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[原位测试]关于十字板剪切试验精度的讨论 [复制链接]

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离线zzt2001

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只看该作者 12楼 发表于: 2015-07-09

探头在标准扭矩为1.970Nm,环境温度变化8.3℃条件下的静态测试结果:上方图中左侧坐标细曲线(蓝色)代表输出的扭矩AD值,右侧坐标粗曲线(红色)和代表换算的扭矩值,下方图中为温度变化过程曲线。从图中可以看到,测量曲线呈规律性变化,随机干扰(电路噪声)幅度小,曲线漂移幅度小,在大约1.8小时测量时间内,环境温差变化为30.56-22.25=8.3℃,实际测量扭矩的最大绝对误差范围为(1.974 - 1.970/ 1.970 = 0.2% ~1.986 - 1.970/ 1.970 = 0.8%,温度恒定时测量误差会减小。



离线zzt2001

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只看该作者 13楼 发表于: 2015-07-09
能甩掉电线应该是最受欢迎的,那条线非常讨厌。
现在市场上也有这种无线产品,采用红外线、超声波或者无线电波传送,不过价格贵的惊人。这个实现难度有点大,成本会大幅增加哦。
离线zzt2001

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只看该作者 14楼 发表于: 2015-07-09
虽然改进的探头也要用电线,但是与原有探头比较,电线所起的作用有本质差别:原来的电线连接在应变电桥和仪器之间,是测量信号系统的一部分,此时测量系统是开放型系统,容易被干扰。而改进后的电线,只是供电和传输数字化的测量结果,测量核心系统被密封成封闭型系统,不容易被干扰。
改进之后对电线的要求大幅降低了。可以不使用屏蔽电缆改用普通电缆,破皮进水也不会影响到精度,电线最大长度可以增加到百米都行。
以后要能在探头上方加电池供电,采用无线传输就可以彻底甩掉电线。但是因为无线电波在地下或钻杆中传播的衰减极大,通讯距离和可靠性是很大的考验。
离线zzt2001

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只看该作者 15楼 发表于: 2015-07-11
经常做静力触探和十字板试验的人都知道,电缆用久了里面的铜芯有可能会发黑。这是什么原因呢?因为电缆破皮损伤或者接头包扎不良,含盐量高的地下水透过防护层进入铜芯内,长期作用形成原电池反应,造成对铜芯的腐蚀而发黑。遇到这种情况,必须立即更换电缆。因为这种铜芯已发黑的电缆说明内部已经构成了严重的原电池反应,不允许继续使用,它会引起严重的测量干扰(巨大的零飘)。导致测量结果严重失真。
分析如下:假设十字板探头的满量程为150kPa,满量程输出灵敏度为2mV/V,供电电压5V时,满量程输出为2*5=10mV,其测试淤泥时的有效输出信号仅有1-2mV量级(淤泥强度约20-30kPa)。
如果在电缆内部形成了原电池腐蚀,原电池峰值感应电位可高达1V左右,当电缆晃动和扭转以及防水性能变化时,该感应电压将更加不稳定。可以肯定如此巨大幅度的干扰信号将会完全淹没有效信号,使得测量无法继续进行下去。
综上所述,我们可以获得一条有益的经验:在常规十字板剪切试验中,如果发现所用的电缆铜芯发黑时,必须立即予以更换。在实际应用中,很多测试人员都会忽视这一点,这可能是导致测量误差过大的首要原因。

本贴所提到的改进的数字化探头是不需要考虑这种情况的。因为电缆已经不再传输模拟测量信号而是传输数字化的测量结果数据了。
离线zzt2001

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只看该作者 16楼 发表于: 2015-07-11
10楼的bluehaze网友很有经验,说的太对了,赞一个!!!
离线zzt2001

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只看该作者 17楼 发表于: 2015-07-14
等现场验证试验完成后,到时会将数据贴出来,进行对比分析,看试验精度跟现有仪器有多大提高。
如果试验成功的话,就可以推广应用了。到时把十字板试验数据采集和处理程序也贴出来,供大家免费使用。
离线zzt2001

