一种岩石力学参数自动测试系统的研制

文章编号:0253-9993(2001)02-0145-04一种岩石力学参数自动测试系统的研制祝方才,潘长良,曹　平,谢学斌(中南大学岳麓校区采矿与岩土工程研究所,湖南长沙　410083)摘　要:针对实验室现有力学仪器自动化程度较低的缺点,在现有设备的基础上,用Delphi 语言开发了基于WINDOWS95环境下的岩石力学参数自动测试系统,该系统可自动标注坐标轴,采用线性插值法对选定的应力应变曲线自动或半自动计算弹性模量和泊松比.系统采用汉化菜单引导各功能模块和显示信息,较好地克服了DOS 下采集系统存在的界面不太友好,参数输入形式单一等缺点,使用方便,根据需要可对系统升级,实际运行效果较为理想.关键词:岩石力学;人机接口;弹性模量;泊松比中图分类号:TD311 文献标识码:A收稿日期:2000-11-03 随着信息技术的发展,计算机在岩石力学参数的测试方面发挥着越来越大的作用,相应的数据采集与计算机控制系统陆续开发出来[1,2].但是常见的测试系统均在MS -DOS 环境下开发,由于DOS 系统开发的人机界面不够友好,并且为此耗费了大量的时间和精力,鉴于目前WINDOWS 的普及性,充分利用WINDOWS 的资源,开发基于WINDOWS 的数据采集系统不失为一个好的选择.Delphi 是一种优秀的快速开发工具,其内嵌的汇编器便于直接对端口进行操作,因此比较适合开发数据采集系统,因此程序语言选用Delphi 510.目前大多数岩石力学试验室都配置了常见的力学参数测试仪器,如(超)动态应变仪、静态应变仪、函数记录仪、示波器、位移测试仪器等.随着试验室现代化的进行,目前新购的此类仪器都配有计算机接口,或为机电一体化产品.对这类旧仪器的改造亟待解决的问题是与计算机接口,发挥计算机存储量大,易于保存及处理等优点.图2　系统功能模块Fig 12　Function model of CA T试件→传感器11荷载21应变31位移→PC6310D A/D 板→计算机→磁　盘→打印机图1　岩石力学参数采集系统Fig 11　System of CA T for rock mechanics1　实验系统设计(1)硬件及其配置 根据性价比,选用PC6310D A/D 卡,主要参数:输入通道数为32路(单端),16路(双端);输入信号范围为0～10V ,-5～5V ;A/D分辨率为12位;A/D 转换速率为10μs ;A/D 非线性误差为±1L SB ;内部可实现硬件增益1,2,5,10倍.口地址可通过拨码开关设置.(2)测量系统如图1所示.2　软件设计 系统采用模块化设计,以便进一步开发时减少工作量.软件分为主控模块和子模块,程序结构如图2所示.　第26卷第2期煤 炭 学 报Vol.26　No.2 2001年4月J OU RNAL OF CHINA COAL SOCIET Y Apr.　2001　 主控模块以主菜单的方式调用各功能模块,考虑到使用上的方便,常用的功能设置了相应的快捷键.(1)系统参数设置　系统参数包括采样数据量程、标定数据量程、坐标轴绘图设置,为频谱分析的方便,还配备了快速傅里叶变换(FF T ),在标定和采样时根据实际参数的大小设置这些参数.(2)端口读数方式的选择　生产厂家提供了两种采样方式,一种是直接从端口读数(DOS 模式),可以用Delphi 自带的汇编器编制;另一种是调用动态链接库DLL (Windows 模式),本文采用后一种方式.(3)采样数据的标度变换　采出的电压量与实际物理量有一个转换关系.通常传感器在其量程范围内,理想情况下,被测量与输出量呈线性关系,但由于外界干扰如电压波动或附近有功率较大电气设备的启、停、运行等因素,都会造成实际值与电压值呈现出局部波动的统计线性关系.为降低干扰,采取重复标定多个数据点,然后进行线性回归的方法取得每个物理量的标定值,这样基本消除了干扰信号的影响.(4)数据的采集　为适应各种具体的采样要求,可设置合适的采样参数,其中包括:采样间隔、采样开始条件、采样数据的实时滤波.其中采样开始条件以某一通道的增量达到给定数值后系统才开始记录,根据干扰信号的强弱,可选用不同的滑动滤波点数进行滑动平均.系统根据实时绘图的要求,可以任意通道组合绘图,并可绘制时域曲线,绘图曲线的形状和颜色可由用户选择.为防止数据的丢失,系统采用同步采样写入文件的方式,为此开辟了一个数据存储缓冲区,缓冲区满后写入文件,而后清空缓冲区重新开始写缓冲区,减少了硬盘读写次数,在要求采样速度较快的情况下,可以设置较小的采样间隔和较大的缓冲区.(5)数据的处理及绘图　采样得出的数据可根据需要,进行数据转换和重新采样,可有效地减小数据存储量.