土工离心机数据采集装置

本实用新型属于岩土
技术领域：
，涉及一种土工离心机数据采集装置。
背景技术：
：岩土工程离心模拟试验方法是目前各个国家竞相研究的热点，其基本原理是将试验模型置于由离心机所生成的高重力场中，具有使模型与原型应力应变相等、变形相似、破坏机理相同的优越性，便于在与原型等应力条件下直观地研究岩土工程的应力变形性状和破坏过程。由于土工离心机工作的特殊性，为达到某一高应力场的试验数据，其必须在给定的旋转速度下(不停机)进行。离心机作为进行动力模型试验的一种仪器装置，通常配置有一整套针对不同信号类型(电压型、电流型、应变型)传感器的数据采集的系统，有数据采集服务器、数据采集卡和连接一定数量的电压/电流/应变的数据采集接口组成。目前，国内外各种离心机配备的试验数据采集的通道数量通常为100～200个，当离心模型试验设计所需采集的传感器数量超过离心机上相应数据采集通道的数量时，给数据采集工作带来了很大的困难。为获得所有传感器的试验数据，现有解决方法如下：一、开展多次或多组离心模型试验土工离心模型试验通常分为两种试验，一种是非破坏性试验，另一种是破坏性试验。非破坏性试验是指离心模型材料在离心试验中处于弹性范围，停机卸荷可恢复至初始试验状态；而破坏性试验是指离心模型材料在离心试验中处于弹塑性、塑性范围，停机卸荷后不能恢复到初始状态。(1)针对非破坏性离心模型试验，可通过一次离心模型制作埋设设计好的所有传感器，一次接入部分传感器，利用现有数据采集系统做完一组试验采集后，对离心机进行停机，手动更换传感器，再开机进行下一组离心模型试验数据采集，多次采集获得所有传感器的试验数据。其存在部分问题：①离心机停机开机时间长，造成整个离心模型试验总时间长，试验成本增加；②离心机停机开机、试验模型反复卸载加载，其应力状态与模型初始状态存在一定的差异，对后续的试验数据有一定的影响。(2)针对破坏性离心模型试验。由于一次试验后，离心模型已无法恢复至初始状态，只能通过制作多个离心试验模型，开展多次离心模型试验，利用现有数据采集系统多次采集获得模型试验所设计的所有传感器的试验数据。同样也存在一些问题：①通常情况完成一个离心模型制作需要1～2个月甚至更长，多个离心试验模型制作则需要几倍的时间，试验周期长；②在不同时间、不同人员等条件下制作离心模型和埋设传感器，其试验模型成型质量、传感器埋设位置均存在一定的差异性，对试验数据带来很大的影响。二、增加数据采集设备土工离心机在设计之初与建造时，考虑到未来离心试验功能升级，在其内部预留部分空间用于安装其他设备，如测试各种传感器的信号放大器、离心场中新采集技术(图像采集技术、三维激光测量技术)等。而多组或多次离心模型试验对试验数据的影响显然比在一次离心模型试验的影响大，则在一次离心试验中获得所有传感器的试验数据，可通过如下方法实现：(1)增加与现有数据采集系统同样的多套采集板卡与通道接口；在现有的数据采集系统基础上，增加与其一模一样的采集板卡和配套通道接口，此方法可以完美与现有的系统保持一致。但也存在几个问题：①采集板卡和通道接口安装位置问题，虽然离心机内部预留了空间，但其剩余空间大小与增加设备的空间是否能匹配。以64通道动静态采集系统为例，其采集设备尺寸为1600mm×800mm×500mm(长×宽×高)，通道接口面板尺寸为800mm×800mm(长×宽)。②采集系统软件的问题，现有采集软件是否能进行扩展，扩展的限制条件，其限制是否能满足本次与未来预计的试验要求。(2)增加其他数据采集设备；随着科技发展，现有市面上有各种有线/无线采集设备，如电压/应变采集仪、光纤调制解调器等有线采集设备，并配置有wifi、bluetooth、4g网络等无线传输装置，方便快捷，扩展不受限制。但利用其他采集设备除了面临与增加板卡同样的安装空间问题，还存在是否利用现有采集系统。若不使用，造成现有采集系统设备的浪费与损耗；若使用，不同采集系统的兼容性、一致性、采集操作的复杂性等问题。例如，dh5929n动态应力应变测试分析系统，每台最多32或64测点，单台设备(32通道)尺寸为800mm×700mm×500mm(长×宽×高)，可直接安装于标准机柜内组成无限多通道的动态应变测试系统；通过千兆以太网通讯，通过网络技术，可实现无限通道扩展并行采样，多台仪器采用同步时钟盒同步。另外，离心试验采集的数据除了数值准确性之外，对于动力试验，更多需要关注数据的同步性，尤其是在离心场中，其试验频率被增加了n倍，不同设备的同步性问题如何解决。