基于激光粒度分布儀的土工試驗顆粒分析參數控制研究

張建衛

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南鄭州450000）

粒徑分布及特征是土工環境的代表屬性，其顆粒的物理性能不僅對土質力學具有直接聯系，同時也影響整體土層的性質[1]。分析顆粒是土工試驗中最基本的環節，盡管如此，現下試驗中實施中仍存在試驗過程與周期長、試驗結果重復性差等問題，這些問題出現后，不僅嚴重影響了試驗結果，同時也無法準確地識別或定位土層顆粒分布情況，因此土工試驗中相關顆粒分析的環節一直是實驗室操作工作者最為關注的問題?；诖耍爰す饬６确植純x，這種設備是一種集合多種現代化計算機技術為一體的高性能產品，設備中使用進口半導體激光芯片作為其關鍵構件，因此該設備具有綜合性能強、使用周期與壽命長等優勢。同時其中集成電路使用微晶體設計而成，整體電路的集成度較高，加工工藝較先進。此設備在應用中，將計算機性能應用到光學信息采集工作中，儀器整體操作相對簡單，但由于該儀器在測試使用中受到的外界影響因素較多，并且目前行業內尚缺少可參照的依據與標準。為了提高土木試驗顆粒分析的標準性，本文基于激光粒度分布儀的應用，開展土工試驗顆粒分析參數控制方法的設計與深入研究。

1 基于激光粒度分布儀土工試驗顆粒分析參數控制方法

1.1 基于激光粒度分布儀確定試驗參數

參數是影響土工試驗顆粒分析的重要因素，參數值的變化不僅可以反映試驗過程樣本的成分，適宜的參數也可提高試驗結果的可靠性[2]。為此應嚴格控制土木試驗顆粒分析試驗中的相關參數，以此確保試驗結果的標準。控制中采用四點取樣法獲取樣本，將樣本在純凈燒杯中溶解，提取懸濁液滴入激光粒度分布儀中。手動設定裝置內離心泵的旋轉轉速為1900r/min，再在懸濁液中摻入濃度為3.5%的偏磷酸鈉試劑。打開儀器內的超聲波分散開關，將樣本顆粒緩緩加入樣本池中，調整儀器內溶液的遮光率[3]。同步啟動測試程序，使用計算機進行粒度直徑長度的識別，根據顆粒直徑，分析顆粒分析中的參數。確定參數的過程如表1所示。

表1 基于顆粒直徑確定試驗參數表

根據激光粒度分布儀的測試結果，明確土工試驗顆粒分析中的多種參數。在此基礎上，不斷增加樣本懸濁液的濃度，使用儀器檢測其中顆粒直徑的變化情況。此過程應注意保持配制的懸濁液較均勻[4]。此外，為了確保參數的準確識別，可將相同容量的蒸餾水同樣滴入儀器中進行比對分析[5]。通常情況下，由于土工試驗顆粒分析中的粉土、粘土等土質的顆粒直徑均在激光粒度分布儀的檢測范圍內，因此可直接將檢測后顆粒中的中值粒徑作為判定參數的依據，從而掌握試驗中待控制的參數類型。

1.2 控制土工顆粒分析試驗中離散參數

由于土工試驗顆粒分析中，為了確保試驗結果的可靠性，可采用調控參數理想值的方式，降低邊緣參數對試驗過程的影響?？刂浦校筛鶕馏w的性質，控制離心泵的轉速[6]。此過程中根據儀器響應粒徑的時間，將循環泵作為參數控制的開關，依照控制中懸濁液濃度的變化，進行土工顆粒分析試驗中值參數的控制。上述提出步驟可用如下公式表示：

式中：l——為激光粒度分布儀內懸濁液濃度的變化；

m——為相關參數；

R——為離心泵循環轉速，通常情況下為常數；

T——為一個控制周期。

利用上述計算公式，假定在一定時間內儀器檢測的濃度不發生變化，此時，便可基于光路一體化理論，進行邊緣參數或離散參數控制的計算[7]。計算公式如下：

式中：S——為參數理想控制值；

λ——為懸濁液周期濃度參數；

k——為儀器內分散劑濃度；

n——為控制周期數量，通常為正整數。

根據上述計算公式，結合參數的動態化特性，從而掌握在一個相對理想狀態下的參數控制方法。

2 對比實驗

提出對比實驗，檢驗本文設計的基于激光粒度分布儀的土工試驗顆粒分析參數控制方法的可靠性。實驗中模擬土工試驗的環境，將儀器終端的計算機設備與通訊網絡進行連接。以一個控制周期為實驗時長，分別使用本文的控制方法與傳統的控制方法進行顆粒直徑分析實驗中相關參數的控制。同時，使用傳感裝置進行實驗中數據的采集與處理。

按照上文進行的實驗準備工作，整理兩個實驗組別的相關數據，隨著時間的推移不斷增加顆粒懸濁液濃度，并將其作為繪制實驗圖的縱坐標，以參數分布對實驗結果的影響作為評價方法適用性的依據。如圖1所示。

圖1 對比實驗結果圖

如圖1所示，隨著樣本濃度的增加，試驗中相關參數變量隨之均勻增加，對整體試驗結果的影響相對較小，表明此種控制方法較為有效。在傳統控制方法中，試驗相關參數的分布無規律，且經過一個周期的控制后，效果并不顯著，表明此種方法的控制能力較差。為此得出本文對比實驗的結論：相比傳統的參數控制方法，本文設計的控制方法效果更為顯著，可有效地降低試驗中參數變化對顆粒分析結果的影響，提升了顆粒分析試驗結果的可靠性。

3 結束語

本文使用激光粒度分布儀，開展了土木試驗顆粒分析參數控制方法的設計，為了檢驗方法的有效性，采用設計對比實驗的方式，對比本文控制方法與傳統控制方法，經實驗后發現本文設計的參數控制方法在實際應用中更具備有效性，且實驗結果可靠性更強，屬于一種相對理想的顆粒分析參數控制方法，可滿足土工實驗的所有需求，值得后期在實驗中廣泛推廣。