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只看该作者 18楼 发表于: 2015-07-23
研制的十字板剪切测量仪样机,由USB接口、电缆、数字化测量配件(包括一节长约20CM的钻杆)、常规十字板探头四部分组成。
配合测量软件和笔记本电脑组成数据自动采集和测试系统,可实时测量地下温度和淤泥抗剪强度。
仪器分辨率:温度为0.1度,抗剪强度为0.001kPa;正常情况下测量准确度:温度为0.5度,抗剪强度为0.01kPa。
数据处理由软件自动进行,现场测量结束即可生成试验报告。











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只看该作者 19楼 发表于: 2015-07-28
我们单位有无绳静力触探设备,是利用声波传输测试信号的,瑞士一家公司产的。试验确实可以提高工作效率,但是试验本身与其他机械相互配合较难,试验数据的输出以及设备的维修养护也是个大问题,希望你研制出来的无绳十字板可以避免这些问题。加油
离线zzt2001

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只看该作者 20楼 发表于: 2015-07-29
whut王汉武网友您好,目前十字板剪切探头改进还是基于有线的,通过数字化一体化封装大幅度降低干扰提高测量精度。您的建议我会在进一步的改进中考虑,您说的声波是指超声波吗?谢谢。
离线issn04510712

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只看该作者 21楼 发表于: 2015-07-30
谢谢楼主!学习啦。
离线zzt2001

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只看该作者 22楼 发表于: 2015-08-28
关于最小二乘法多项式拟合函数的温度补偿的说明:
在传感器应变测量系统中,由于放大采样电路和测量敏感元件的物理特性并非理想,不可避免地引入了非线性,同时温度变化通过引起弹性体热胀冷缩变形和改变测量电路工作状态等途径耦合到测量系统内,使输出与输入关系变得复杂。在实际应用中,可以通过硬件补偿和软件补偿两种不同的办法消除这些影响。
硬件补偿通常是在传感器应变电桥的桥臂上串联合适温度系数电阻或并联合适阻值电阻,这需要在生产过程中对每一个传感器增加选择、调试、焊接等工艺流程,费工费时效率低,其补偿效果也很有限;而软件补偿方法则需要首先建立适当的考虑温度和非线性影响的传感器数学模型,同时在测量电路中增加一路温度监测传感器,获取实时环境温度值,根据传感器出厂前校准时获得的实测数据,拟合出数学模型的特征参数,在根据方程反函数计算估计输入荷载大小,达到实时自动补偿的目的,软件方法的通用性强,成本低效率高,补偿效果很理想。
将温度T和荷载P视为输入荷载,输出的电压信号为Upt。则输出的电压信号可表示为Upt=αt+βt*P+γt*P^2+…多项式形式,式中αt、βt、γt为与温度有关的系数,非线性温度系数也可以表示成多项式形式,如αt=α0+α1*T+α2*T^2+…。当荷载为线性关系时,可保留常数项和一次项忽略高次项,即Upt=αt+βt*P,其中αt为零点温度系数,βt为比例温度系数。当荷载为非线性关系时,可表示为抛物线函数Upt=αt+βt*P+γt*P^2,其中αt为零点温度系数,βt为比例温度系数,γt为二次温度系数。通常按上述的抛物线模型就可以模拟绝大多数传感器。
对于荷载特性为非线性、温度特性也为非线性的传感器,假定其数学模型为:Upt=αt+βt*P+γt*P^2=a0+a1*T+a2*T^2+a3*P+a4*T*P+a5*T^2*P+ a6*P^2+a7*T*P^2+a8*T^2*P^2。通过实测不少于9组校准数据(P,T,Upt),建立最小二乘法线性回归方程组,即可求出该模型的系数a0~a8。在实时测量时,先根据实测温度值T计算出系数αt、βt、γt,再根据实测荷载值Upt,按照一元二次方程的求根公式,计算出P=(-βt +sqr(βt ^2-4*γt* (αt-Upt)))/(2*γt),即推算出经温度和非线性补偿的荷载值,对温度和非线性进行了一定程度的补偿和改善,得到较理想的线性输出效果,提高了测量精度和稳定性。下图为经补偿后的测量结果曲线,可以看出原始输出AD值(蓝色)受温度变化影响非常明显,而经补偿后的结果(红色)受温度变化影响已明显改善:


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只看该作者 23楼 发表于: 2016-07-14
一年过去了不知这位朋友的改造仪器完成怎样了?多发帖子交流学习
有些岁月过去了就不会再重来;有些故事结束了就不会再开始;有些人走了就不会再回来
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