專利名稱：便攜式巖石試驗實時檢測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于為研究巖石力學與工程設計提供試驗數據的巖石試驗設備技術領域。
在水工建筑物設計及工程地質評價等工作中需了解現場巖塊和巖體的基本物理力學性質，研究在水工建筑物荷載作用下基巖或圍巖的工程性狀及其破壞機制。現場對巖體結構面、混凝土與基巖之間的抗剪強度及巖體變形的性質的測試是工程設計的重要內容。近年來，檢測手段逐步更新，擺脫了原始的人工測讀、手算的落后方式，將計算機技術引入了巖石試驗，從而大大提高了檢測精度，減輕了工人勞動強度、提高了工作效率。長江科學院研制的“巖體剪切試驗數據采集處理設備”是較有代表性的，并已用于現場的巖石試驗。該設備由數據采集和數據處理兩大部分組成，如
圖1所示。其中，數據采集部分是由傳感器、放大器、變送器及采集箱組成。現場使用由蓄電池供電。數據處理部分由CPC－464個人計算機和一臺CE－515P繪圖打印機組成，放置在遠離試驗基地，有交流供電的地方。當現場試驗結束后，將采集到的數據通過通訊接口傳送到CPC－464個人計算機中進行數據計算整理。數據處理程序用BASIC語言存貯在盒式磁帶內，每次處理數據前需裝入CPC－464內，數據處理結束后，由繪圖打印機繪出有關試驗曲線。
可以看出，上述設備系統實際上是一個二級分布式多微機系統，不能現場進行實時處理數據，使用不方便。
本實用新型的目的是為了更好地滿足現場測試要求，達到在現場數據實時采集、實時處理，進一步提高工作效率。
為此，本實用新型設計出一種便攜式巖石試驗實時檢測議。它由傳感器、檢測儀主機和打印繪圖機組成。檢測儀主機的核心部分是CPU主機板。它是由8098單片機及相應的接口電路所組成。8098單片機是美國INTEL公司1988年推出的最新產品，它集A／D轉換，高速I／O口，串行通訊口等于一超大規模集成電路芯片。使得儀器的硬件結構大大簡化。相應的接口電路，包括8098單片機與打印繪圖機接口；鍵盤顯示板接口以及多通道高速輸入接口。本檢測儀使用的傳感器包括多組位移傳感器和兩組壓力傳感器。多組位移傳感器是通過多通道高速輸入接口與單片機高速I／O口連接。壓力傳感器直接與單片機A／D口連接，沒有中間放大及轉換環節，連接極簡單方便。該檢測儀可置于測試現場，由便攜式交流發電機或直流供電。其傳感器放置在巖體所測部位，采集巖體的由于位移及壓力變化所得到的信號。試驗過程參數及運行方式通過顯示器顯示出來，所需的驗試數據表格及各種試驗曲線可隨時由打印繪圖機打印。程序采用P／LM－96高級語言編寫，載機試驗程序32K(ROM)，試驗數據2K(RAM)，表格數據2K(E2ROM)，全部程序是模塊化結構，包括初始化模塊，自檢模塊、輸入模塊，試驗模塊、打印繪圖模塊。
采用本實用新型進行巖體試驗，可使試驗人員在試驗現場就能準確而及時掌握試驗過程和試驗結果，能及時作出分析判斷，大大提高了工效。
附圖筒要說明圖1為已有技術總體結構示意框圖。
圖2為本實用新型總體結構框圖。
圖3為本實用新型實施例主機板配置圖。
圖4為本實用新型實施例顯示鍵盤板接線框圖。
圖5為本實用新型實施例箱體前面板配置圖。
圖6為本實用新型實施例箱體后面板配置圖。
圖7為巖石試驗流程圖。
本實用新型的一種最佳實施例如圖2～7所示，現結合各附圖詳細描述如下圖2為實施例總體結構框圖。它由數據采集部件、數據處理部件及數據顯示、輸出部件所組成。數據采集部件包括位移傳感器和壓力傳感器，其中位移傳感器采用8個BWG系列電感調頻式位移傳感器，它能把機械量位移變換成電脈沖信號，無需A／D轉換器，直接通過多通道高速輸入接口與數據處理部件I／O口連接，壓力傳感器采用2個AKC2－61系列壓力傳感器，它將信號的測量、及放大部件封裝為一體，其輸出端直接與數據處理部件的A／D轉換通道連接。數據處理部件采用美國INTEL公司生產的準十六位8098單片機，及專門設計的接口電路組成的CPU主機板，數據顯示，輸出部件包括顯示鍵盤板及一臺CE－515P繪圖打印機。它們分別通過接口與主機板連接。該儀器電源由220V交流變直流5V和12V供電，其中12V為壓力傳感器精密電源，5V為儀器用直流穩壓電源。
