一種多通道固結儀校準系統

劉 東，馮曉敏

（1.陜西理工學院 物理與電信工程學院，陜西 漢中723001；2.漢中職業技術學院 陜西 漢中723001）

一種多通道固結儀校準系統

劉 東1，馮曉敏2

（1.陜西理工學院 物理與電信工程學院，陜西 漢中723001；2.漢中職業技術學院 陜西 漢中723001）

針對人工操作固結儀校準實驗效率低下的問題，設計采用測力傳感器組、ADS322采集模組塊結合工控機與無線通信模塊構建多通道固結儀校準系統，能夠同時對1～16固結儀校準，校準過程中實時控制、數據采集、處理、存儲，并提供遠程在線校準數據查詢服務、自動化程度高、操作簡單。

固結儀；校準系統；自動化；數據采集；B/S模式

固結儀是土壤壓縮性實驗儀器設備，廣泛應用于工程建筑、工程勘察領域。主要用于測定土試樣的軸向變形與壓力的關系和變形與時間的關系，計算土壤的單位沉降量、壓縮系數、回彈系數、壓縮模量及固結系數等，實驗結果用來判定土質狀況，為工程建筑設計與施工提供科學依據。固結儀分為杠桿式固結儀和氣壓式固結儀。近年來，氣壓式固結儀正逐步取代傳統杠桿式固結儀。

氣壓固結儀試驗平臺由多臺氣壓固結儀串聯一起組成，試驗時需控制加壓氣泵按設定氣壓值進行加壓，使土壤試樣受到壓力，測量取得試驗數據，經計算分析來判定土質狀況。《固結儀校準規范》JJF1311-2011[1]要求固結儀必須按周期進行強制性校準檢測，保證固結儀設備技術指標達到合格狀態，才能保證實驗數據的準確性。

因此，設計一個多通道固結儀校準系統，能同時校準8～16臺固結儀，對每個通道的氣壓固結儀的輸出壓力值實現實時采集、計算、分析和判斷固結儀工作狀態合格與否，并提供校準數據查詢和校準報告自動生成，從而提高工作效率，對固結儀實驗設備產品的一致性進行文件檔案記錄[2]。

1 系統結構

氣壓式固結儀校準依賴氣缸的精確控制供壓才能達到高效自動化校準，設計采用工控機精確控制氣缸氣壓。杠桿式固結儀校準需要在杠桿上加、卸載標準砝碼，從“大型砝碼加載系統的設計”[3]文中可以看出自動砝碼加載系統結構復雜、價格昂貴，且都為非標設計，通用性不強。筆者本著易于實現、務實、節約成本的原則，采用人工加、卸載砝碼。

整個固結儀校準系統由工控機、DTD46X無線傳輸模塊、氣壓控制系統、測力傳感器、ADS322數據采集模塊、數據庫服務器以及打印機構成。具體設計校準系統架構如圖1所示。

圖1 固結儀校準系統架構示意圖

設計以工控機為控制核心，在對氣壓式固結儀校準時，工控機控制氣壓控制系統對氣缸按設定的壓力值供壓，并作用于固結儀實驗裝置上的測力傳感器，同時控制無線傳輸模塊將ADS322采集的測力傳感器的壓力值傳回工控機上位機軟件，上位機軟件實時顯示測力傳感器數據，按校準的控制供壓、并記錄存儲傳感器壓力值，記錄完整校準數據后后自動分析生成檢測報表，并上傳至數據庫服務器中，用戶可根據儀器編號在線查詢校準報表。杠桿式固結儀校準時，人工在多個杠桿式固結儀裝置的杠桿上加載砝碼后，操作工控機上位機程序記錄數據，按設定校準點數，依次加載砝碼并記錄數據，校準數據記錄完整后自動分析生成檢測報表，并上傳至數據庫服務器中，用戶可根據儀器編號在線查詢校準報表。

氣壓式固結儀整個校準過程能夠實現自動控制、采集與分析，自動化程度高；杠桿式固結儀校準過程人工加載砝碼，程控記錄校準數據與自動生成檢測報告，實現了半自動化。

筆者設計固結儀校準系統兼容氣壓式固結儀和杠桿式固結儀校準，具有自動化程度高、安全、可靠、實時性好、遠程網絡查詢校準報表的特點。解決了以往固結儀校準主要靠人工，校準效率低、校準數據管理和維護不便的缺點。

2 硬件設計

2.1 氣壓控制系統

氣壓控制系統由伺服電機、減速器、氣缸、活塞、絲杠組件以及數字壓力計等組成。工控機上位機軟件控制運動控制卡輸出脈沖信號驅動伺服電機，減速器減速后通過彈性聯軸器將力傳送給滾珠絲杠副并轉換成推、拉活塞的運動，活塞位置運動可改變氣缸中氣體的壓力。氣壓控制系統結構示意圖見圖2所示[4]。