同时，无论是增加与现有采集设备一致的采集板卡与通道接口，还是其他采集设备，其设备选型、招标采购、安装调试等需要较大资金成本与较长时间周期。同时，在离心试验过程中，无论是有线采集还是无线传输，其采集仪必须安装于离心机内，与模型一同旋转，其采集仪能否在超重离心场、动力振动试验干扰等复杂环境下正常工作。技术实现要素：为了解决上述问题，本实用新型提供一种土工离心机数据采集装置，在土工离心机不停机的情况下实现了对不同传感器的信号采集、存储、显示，避免了由于土工离心机停机再开机而导致模型结构应力释放再加载对试验测试的影响，缩短了试验周期，降低单次组试验成本，解决了现有技术存在的问题。本实用新型所采用的技术方案是，一种土工离心机数据采集装置，包括多通道选择装置和无线远控箱，多通道选择装置设于数据采集接口与传感器之间，通过无线远控箱控制多通道选择装置实现指定通道选择。本实用新型的有益效果是：1、本实用新型的数据信号采集传输仍采用离心机自带的数据采集系统，传感器与数据采集接口之间增加不停机数采信号多通道选择装置，建立现有数据采集系统与多组电压型、电流型、应变型传感器之间的连接，有线传输数采信号稳定、可靠，有效防止数据干扰、丢失，数据采集准确，保证数据存储，成本低；通过无线远控箱对数据采集信号多通道选择装置进行切换控制，将传感器数据信号有线连接光端机转为光信号利用光环进行传输至中控室数据采集系统，数据信号不受干扰。2、离心试验过程中，可在中控室数据采集系统上分批显示所有传感器的实时信号，确保所有传感器的信号均可采集；在一次完整的离心试验中可获取不同种类和数量的传感器共计200～300组试验数据；仅新增一套不停机数采信号多通道选择装置及无线远控箱，成本仅为4-5万元。3、本实用新型完全利用离心机现有的数据采集系统，无需新增采集软件和采集设备，有效解决了不同采集软件、离线数据提取分析等。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本实用新型实施例的基本原理图。图2是本实用新型实施例中多通道选择装置的正面图。图3是本实用新型实施例中多通道选择装置的背面图。图4是本实用新型实施例中多通道选择装置的侧视图。图5是本实用新型实施例中多通道选择装置的俯视图。图6是多通道选择控制器元器件布置图图7是多通道选择控制器电路板设计图。图8是多通道选择控制器工作原理图。图9是多通道选择控制器单组切换原理图。图10是无线远控箱设计图。图11是无线远控箱信号发送接收原理图。图中，1.数据采集服务器，2.数据采集接口，3.传感器，4.多通道选择装置，4-1.开关电源，4-2.通讯插头，5.无线远控箱，7.多通道选择控制器，8.输出插头，9.输入插头，10.发光二极管，11.两开两闭模拟开关，12.模拟开关，13.单片机。具体实施方式下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本实用新型建立了数据采集系统与200～300组电压型、电流型、应变型传感器连接，能在土工离心机试验(不停机)实现200～300组电压型、电流型、应变型传感器的采集、存储、显示。本实用新型实施例一种土工离心机数据采集装置，如图1所示，包括多通道选择装置4及无线远控箱5，基于现有数据采集系统的数据采集服务器1和数据采集接口2，数据采集接口2为电压/电流/应变等类型，在数据采集接口2与传感器3之间设置多通道选择装置4，通过无线远控箱5控制多通道选择装置4实现指定通道选择，由“一对一”转为“一对多”，从而在土工离心机不停转的情况下实现全部传感器的信号采集、存储、显示。如图2-5所示，多通道选择装置4外形尺寸为358mm×291mm×102mm(长×宽×高)，采用厚度1mm钢板裁剪焊接而成箱体，箱体左右两面底部分别焊接一根预留两个螺丝孔的102mm×30mm×2mm(长×宽×厚)的角钢。多通道选择装置4上设有6个多通道选择控制器7(m1～m6)。