CPU主機板詳細配置如圖3所示，其中虛線框內部是8098單片機，它由寄存器文件，算術邏輯單元、時鐘、存儲器控制器、A／D轉換器、高速輸入輸出口等部件組成。主頻為12MHZ，A／D轉換有四路，分辨率為10位，轉換時間22μS，快速輸入和快速輸出口各四路，分辨率500KHZ。設有20個中斷源。虛線框外是專為本實用新型所設計的接口電路，包括譯碼器、顯示鍵盤接口8279，打印機接口8255，74LS373鎖存器，74LS251多路轉換器，A／D參考電源等。其中，譯碼電路采用了可編程邏輯器件GAL16V8，它可以通過靈活的編程實現各種邏輯組合。顯示鍵盤接口8279是專用于顯示器和鍵盤的可編程I／O器件，其功能有兩個其一，接收來自鍵盤的輸入數據，其二，管理顯示數據。打印機接口8255是一個可編程的并行I／O接口，用于實現單片機與打印機的數據傳送。它有三個端口，其中A口用作數據口，C口為控制口，B口備用。74LS373鎖存器是用來解決多重數據總線的分時問題。74LS251多路轉換器的作用是將位移傳感器八路信號分時接入8098的高速輸入端口HSI0，HSI10A／D參考電源是單片機A／D轉換器的專用電源。
顯示鍵盤板接線框圖如圖4所示，其中兩個譯碼器是實現顯示及鍵盤的譯碼，顯示器共18位，2位顯示巖石試驗方式，16位顯示傳感器讀數，以4位為一組，分別顯示垂直壓力，水平壓力，垂直位移，水平位移(位移是四個傳感器的平均值)。鍵盤為4×5陣列，掃描SL0～SL3經譯碼后與回送線RL0～RL3一起連至鍵盤。可以工作在中斷方式，也可工作在查詢方式。鍵盤包括0～9數字鍵，例如編輯EDIT，修改CHK，打印PRI，繪圖PAU等14個功能鍵，數字0～3與功能鍵共用。顯示鍵盤板上還有加／卸壓顯示、喇叭，分別由8098的快速輸出口HSO0HSO1HSO2控制。
打印繪圖機選用SHAP－CE515P，8098單片機通過并行接口芯片8255與打印機相連，工作方式采用通常的握手方式，當數據從8255A口送出后，查詢C口的狀態(C4)，當C4有效再送下一數據。
本實施例除傳感器和打印繪圖機外，其余部件全部放置在儀器箱體內。儀器箱體由前面板、后面板、箱體框架組成，前后面板可拆卸。圖5為前面板布置圖，其中1.電源指示燈，當儀器運行時，該燈亮，表示運行狀態。2.為垂直壓力顯示塊，3.垂直位移顯示塊，4.水平壓力顯示塊，5.水平位移顯示塊，它們分別顯示出壓力(kg／cm2)位移(mm)的數值，6.工作方式顯示塊，表示儀器處于何種工作狀態，例如
表示試驗準備狀態，
表示巖石垂直方向加第一級壓力。7.加壓指示燈，8.卸壓指示燈，9.時鐘，外接電子表，由充電電池供電，10.4×5鍵盤，11.快、慢速撥動開關，用于巖石抗剪(斷)試驗的測量過程中，由慢速采樣到快速采樣的轉換。12.手動采樣鍵，用于試驗中某些特殊點需要捕捉而采樣時間還未到，即可按動此鍵，將此時巖石所受的壓力位移值記錄下來。圖6為箱體后面板布置圖，圖中，13.電源開關，14.電源保險，15.單相交流電源插座，16～19水平位移傳感器插座，20～23.垂直位移傳感器插座，24，25.調零撥動開關，26，27.壓力傳感器插座，28，29.調零多圈電位器，30.打印機接口，31，32.備用孔，33，34，35.備用插座。
圖7為巖石試驗流程框圖，詳細描述如下首先初始化。將有關重要的接口芯片如8255，8279，進行初始化，然后進入編輯狀態。EDIT編輯狀態是試驗前準備階段，采用人機對話方式。本儀器有以下幾種編輯方式，如ED4——是傳感器率定表與傳感器物理接口位置的對應表。本儀器傳感器接頭為10個，連接過程中可能接錯，這時只要通過按鍵可將表中的編號進行修改，即可以對應起來。ED5——是K值表。將傳感器的全部率定表存入內存，一般來講傳感器的率定曲線是非線性，如果用一個K值反映，就會在整個量程段產生測量誤差。本系統將傳感器的率定值分成若干段，分別用不同的K值來反映，以減小誤差。ED6——拷貝。是將傳感器表拷貝到E2ROM中去，E2ROM是一種可改寫的只讀存貯器，它吸取了RAM可改寫ROM可永久保留的優點。為防止數據輕易丟掉，拷貝過程是以口令方式進行，從鍵盤輸入××××××口令值，數秒鐘后，即全部拷貝完成。ED7——將E2ROM保存的數據調入內存，當傳感器率定有變化時，此時可修改，再通過ED6拷貝。ED8——修改日期。ED0，ED1——是輸入抗剪(斷)與彈模兩類試驗的試驗參數。它們包括巖石垂直加壓級數，巖石水平加壓級數，采樣間隔等參數，試驗前只有將這些參設定好，儀器才能正常采集數據。自檢包括抗剪(斷)自檢彈模自檢，傳感器自檢，顯示燈、喇叭自檢，傳感器定零點。以上均正常后，按退出鍵，進入試驗狀態。