对于给定的数据文件,可以组合绘图,并可进行滑动滤波. 岩石单轴压缩试验中经常需要计算弹性模量和泊松比两个岩石力学特性参数,为方便起见,系统专门开辟了计算菜单,可输入试样尺寸,自动或半自动计算这两个参数,系统在主菜单上设置了手形开关以确定计算方式,计算区间可任意定义.当采用自动计算方式时,光标限制在纵坐标指定的范围进行计算.通过选择两个不同点对应的实际值自行求出,半自动则需输入像素位置计算.由于实际的采样数据是离散的,屏幕上的像素点与实际数据没有一一对应的关系,因此计算时应将光标所在位置转化为实际值,采用的方法是线性插值.采集程序的主要功能:①采样通道任选;②实时采样,实时滤波;③随时中断和恢复采样;④任意通道时域曲线绘制;⑤任意通道组合绘图,并可对坐标轴及数据进行截取绘图,图形保存为bmp 文件,便于进一步处理;⑥可自定义计算区间,自动或半自动计算弹性模量和泊松比.图3　粉砂岩应力-应变及应力-时域曲线Fig 13　Stress 2strain curve and stress 2time curve of sandstone3　实 例 该系统经近1a 的实际应用,取得了较好的效果,在实验室内进行了岩石相似材料、岩石试件弹性模量和泊松比的测定,并与我校测试中心力学室INSTRON 试验机的测试结果进行了对比,反映了该系统的实用性. 图3为粉砂岩(50mm ×50mm ×100mm )载荷-位移和应力-时域曲线.试验在红山试验机厂生产的YE -200A 普通试验机上进行,试验机最大载荷2MN ,由图3可以发现,在普通试验机上可以作出I 类岩石的载荷-位移曲线全图,弹性模量计算采用直接输入坐标点或通过作图开关在载荷-位移曲线上取两不同点,系统经过换算,计算得弹性模量E =1192GPa. 图4为在我校测试中心测得的某矿一种坚硬岩石的应力-应变曲线,并与INSTRON 试验机测得的曲线进行了对比(加载速率01003mm/s ).641煤 炭 学 报2001年第26卷图4　所研制的测试系统和INSTRON 试验机测试结果的对比Fig 14　Testing results of CA T and INSTRON(a )本系统测试的应力-应变曲线;(b )本系统测试的应力-时域曲线;(c )INSTRON 测试的应力-应变曲线INSTRON 试验机是我校80年代从国外引进的先进电液伺服控制试验机,有两种型号:1342和1346型,可实现动、静态加载,静态加载最大载荷分别为250kN 和1MN ,加载控制方式有3种:位置控制、应变控制和载荷控制.图4(a ),(b )是由荷载传感器与应变片测得的,图4(c )是INSTRON 记录的曲线,具有岩爆倾向的岩石大多具有Ⅱ类岩石的破坏特征,破坏猛烈,很难测得全应力-应变曲线.由于在接近峰值时应变突然变小接近0,没能测出后区曲线,事后发现,应变片所在位置一小片岩块崩落.图4(a )仅得出了峰值以前的部分,同时发现,INSTRON 试验机自带的记录仪也没能完整地测得岩石全应力-应变曲线. 在岩石载荷-位移测试中,需注意以下2点:(1)在岩石的载荷-位移曲线,由于加载过程中荷载传感器和垫块均有一定程度的变形,测得的荷载-位移曲线应去掉这两者的变形.图4(a )中应变是三者变形的叠加而换算出来的,与INSTRON 试验机自行绘制的曲线尚存在一定的误差.具体原因可能有两点:由于应变片的粘贴质量和岩石变形的不均匀性造成测试误差;荷载传感器和垫块变形计算的误差以及应变片标定误差.(2)笔者经过多次试验发现,用应变片测试岩石变形时,由于岩石是一种非均匀介质,在接近峰值载荷时,应变片可能会随岩片一起从试样上崩落,也可能由于裂隙的形成使应变片失效,或由于变形的局部化,造成变形测量的不准确,用应变片测试岩石破坏全过程变形是不合适的,直接测量岩石加载过程中的位移是一种较好的解决方法,因此推荐采用测量位移的方式来测试岩石的载荷-位移曲线.4　结 语 笔者开发的系统在人机接口、通道标定、数据采集、数据处理方面较之DOS 下CA T 系统有较大的改进,在普通试验机上作出了岩石全应力-应变曲线,能自动或半自动计算岩石弹性模量或泊松比.当然,本系统还存在一定的局限性,在计算弹性模量和泊松比时,如果数据文件数据点过少,采用线性插值方式会存在较大的误差(实际采样数据文件数据点较多,一般不会出现这种情况),滤波方式较为单一(采用滑动平均)等缺点,因此还需要进一步的工作,形成一套较为完善的测试系统.参考文献:[1]　刘大安,徐纪成,张静宜.高级材料试验机多功能采样与数据处理系统[J ].中南矿冶学院学报,1991,22(增3):101～109.[2]　夏才初,陆益鸣,邱柏华,等.材料试验机计算机辅助测试系统开发及应用[J ].