号发生器8为电桥提供不同类型、不同频率、不同幅值的激励电源信号电源。
[0030]
所述数据采集模块包括数据采集程序、数据采集卡10、信号调理器11；所述信号调理器11接收辅助电路信号，调节后传至数据采集卡10由数据采集程序完成采集。
[0031]
所述仪器控制模块包括仪器控制程序和信号转换器12；控制伺服电机1的转速、判断并给定动电刷5初始位置。
[0032]
如图4和5所示，被测对象6的不同高度埋设测试电极13，所述旋转切换式电极扫描装置中固定电极组4引出导线与测试电极13按序连接，动电刷5引出导线与换向滑环3转子端连接，并由定子端接出与辅助电路相连，随着转芯2的转动，动电刷5触头与固定电极组4触头依次接触、脱离，在伺服电机1转动下，形成闭合、开启的切换开关。
[0033]
根据动电刷5的接线方式不同，实现四极法和二极法测试土体动态电阻率场的功能，在伺服电机1不同转速下，实现对土体的不同扫描频率测试，辅助电路中，根据电路输入的激励电源信号类型，系统实现不同幅值、频率、波形测试功能，仪器控制模块判断并控制动电刷5的测试位置，数据采集模块定时分通道采集动电刷间测试信号。
[0034]
当采用四极法测试土体动态电阻率场，所述动电刷5的四个电极分别与正电源电路、高电位数据采集电路、低电位数据采集电路和负电源电路连接，四个动电刷电极随着转芯2转动并与固定电极组4相接触，接触过程中，相接触的四个固定电极依次充当正电源电路、高电位数据采集电路、低电位数据采集电路和负电源电路，随着动电刷5的转动，四个动电刷电极分别与下一个固定电极接触，此时，原接触的动电刷功能发生变化，原固定电极中充当正电源电路电极断开，原固定电极中充当高电位数据采集电路的电极变为正电源电路，原固定电极中充当低电位数据采集电路的电极变为高电位数据采集电路，原固定电极中充当负电源的电极变为低电位数据采集电路，动电刷中充当负电源电路的电刷按旋转方向与下一个固定电极接触，该固定电极充当负电源电路，依此规律，四个动电刷电极以一定的频率及转动方向依次与固定电极相接触，固定电极依次变换功能；外侧两个动电刷所接的正、负电源闭合电路中接入电流传感器14，所述电流传感器14接入信号调理器11，经调理后的电流信号接入数据采集卡10，通过计算机9及数据采集程序完成电流信号采集；内侧两个动电刷接入信号调理器11，经调理后的电压信号传输至数据采集卡10，通过计算机及数据采集程序采集并计算出内侧两个动电刷之间电位差。当采用二极法测试土体动态电阻率场，中间两个动电刷5分别连接可调节电桥7两端，辅助电路的电源端接入信号发生器8，动电刷和固定电极相接触，随着动电刷的旋转固定电极按顺序依次充当为电源正极，电源负极，可调节电桥7连接信号调理器11，经调理的电压信号传输至数据采集卡10，通过计算机及数据采集程序采集。
[0035]
如图4所示，旋转式多电路快速开闭装置开展四电极法的饱和砂土电阻率测试。
[0036]
采用m＝36个固定电极组4的旋转切换式电极扫描装置，计算机9和信号转换器12控制伺服电机1的转速采用r＝40转/秒。被测对象6为饱和砂土，放置于h米高的矩形体容器中，矩形体容器的水平截面面积为a。在1hz振动荷载作用下，不同高度位置处，饱和砂土的电阻率(或电导率)发生实时变化。饱和砂土不同高度位置埋设3组测试电极，共有n＝32个电极通道，测试电极13之间的间距l＝h/(n-1)米。测试电极13用导线与固定电极组4中各电极按顺序连接，空余固定电极接入标识电阻。动电刷5共有四个，外侧两个动电刷5分别接入电源15高电位和低电位接线端，高低电位闭合电路中接入电流传感器14，电流传感器14接入信号调理器11，经调理后的电流信号接入数据采集卡10在计算机9及数据采集程序协助下完成电流信号采集；内侧两个动电刷5接入信号调理器11经调理后的电压信号传输至采集卡10并由计算机9及数据采集程序采集并计算出内侧两个动电刷之间电位差。
[0037]
在这个过程中，通过电流传感器14测得电流为i，测得相邻两测试电极之间的电位差为u，则获得矩形容器中饱和砂土相邻测试电极13之间的土体电阻率ρ＝ua/il。在1秒钟内，所有饱和砂土中所有电极测试了40次。土体中任意两个电极之间的土在1秒钟内获得40组有效数据点，每组有效点数与数据采集程序的采样率正相关，以上测试满足土体动态测试要求。
[0038]
若采用现有技术中高性能的响应时间为20毫秒的继电器，则所有测试电极10扫描1次(仅按n＝20个电极计)需要0.4秒，任意两个电极之间的土在2秒钟内获得5个数据点，完全不能满足动态测试要求。
[0039]
如图5所示，旋转切换式电极扫描系统开展二电极法的饱和砂土电阻率测试。
[0040]
采用m＝36个固定电极组4旋转选装切换式电极扫描装置，计算机9及信号转换器12控制伺服电机1，转速r＝30转/秒。被测对象6为饱和砂土，堆放于矩形体容器中，堆放高度为h米，矩形容器的水平截面面积为a。在1hz振动荷载作用下，不同高度位置处，饱和砂土的电阻率(或电导率)发生实时变化。沿高度方向均匀埋设测试电极13数量n＝32个，测试电极13之间的间距则为l＝h/(n-1)米。固定电刷分别与辅助电路的两端连接，辅助电路的电源端接入信号发生器8，信号发生器8为辅助电路提供频率1hz、幅值5vvp的正弦信号。辅助电路桥路ab，cd两端接入信号调理器11，经调理的电压信号传输至数据采集卡10，并由计算机9及数据采集程序采集。
[0041]
根据二电极法测试原理，获得两个相邻测试电极13之间的电阻r，可计算相邻电极之间饱和砂土的电阻率为ρ＝ra/l。在1秒钟内，所有饱和砂土中所有电极测试了30次。土体中任意两个电极之间的土在1秒钟内获得30组有效数据点，每组有效数据点数与采集程序的采样率正相关，满足土体动态测试要求。
[0042]
若采用响应时间为20毫秒的继电器，则所有测试电极10扫描1次(仅按n＝30个电极计)需要0.6秒，任意两个电极之间的土在5秒钟内获得30个数据点，完全不能满足动态测试要求。
[0043]
若被测试电极13数量小于固定电极数量一般时的电阻率测试。
[0044]
若测试对象上安装的测试电极13数量较少，小于已制作的旋转切换式电极扫描装置中固定电极数量的一半时，一个测试电极13可同时连接两个(甚至更多)固定电极组4，其他线路连接方式上述相同。例如：当测试电极13数量为17个，而固定电极数量为36个，并采
用二电极法测试电阻率，则同一个测试电极13可同时连接两个对称的固定电极组4。
[0045]
该方案的优势在于：伺服电机1相同的转速情况下，测试电极13的开闭循环速率提高一倍(若测试电极13同时连接三个固定电极组4连接，则是提高两倍)，且不需要调整这个核心部件，即扩大了旋转式多电路快速开闭装置这个核心部件的使用范围。