本流程圖試驗是以抗剪斷為例，抗剪斷分為垂直加壓和水平加壓，首先是垂直加壓，由機器提示發出“嘀……”信號，同時由顯示器上顯示本級應加壓的數值，級與級之間的時間間隔由鍵盤設定，當判斷加到最大垂直壓力時，自動進入判斷巖石垂直位移是否穩定，當連續兩次垂直變形之差＜1％mm時認為穩定，當滿足條件進入水平逐級加壓，(水平加壓與垂直加壓過程相同，直到剪斷)，當加至某一級壓力后，巖石發生較大位移，則下級加壓減半加法，即按下級壓力的50％加壓，當進入臨近剪斷時至關重要！對于巖石剪斷的瞬間變化過程，是工程技術人員極為關心的問題，它是所提供的資料中最有價值的部分，為了確保這一過程準確無誤，不失時機，本儀器采取了三種方法1.手動2.自動3.自動、手動結合。1.試驗前，由鍵盤輸入β0值，當β0＝9999表示手動進入快速檢測，試驗人員根據經驗，判斷巖石即將剪斷，則將快速撥動開關撥向快速(在面板上)，儀器即進入快速采樣。2.β0≠9999表示自動進入快速檢測，判斷 (△τ)/(△u) ＜β0(△τ－壓力，△u－位移)。若滿足條件，則自動進入快速。并將快慢速撥動開關撥向“快速”，表示自動進入有效。3.在2的情況下，試驗人員發現不應進入快速過程時，則可以重新將快慢速撥動開關撥向慢速。表示自動進入無效，同時機器自動高速β0值，使β1＜β0，等待第二次自動進入快速……另外，當β0≠9999時，若機器判斷未進入快速，而操作人員認為已經進入，則操作方式同1。由于采取了以上三種方法，成功地解決了快速過程的數據采集問題。快速過程結束后，巖石發生大位移，這時分兩種情況①當機器判斷大位移超過某一數值(鍵入值)，則按程序設定值進入卸壓段。②人為進入卸壓段，即通過手按按鍵發出卸壓信號，卸壓過程與加壓過程相同。當以上步驟完成后，進入打印輸出階段，打印輸出包括打印數據和繪圖兩項內容。打印數據包括兩類一是原始數據，二是壓縮表格數據。繪圖可繪制u(水平變形)～τ(剪切力)關系圖(包括1～5個巖石試件)，在u～τ關系圖基礎上回歸出δ(垂直壓力)～τ(剪切力)關系圖，彈模試驗繪制P(壓力)～W0(變形)關系圖。在試驗現場情況比較復雜，當出現一組試件中(五個試件為一組)個別試件試驗失敗時，則程序上可以采用人機對話方式選擇1～5個試件中的任一試件繪制圖形。給試驗人員提供了方便。
權利要求1.一種便攜式巖石試驗智能檢測儀，由傳感器、檢測儀主機和打印繪圖機組成，其特征在于所說的檢測儀主機核心采用準十六位單片機，并且設計出相應的CPU主機板和鍵盤顯示板。所說的傳感器包括多組位移傳感器及兩組壓力傳感器，所說多路位移傳感器通過多通道高速輸入接口直接與所說的主機板的高速I/O口連接，所說的壓力傳感器與所說主機板A/D口連接，所說打印繪圖機與所說的主機板的并行I/O口相連接，該檢測儀由便攜式交流發電機轉變成直流供電。
2.如權利要求1所述檢測儀，其特征在于所說位移傳感器采用8個BWG系列的電感調頻式位移傳感器，所說壓力傳感器采用2個將信號的測量、轉換及放大器部件封裝為一體的AKC2－61系列壓力傳感器。
3.如權利要求1或2所述的檢測儀，其特征在于所說的CPU主機板采用8098單片機，包括寄存器元件，算術邏輯單元，時鐘，存儲器控制器，A／D轉換器，高速輸入輸出等部件。所說的接口電路由譯碼器，顯示鍵盤接口8279，打印機接口8255，74LS373鎖存器，74LS251多路轉換器，A／D參考電源等組成。
專利摘要一種便攜式巖石試驗實時檢測儀，屬于巖石試驗設備技術領域。本實用新型由傳感器、準十六位單片機及相應的接口電路構成的CPU主機板，顯示鍵盤板以及打印繪圖機組成。可對巖石試驗的“巖體變形”和“巖體強度”兩類試驗進行現場測試，并能立即顯示數據、打印數據、繪制圖形。該儀器體積小、重量輕、造價低，抗干擾性能強，特別適合水利水電工程的現場使用。
文檔編號G01N27/00GK2075782SQ9022114
公開日1991年4月24日 申請日期1990年9月30日 優先權日1990年9月30日
發明者霍秀英, 何德芬, 眭哲, 謝克 申請人:清華大學, 廣西壯族自治區電力工業局勘測設計院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