岩石力学与工程学报,1998,17(2):188～193.741第2期祝方才等:一种岩石力学参数自动测试系统的研制841煤 炭 学 报2001年第26卷作者简介: 祝方才(1972-),男,湖北公安人,博士生,1994年毕业于中南工业大学采矿工程专业,主要从事岩石力学测试、工程爆破方面的研究工作,发表“岩石声发射技术及在地应力测量中的应用探讨”、“不耦合装药爆破的试验研究”等论文10篇.A computer aided test(CAT)system for rock mechanicsZHU Fang2cai,PAN Chang2liang,CAO Ping,XIE Xue2bin(Mi ni ng and Geotechnics Instit ute,Y uel u School,Cent ral South U niversity,Changsha　410083,Chi na)Abstract:Aiming at the low level of automation of instruments in rock labs,using Delphi,a CA T program running on Windows95is developed,which can label coordinates automatically,and through linear insert,cal2 culate elastic modulus and possionπs ratio automatically or semi2automatically on selected curves.Transfering of various function models and showing of information are carried by menus in Chinese,overcoming shortcomings of CA T running on DOS,such as not so good user interface,odd style of input parameters.If necessary,it can be upgraded1The program is practical.K ey w ords:rock mechanics;user interface;elastic modulus;possionπs ratio2002’采矿科学与安全技术国际学术会议 由焦作工学院、中国煤炭学会和中国劳动保护科学技术学会共同主办,日本室兰工业大学、波兰西里西亚大学、乌克兰顿涅茨克工业大学、法国里尔联合大学、韩国东新大学、澳大利亚中吉普斯兰理工学院、国际职业安全与人机工程杂志(JOSE,波兰)协办的2002’采矿科学与安全技术国际学术会议定于2002年4月16～18日在河南焦作举行. 会议主题:21世纪的采矿科学与安全技术 征稿内容:①采矿科学、安全技术理论体系探讨;采矿科学理论与安全技术发展的过去、现在与未来.②采矿科学的理论与工程实践(采矿方法、岩石力学、露天开采、矿山压力与顶板控制、“三下”采煤技术、采动影响与地表沉陷、矿山爆破与巷道工程、矿山系统工程、矿山管理与经济、矿物加工利用、采矿机械与电气等).③安全技术及工程(瓦斯突出与爆炸、瓦斯地质、矿井火灾、通风与防尘、安全监测与仪表、安全系统工程及安全人机工程、安全管理信息系统等).④计算机在矿山中的应用.⑤采矿科学、安全技术与劳动、环境、减灾及可持续发展等方面的交叉与综合. 稿件要求:请作者于2001年5月1日前先提交中英文摘要,文字力求简练,内容应具有科学性、先进性,并未在正式出版物上发表过;同时请提供一个200字左右的作者简介(中文即可),并注意年龄、职称、详细通讯地址、电话、传真、E-mail等. 会议语言为英语,论文集在会议前由出版社正式出版.作者需交论文版面费800元,超过6页的,每页再交100元.版面费在论文录用后交,不交版面费的论文将不在论文集中发表.会议注册费600元(交版面费者400元).计划参加会议者,请通知会议秘书处,以便秘书处对会议规模、程序等事项进行安排.会议秘书处设在焦作工学院资源与材料工程系. 联系地址:焦作工学院资源与材料工程系,河南省焦作市解放中路142号(454000) 联系人:周　英,景国勋,张传祥 联系电话:(0391)2930523　2923891-452 传真:(0391)2923355 E-mail:ismast@jzit1edu1cn 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