真三轴仪测控系统研究

　　真三轴仪能够在土样上独立地施加三向不等的主应力,并能够测量3个方向的主应变,模拟土体在真实应力状态下的强度和变化规律,是研究土的本构关 系的理想仪器[1].真三轴仪是基于刚柔混合施加三向应力的.小主应力由外界提供的氮气加压,中主应力由压力腔供给,大主应力由竖立刚性板施加的真三轴 仪.通过系统能够实时测量试样所受的压力大小、孔隙气压、水压以及体积的变化,并通过对电机进行闭环控制,调整其对试样施加压力以满足实验要求[2].本 文讨论真三轴仪的测控系统,主要研究测控系统的检测系统、数据采集及加载系统及软件系统.

　　1　系统原理

　　真三轴仪可以对试样进行饱和实验、固结实验、应变实验(等应力路径控制及等应变控制),以及平面应变实验等.这些实验是基于对试样的外形变化、 体积变化、内部的压力变化及表面受力变化等检测实现的.打开氮气阀门使具有一定压力的氮气给试样施加一定的持续压力,按照压力的等级慢慢加压,从而使试样 在实验中受到3个方向的压缩后产生变形(图1).对试样这些参数的采集和分析,需要传感器分别测量试样的3个面上的位移,采集试样的变形量.对试样轴向和 水平2个方向加压或者减压是通过控制步进电机实现的,这2个方向的步进电机带动滚珠丝杠将旋转运动转换成直线运动,通过固定在丝杠上的加载板来实现对试样 的间接加载轴向力和水平力[3].测量试样受的力,采用荷重传感器.采集试样的孔隙水压、孔隙气压采用压力传感器.试样的体积变化,是通过测量试样体积变 化而溢出的水的压力差间接测水的体积而得到的.传感器输出的信号量经过信号调理,A/D转换进入PC机,根据设定的实验程序,发出脉冲控制电机运行,同时 进行数据采集,完成具体的土木实验.系统框图如图2所示.

　　2　系统硬件

　　2.1　信号检测系统

　　根据系统的功能,需选择位移传感器、压力传感器以及荷重传感器[4].

　　2.1.1　位移传感器

　　采用6个位移传感器,分别测量试样的6个面上的位移.其中:上下面的变形最大,用量程为20 mm的传感器;其余面上用量程为10 mm的传感器,位移传感器输出的信号量程0~5V.

　　2.1.2　压力和差压传感器

　　根据实验的要求,试样受到的反压力σb,0~500 kPa;孔隙水压力Uw,0~600 kPa;试样排水体积V,0~25 cm3.需要压力传感器的分辨率均为1 kPa,体变传感器精确到0.5%.另采用一个差压传感器间接测量在实验过程中试样的体积变化,测其试样的体变,其精度要求0.3%,传感器输出电压范围 为0~5 V的传感器.

　　2.1.3　用于检测系统施加主应力(F1,F2 )的传感器是荷重传感器