如图6-9所示，一个多通道选择控制器7有8个通道，每个通道有6个两开两闭模拟开关11，每个通道的一个两开两闭模拟开关11并联后与模拟开关12的一个针脚连接，连接于模拟开关12同一针脚的两开两闭模拟开关11进侧与一组传感器3一一对应连接，该组传感器3用于同时采集不同参数，两开两闭模拟开关11的出侧与数据采集接口2连接；具体的，传感器3被分为6组，每组有8个传感器3，第一组8个传感器3分别与第一组8个两开两闭模拟开关11的第一两开两闭模拟开关k1进侧控制脚连接，依次类推，第6组8个传感器3分别与第六组8个两开两闭模拟开关11的第六两开两闭模拟开关k6进侧控制脚连接，8组两开两闭模拟开关11的第一两开两闭模拟开关k1并联后与模拟开关12的第一针脚连接，依次类推，8组两开两闭模拟开关11的第六两开两闭模拟开关k6并联后与模拟开关12的第6针脚连接；多通道选择装置4内安装有单片机13，无线远控箱5与单片机13通讯连接，单片机13与模拟开关12电路连接，无线远控箱5通过单片机13依次循环发出6个二进制信号指令至模拟开关12，每个二进制信号指令控制模拟开关12的一个针脚通电，使得对应两开两闭模拟开关11的控制脚接通，每个通道的一个两开两闭模拟开关11通电，其余两开两闭模拟开关11不通电，实现一组8个传感器3同时信号连接。一个多通道选择控制器7有48个两开两闭模拟开关11，当一组8个传感器3接通时，每个通道均有一个两开两闭模拟开关11通电，其他5个两开两闭模拟开关11不通电，避免相互影响；不同通道的两开两闭模拟开关11(如图9中的k1和k7)同时通电不会相互影响，提高监测准确性。每个通道的6个两开两闭模拟开关11出侧并联后与一个输出插头8连接，所有输出插头8与数据采集接口2相连；所有多通道选择控制器7上输出插头8的插头总数量小于或等于离心机自带的数据采集系统总通道数，输出插头8与离心机的数据采集接口2相匹配。每个多通道选择控制器7的体积主要受两开两闭模拟开关11数量的限制，两开两闭模拟开关11与传感器3数量相同；减少多通道选择控制器7的数量，能够减少模拟开关12、单片机13的数量；本实用新型多通道选择控制器7的数量不做限制，根据土工离心机上的安装体积和能承受的重量确定合适数量的多通道选择控制器7，本实施例的多通道选择装置4内安装了6个多通道选择控制器7。本实施例每个多通道选择控制器7配套有48个(分8组，每组6个)两开两闭模拟开关11，多通道选择装置4中共有288个两开两闭模拟开关11。每个多通道选择控制器7两侧均安装有1组16芯的输出插头8、8组12芯的输入插头9和1排发光二极管10，1个模拟开关12、1个单片机13、1个拨码开关和1套485信号，两开两闭模拟开关11的型号为hrs2h-s-dc12v-n、模拟开关12为型号uln2803的8选1模拟开关，单片机13的型号为stc12c5604-35i-sop20，拨码开关的型号为swdip-3；每个两开两闭模拟开关11与对应组传感器3之间设有发光二极管10，不同的多通道选择控制器7是用拨码开关不同的拨码数字来区分。离心机自带的数据采集系统总通道数为64个通道，其内部以8个通道为一组，且每个通道都由“+”、“-”2芯电缆进行信号传输。该系统能够以任意数量的通道归为一组进行组合，为方便与数据采集系统连接、组合；本实用新型实施例拟定每个多通道选择控制器7连接8个通道，故输出插头8为16芯，由8个kf2edgk-3.81-2p插头(编号a～h)组成，每个kf2edgk-3.81-2p插头均与数据采集接口2相连；同样地，一个输出信号可以实现以任意数量的输入信号，本实用新型例选取传感器数量/通道数量＝6为控制要求，故输入插头9为12芯，输入插头9分为6组，每组输入插头9由6个kf2edgk-3.81-2p插头(a1～a6，……，h1～h6)组成；输入插头9的每个kf2edgk-3.81-2p插头与一个传感器3的数据信号线“+”、“-”实现硬件相连，再加上输入插头9与输出插头8是通过两开两闭模拟开关11的开闭实现信号的断开与连接，从而实现了传感器3的数据信号与离心机的数据采集接口2相连，进行数据采集。每个传感器3通过输入插头9与对应两开两闭模拟开关11的控制脚连接；输入插头9的每个kf2edgk-3.81-2p插头仅与一个传感器3信号连接，若全部接满，每个多通道选择控制器7可以连接48个传感器信号，六个多通道选择控制器7最多可连接288个信号。数据采集系统供电电压为15v，采集的电压信号为-5v～5v、电流信号为4～20ma、应变标准电阻为120ω或350ω，经测试每个两开两闭模拟开关11的接通电阻<50mω，对电压型/电流型/应变型传感器的信号无影响。