摘  要：氣壓固結(jié)儀和傳統(tǒng)杠桿固結(jié)儀的控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在接線繁多、拆裝復(fù)雜、數(shù)據(jù)串?dāng)_等問題，大大影響了試驗(yàn)的效率。針對這些問題，采用無線通訊技術(shù)全新改造百分表測量壓縮變形，并將電源供電、數(shù)據(jù)采集、通訊傳輸進(jìn)行一體化整合；采用無線通訊技術(shù)改進(jìn)了氣壓控制器對氣源壓力的檢測和控制。通過這種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，大大改善了固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備穩(wěn)定性、便攜性，提高了固結(jié)試驗(yàn)的 測試精度。

0  引    言

固結(jié)儀是測量土的壓縮性實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,廣泛應(yīng)用于工程建筑、工程勘察領(lǐng)域。主要用于測定土試樣的軸向變形與壓力的關(guān)系和變形與時間的關(guān)系,計(jì)算土壤的單位沉降量、壓縮系數(shù)、壓縮模量及固結(jié)系數(shù)、先期固結(jié)壓力、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)等壓縮性指標(biāo),用于計(jì)算建筑物的沉降,為工程建筑設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)^[1]。

目前土工試驗(yàn)室普遍使用的傳統(tǒng)固結(jié)儀如圖1所示。無論氣壓固結(jié)儀還是杠桿固結(jié)儀，土樣變形的自動數(shù)據(jù)采集主要采用經(jīng)改造的百分表或數(shù)字式千分表作為位移計(jì)，一般試驗(yàn)室固結(jié)儀數(shù)量比較多，每聯(lián)固結(jié)儀都要單獨(dú)接線至數(shù)據(jù)采集器，多個采集器之間也要接線再經(jīng)傳輸接口將各個位移計(jì)采集的數(shù)據(jù)通過通訊總線統(tǒng)一傳送至計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行采集存儲處理。在試驗(yàn)過程中，位移計(jì)上下移動時連線隨著位移計(jì)一起運(yùn)動來回拉扯，會影響位移計(jì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。氣壓控制器也同時連接在通訊總線上，整個系統(tǒng)連線繁多、拆裝復(fù)雜，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)串?dāng)_、通訊不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)更新不及時等多種問題。

1  無線通訊技術(shù)簡介

隨著現(xiàn)代化生活的不斷進(jìn)步，無線通訊技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代生活當(dāng)中的溝通媒介，在無線技術(shù)當(dāng)中，可以利用無線網(wǎng)進(jìn)行無線信號的覆蓋，從而使得人們可以利用各種終端設(shè)備來使用無線網(wǎng)絡(luò)，最大限度的滿足人們對于無線信息傳遞的需求。尤其是在這幾年經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步得到飛速增長的今天，無論是工業(yè)領(lǐng)域還是民用消費(fèi)品領(lǐng)域，無線技術(shù)得到了相當(dāng)快速的發(fā)展，低成本低功耗小型化等優(yōu)點(diǎn)使得無線技術(shù)在各行各業(yè)都有了廣泛應(yīng)用。

無線通訊種類很多，既有衛(wèi)星通訊、短波通訊、CDMA、LTE等遠(yuǎn)距離無線通訊技術(shù)，也有WLAN、藍(lán)牙、ZigBee、紅外線等近距離無線通訊技術(shù)。各種技術(shù)互有優(yōu)劣，各有合適的應(yīng)用場景^[2]。

為了解決傳統(tǒng)固結(jié)儀中存在的種種問題，本文將無線通訊技術(shù)引入固結(jié)儀的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，全面改進(jìn)傳統(tǒng)百分表和氣壓控制器。對比試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的固結(jié)儀的精度穩(wěn)定性傳統(tǒng)固結(jié)儀。

2  無線傳輸位移計(jì)的研發(fā)

針對固結(jié)儀數(shù)據(jù)采集的實(shí)際應(yīng)用需求，我們采用近距離無線通訊技術(shù)，使用專用RF芯片工作于ISM頻段2.4GHz，與藍(lán)牙、ZigBee等技術(shù)相比在功耗、速率、通訊距離上有明顯優(yōu)勢。作為單芯片模塊，其內(nèi)部集成高頻發(fā)射/接收模塊，最高可設(shè)置為+1dBm的發(fā)射功率，支持500kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持多種調(diào)制模式(OOK、GFSK、2-FSK和MSK)，提供對同步字檢測、地址校驗(yàn)、靈活的數(shù)據(jù)包長度以及自動CRC處理的支持，支持RSSI(接收信號強(qiáng)度指示)和LQI(鏈路質(zhì)量指示)，通過4線SPI接口與MCU連接，同時提供2個可設(shè)定功能的通用數(shù)字輸出引腳，獨(dú)立的64字節(jié)RXFIFO和TX FIFO，工作電壓范圍：1.8V～3.6V，待機(jī)模式下電流僅為500nA。

傳統(tǒng)位移計(jì)由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行供電，電源線和通訊線一起連接在位移計(jì)上，采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)后，每個位移計(jì)不再需要連接通訊線，若不改變供電方式，電源線還是無法取消。因此在無線芯片功耗極低的技術(shù)基礎(chǔ)上，我們改用電池供電，取消連線，只是增加后蓋厚度后將無線芯片、MCU和電池集中整合在百分表后蓋，使得無線百分表成為獨(dú)立的產(chǎn)品，易安裝易更換，便攜易用。在每秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)的條件下，單顆電池供電可使用三年。由于沒有連線拉拽，試驗(yàn)過程中位移計(jì)穩(wěn)定，只反映土樣變形，所測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。在傳輸上各位移計(jì)獨(dú)立，互相沒有干擾。在電腦端只需一個無線收發(fā)器就可以接收所有位移計(jì)的數(shù)據(jù)，與目前常規(guī)儀器每八個位移計(jì)需要一個數(shù)據(jù)采集器相比，整個系統(tǒng)大大簡化。

由于目前常規(guī)有線系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)采集器都連接在同一根數(shù)據(jù)總線上，主機(jī)對采集器的訪問只能采用主從式，即主機(jī)輪詢各個采集器，相應(yīng)采集器依次應(yīng)答。隨著固結(jié)儀數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)采集器也相應(yīng)增加，輪詢時間就會變長，可能影響數(shù)據(jù)實(shí)時性。改為無線通訊后，所有位移計(jì)改為主動發(fā)送模式，電腦端收發(fā)器平時只接收位移計(jì)和氣壓控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，只有

在需要給控制器發(fā)送命令改變參數(shù)時才短時進(jìn)入發(fā)送模式。這樣數(shù)據(jù)采樣周期只取決于位移計(jì)端的發(fā)送周期，可以保證數(shù)據(jù)實(shí)時性。百分表分辨率是0.01mm，經(jīng)過改造使用高精度采集部件，所得數(shù)據(jù)分辨率可提高一個數(shù)量級至0.001mm。對于含水率低整體壓縮變形較小的硬土，提高分辨率可顯著改善變形隨時間變化采樣精度和曲線顯示圓滑度，更有利于求得準(zhǔn)確的固結(jié)系數(shù)。