圖2 氣壓控制結構示意圖

活塞和氣缸的密封性是整個系統的關鍵，采用GT密封件和O型密封圈組合來密封，可在高壓、高溫環境下能持久保持密封性、穩定性好。

采用伺服電機來控制氣缸活塞的位置，通過改變氣體容量來達到氣壓控制的目的。采用增量PID的電機控制算法來穩定氣壓，既可以產生準確、穩定的氣壓。滿量程氣壓控制精度達到±0.02%，達到了一級壓力標準精度的氣壓控制。

在文獻[4]中已經介紹，伺服電機的勻速轉動壓縮氣缸與氣缸壓力是非線性函數關系。氣壓式固結儀校準中氣壓的提供最多不超過10個氣壓點，因此筆者利用電機轉速與壓力的函數關系，控制電機勻速轉動推動活塞，同時監測高精度數字壓力計，當壓力接近校準氣壓點時調用增量PID算法控制電機穩定氣壓，穩定后停止電機轉動，再進行校準實驗。

氣壓穩壓控制使用增量PID算法，較好的控制增量可快速穩定氣壓。增量PID控制算法離散形式可以表示為：

公式（1）中 ei、ei-1、ei-2分別為當前、前一次、前兩次采樣值與設定值之差；K0、K1、K2為 PID算法的比例、積分、微分常系數，可通過多次實驗確定。當采集數字壓力計的值與設定值相差0.2%時，執行增量PID算法進行穩定氣壓，增量PID穩壓調節算法具體操作流程如圖3所示。

2.2 校準數據采集系統

校準數據采集系統主要由無線通信模塊、數據采集模塊、力值傳感器組成，如圖1所示。

根據JJF 1311-2011要求測力傳感器精度為0.3級，因此選用0.1級高精度KZY-CZ-3測力傳感器，KZY-CZ-3溫度漂移小、較好的穩定性、輸出線性度好、密封等級達IP65，能在高濕度環境中進行校準工作。無線通信模塊選用DTX465A模塊，模塊具有RS485接口協議，無線通訊距離達200 m，無線通信性能穩定且價格低廉，滿足校準系統的無線通信需求。數據采集模塊采用ADS-322模塊作為力值傳感器的A/D轉換模塊，該模塊包含24位高精度AD轉換芯片、RS485通訊接口電路、數據濾波、體積小（直徑 32 mm）、 重量輕 （單模塊小于 10 g），能同DTX465A模塊構成數據采集無線發送功能模塊，可選用電池供電或直流電源供電，其綜合性能指標完全滿足校準系統要求。

圖3 穩壓調節算法流程

系統共采用17套無線通訊模塊，通信協議統一為波特率19 200、奇校驗、8位數據位、1位停止位。其中16套模塊和ADS-322模塊組成數據采集無線發送模塊，1套為工控機接收模塊，校準時工控機采用多通道輪詢技術，依次發地址讀取指令接收指令地址對應通信的數據。

筆者所設計的無線分布式采集模式可分散放置校準固結儀設備，相對數據采集卡采集模式降低了集中數據布線密集度，減少線路中的干擾作用于傳感器且價格更合理。

3 軟件設計

3.1 校準數據庫

在固結儀校準系統中，需要存儲每臺被校準器具的信息、校準過程中使用的標準器件的信息、氣壓式固結儀設定校準點設定壓力值、杠桿式固結儀校準點設定砝碼重量、以及校準過程中的校準實時數據和分析結論。筆者采用SQL Server2005集中存儲和管理校準信息，提高數據的處理與分析能力。根據實際校準需求數據庫設計如下：

校準基礎信息表：{編號，名稱，規格型號，生產廠家，送檢單位}

氣壓校準點表：{第一校準點壓力，……，第十校準點壓力}

杠桿校準點表：{第一校準點重量，……，第十校準點重量}

校準數據表：{編號，第一點第一次測量值，……，第十點第三次測量值}

校準結論表：{編號，第一點誤差，……，第十點誤差，靈敏度，校準結論}

校準基礎信息表記錄校準對象的基礎信息；氣壓校準點、杠桿校準點表分別記錄氣壓、杠桿式固結儀校準點設定值；校準數據表存儲重復3次對校準點的實時測量值；、校準結論表存儲通過對校準實時數據的分析、計算求出各個校準點誤差，并作出合格與否的結論。4個表可通過被校準設備進行關聯，形成相應的檢測報告結論報表。