如图10、11，无线远控箱5包括控制模块选择开关、测量通道选择开关，控制模块选择开关的数量与多通道选择控制器7的数量相同，用于控制对应多通道选择控制器7的启闭；测量通道选择开关的数量与两开两闭模拟开关11的数量相同，用于控制对应两开两闭模拟开关11的通断。本实用新型无线远控箱5通过发送和接收无线数传电台信号，实现将所需传感器采集的信号传输，并接收多通道选择装置4操作后反馈回来的信号，从而完成无线操控多通道选择装置4，实现了在离心试验中(不停机)对多通道选择装置4远程操作。无线远控箱5内的无线数传电台与多通道选择装置4内的单片机13无线通讯(不受离心机本体钢结构、离心试验旋转、实验室外部其他电磁信号等影响)，无线数传电台型号为jzx878或e32-dtu433l30，com1单片机将目标工作状态转指令通过无线数传电台传送给多通道选择装置4，使其对应的多通道选择控制器7进行工作；开关电源irs-50-12为com1单片机供电。图8中sn65lbc184d用于使用rs485信号线给单片机13写程序，l7805cd2t是一个稳压器，图9中x1-x14表示输入输出的kf2edgk-3.81-2p插头。本实用新型实施例土工离心机的不停机数据采集信号多通道选择装置的工作过程：以某一个输出插头8中的通道编号a信号选择为例介绍多通道选择控制器7进行信号选择工作过程，其他通道编号(b～h)的工程流程与通道编号a是一致的。信号线缆连接：(1)6个传感器3的信号接入通道编号a对应的第1组输入插头9(6个kf2edgk-3.81-2p插头，编号为a1～a6)；(2)输出插头8的通道编号a的kf2edgk-3.81-2p插头与离心机的数据采集接口2中的一个航空插头(电压/电流/应变数据采集接口)连接；(3)多通道选择控制器7通过自主研发的电路板(如图4所示)将第1组输入插头9(12芯插头)按规定的“+”、“-”(如左+右-)分别与第1组6个hrs2h-s-dc12v-n两开两闭模拟开关11(k1～k6)的进侧连接，并将两开两闭模拟开关11出侧的“+”、“-”并联在一起与输出插头8通道编号a的kf2edgk-3.81-2p插头连接。多通道选择控制器7自主研发的电路板的内部电路将单片机13、8选1模拟开关12分别与6个两开两闭模拟开关11(k1～k6)的控制脚连接在一起。此时，仅实现了传感器至数采系统的信号线缆硬件连接。设备连接：1.多通道选择装置4的开关电源4-1和通讯插头4-2设在箱体的侧面。通讯插头连接:1：电源+；2：电源-；3：rs485+；4：rs485-；5：空脚。通讯插头内连多通道选择控制器7的rs485通讯插头，外接无线数传电台。2.多通道选择装置m1～m6模块各自的传感器输入端为a1～a6、b1～b6、c1～c6、d1～d6、e1～e6、f1～f6、g1～g6和h1～h6，对应的输出端为a、b、c、d、e、f、g和h。对于同一次测量的传感器应选择连接同一个数字的传感器输入端口，如：a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2和h2。无线远控箱5控制：由于离心机试验过程始终围绕中心轴旋转运动的(不停机)，且现有离心机线缆通道已全部用完，无预留通道，致使无法通过有线的方法对多通道选择装置4进行控制，只能选取无线方式进行控制信号传输与接收。本实用新型自主研发了无线远控箱5，如图10所示，其设有“控制模块选择”开关、“测量通道选择”开关、“电源”指示灯、“传送”指示灯和“启动切换”按钮。控制模块选择开关的m1～m6可以是多选项的，向“上”为选择，向“下”为关闭；测量通道选择开关为机械开关，只能单选，为避免试验过程中误操作，将2个或多个开关朝上而引发内部程序混乱，使多通道选择装置4死机，造成信号无法采集，故设定多选时以数字大的为准，向“上”为选择，向“下”为关闭；所有连接在多通道选择装置上的传感器都没有跟采集系统相连，形成了断路，无信号反馈，只有进行“测量通道选择”，其对应的通道接通，传感器的信号才能被采集系统采集到。“传送”指示灯在传送切换指令时闪动，传送故障时常亮。1.接通多通道选择装置4电源，选择装置所有通道均处于断开状态，电源灯闪动。2.接通无线远控箱5电源，绿色电源灯闪动。3.选择控制模块m1～m6(可以是多选项)，选择测量通道1-6中的一个；4.按下“启动切换”，“传送”指示灯闪动，当“传送”指示灯完全熄灭后切换操作完成。5.如果“传送”指示灯常亮，说明传送故障，可再次按下“启动切换”按钮操作一次。6.