筆者提出了非冗余固結儀校準信息數據庫的構建方案，兼容氣壓式與杠桿式固結儀校準信息的存儲，解決了校準數據管理、維護難的難題。

3.2 上位機軟件開發設計

筆者采用Visual Basic 2010語言開發工控機上位機軟件，軟件主要功能模塊為：參數設置、固結儀校準、數據維護、幫助信息4個功能模塊，如圖4所示。

圖4 固結儀校準系統軟件功能

參數設置：主要提供通信參數信息的設置、氣缸控制系統電機驅動、電機調節參數設置，以及校準對象、校準器具的參數信息設置。

固結儀校準：包括氣壓式固結儀全自動校準功能和杠桿式固結儀手動校準功能。

數據維護：主要實現對校準信息的查詢、維護及校準數據word報表自動生成功能。

其中氣壓式固結儀校準功能是上位機軟件最核心的控制程序，具體的控制流程如下：

氣壓式固結儀校準先讀取通信參數信息，并設置無線通信參數，檢測判斷無線通信是否工作正常，如果發生通信故障彈出故障提示信息，退出校準程序；若無通信故障問題，讀取設置校準點參數，并控制氣壓系統提供相應的壓力值，如果發生供壓不正常就轉入錯誤處理程序；若供壓穩定，工控機依次記錄各個通道測力傳感器實時值，然后繼續下一校準的檢測，每個校準點檢測方法相同。上位機程序控制完成3次各個校準點檢測后轉入校準數據處理過程。計算輸出力值的相對誤差δ是判斷固結儀合格與否的關鍵，計算固結儀輸出力值相對誤差δ公式：

公式（2）中F為固結儀輸出力值；Fi為第i校準點上3次測量數據的算術平均值。氣壓式固結儀輸出力值誤差符合表1規定判斷校準點為合格，否則不合格。杠桿式固結儀輸出力值相對誤差不超過標稱力值的±1%為合格。

圖5 氣壓式固結儀校準流程

表1 氣壓式固結儀輸出力值誤差

3.3 基于B/S模式的在線查詢系統

筆者設計采用相對獨立的數據查詢系統，將實時檢測數據與在線查詢系統的數據隔離，查詢系統對數據的維護修改不會影響工控機原始的檢測數據，有利于數據的安全。校準系統檢測的校準數據記錄、分析后形成校準結論數據，用戶可通過工控機上位機程序將數據上傳到連接外網的數據庫服務器上，客戶可通過網絡訪問并查詢校準結果信息。

在線查詢系統設計三層B/S模式：第一層由Access固結儀校準結論數據庫構成數據模型層；第二層由ASP.NET編寫的查詢程構成數據訪問層；第三層由客戶使用瀏覽器查詢校準信息構成邏輯層。該模式客戶只需通過瀏覽器便能了解校準情況，使用簡單、維護方便。

4 結束語

多通道固結儀校準系統經測試，能夠同時實現1～16氣壓式或杠桿式固結儀實現高速、自動化的校準，并提供數據查詢、處理、報表生成功能，客戶也可通過瀏覽器輸入設備編號遠程查詢固結儀的校準信息。

多通道固結儀校準系統的應用推廣有效的提高校準效率以及校準數據的精度與準確性，彌補了傳統固結儀校準中存在的問題和不足。但筆者所設計的校準系統還存在著不足，在使用過程中會繼續不斷優化完善。

[1]JJF 1311-2011，固結儀校準規范[S].2011：1-11.

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[3]過立雄，倪晉權，吉鴻磊.大型砝碼加載系統的設計[J].機電設備，2011（3）：21-22，33.

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[15]佘天莉.超低頻振動校準系統的研究[D].中國地震局工程力學研究所，2012.

A multi-channel consolidometer calibration system

LIU Dong1，FENG Xiao-min2
（1.School of Physics and Communication Engineering，Shanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China；2.Hanzhong Vocational and Technical College，Hanzhong 723001，China）

For the low efficiency of manual operation consolidometer calibration experiment.Therefore，load cell group and ADS322 collection module block are adopted and combined with industrial personal computer and wireless communication module to establish a multi-channel consolidometer calibration system，can simultaneously to 1 to 16 consolidometer calibration，which realizes the real-time control，collection，processing and storage of calibration process，provides remote online query service of calibration data and shows a high degree of automation and simple operation.

consolidometer；calibration system；automation；data acquisition；B/S mode

TN06

：A

：1674－6236（2017）13-0170-04

2016-05-24稿件編號：201605218

陜西省教育廳專項科研項目（14JK1135）

劉 東（1979—），男，陜西漢中人，碩士，講師。研究方向：計算機科學技術及測控技術。