对于未选择的模块，切换操作后，模块的所有通道均处于关闭状态。表1操作指令序号发送命令返回备注1xx1000640001020000crcxx1000640001crc关闭所有通道2xx1000640001020001crcxx1000640001crc开通1通道3xx1000640001020002crc001xx1000640001crc开通2通道4xx1000640001020003crcxx1000640001crc开通3通道5xx1000640001020004crcxx1000640001crc开通4通道6xx1000640001020005crcxx1000640001crc开通5通道7xx1000640001020006crcxx1000640001crc开通6通道8xx90yycrc指令错误注：1、xx为转换单元id地址(m1～m6)；2、crc通讯数据校验码；3、yy为第8条中的异常码(01～04)。例如：对应变片的测量中，在同一个模块的h1～h6上连接不同的电阻，预先对h1～h6上的电阻进行采集并记录。在实际的测量中，h1～h6上的数据可以作为通道选择操作步骤的核准。信号控制与采集：单片机13接收无线远控箱5的控制命令，将控制命令转化为二进制信号指令，并发出二进制信号指令给模拟开关12，模拟开关12的对应针脚通电，从而指令对应的两开两闭模拟开关11控制脚接电，使得对应的两开两闭模拟开关11闭合，从而实现某一个传感器3信号的连接，再通过现有的数据采集服务器1实现对某个传感器3的信号采集、存储、显示。单片机13再依次发送剩余5个指令，依次完成对应传感器3信号连接，从而实现第1组6个传感器信号采集、存储、显示。具体如下：如无线远控箱5发送命令“xx1000640001020001crc”，单片机13将“xx1000640001020001crc”转化为二进制信号指令“000”，单片机13发出二进制信号指令“000”代表接通a1，此时8选1模拟开关12的1#针脚通电，对两开两闭模拟开关11的k1开关的控制脚供电，k1开关闭合使得输入插头9中的a1插头与输出插头8中的a插头实现了物理连接，而与输出插头8中的a插头相连的其余开关(k2～k6)未供电，均处于断开状态，对输出插头8的a插头的信号不产生影响，从而使得数据采集服务器1可实现对a1插头连接的传感器的信号采集、存储、显示。依次选择其余测量通道，通过单片机13依次发出二进制信号指令001、010、011、100、101代表接通插在输入插头9上的a2、a3、a4、a5、a6传感器，8选1模拟开关12依次对两开两闭模拟开关11的k2、k3、k4、k5、k6的控制脚供电，使得k2、k3、k4、k5、k6开关闭合，实现了插在输入插头9中的a2、a3、a4、a5、a6传感器分别与输出插头8中的a插头的信号连接，采用现有的数据采集服务器1就可依次实现对与a2、a3、a4、a5、a6插头连接的所有传感器的信号采集、存储、显示。每个多通道选择控制器7中的1～6路开关以同步切换，每个信号指令发出均可接通8个传感器3，例如，输入插头9的a1～a6、b1～b6、c1～c6、d1～d6、e1～e6、f1～f6、g1～g6和h1～h6端分别连接对应的传感器3，若“000”指令发出，代表选择采集第1路传感器时，输入插头9的a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、h1端通过两开两闭模拟开关11的k1开关控制脚供电，分别与输出插头8的a、b、c、d、e、f、g、h插头实现信号连接，为清楚观察多通道选择控制器7的工作情况，此时发光二极管10的1号灯常亮。以此类推，若“001”指令发出，代表选择采集第2路传感器时，输入插头9的a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2端通过两开两闭模拟开关11的k2开关控制脚供电，分别与输出插头8的a、b、c、d、e、f、g、h插头实现信号连接，此时多通道选择控制器7上的发光二极管10的2号灯常亮。本实用新型的数据信号采集传输仍采用离心机自带的数据采集系统，传感器与采集端中间增加多通道选择装置，通过屏蔽电缆建立现有数据采集系统与多组电压型、电流型、应变型传感器之间的连接。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。当前第1页12