异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪.pdf

一种异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪，包括两个力传感器和两个加速度传感器，两个力传感器、两个加速度传感器对称安装在待测桩基的桩顶以下桩身两侧，每个传感器经放大电路连接到AD放大器，放大器的输出通过A/D转换器与微处理器通信连接，微处理器内设有根据各个传感器的信号进行桩基质量分析的桩基测试模块，测量仪还包括用以设立四路传感器的选择通道的选择控制电路，选择控制电路的输出通过一个A/D转换器与计算机的并行接口连接，通过微处理器对线路控制器的控制，交替异步采集四路信号，最后再通过抛物线法对采集到的四路信号进行拟合还原以及同步，得到完整的四路信号波形。本发明提供一种电路结构简单、成本低的基础结构动态测量仪。

1、  一种异步采集信号同步校正的异步采集信号的基础结构动态测量仪，包括两个力传感器和两个加速度传感器，两个力传感器、两个加速度传感器对称安装在待测桩基的桩顶以下桩身两侧，每个传感器经放大电路连接到AD放大器，放大器的输出通过A/D转换器与微处理器通信连接，所述的微处理器内设有根据各个传感器的信号进行桩基质量分析的桩基测试模块，其特征在于：所述的异步采集信号的基础结构动态测量仪还包括用以设立四路传感器的选择通道的选择控制电路，所述的选择控制电路的输入端分别连接四路AD放大器的输出，所述的选择控制电路的输出通过一个A/D转换器与微处理器的并行接口连接，所述的微处理器还包括用于控制四路信号异步采样的异步采样控制模块，用于将采集的四组传感器信号进行曲线拟合的异步拟合模块，所述的异步采样控制模块连接所述选择控制电路的线路开关，所述的异步拟合模块的输入端连接微处理器的并行接口，所述的异步拟合模块的输出端连接所述桩基测试模块。

2、  如权利要求1所述的异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪，其特征在于：所述的异步采样控制模块，用以设定采样宽度为t_o、周期为4t_o，0-t_o时刻对第一路信号进行测量，t_o-2t_o时刻对第二路信号进行测量，2t_o-3t_o时刻对第三路信号进行测量，3t_o-4t_o时刻对第四路信号进行测量。

3、  如权利要求1或2所述的异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪，其特征在于：所述的异步拟合模块，用于将异步采集中的四路信号分别进行拟合，采用三点定义的抛物线法，取信号序列中的任意连续的三点，拟合出一段抛物线曲线段。

异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪
(一)技术领域
本发明涉及一种桩基础质量的测试技术，尤其是一种异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪。
(二)背景技术
随着高层建筑、桥梁及大型土建工程的增多，桩基被广泛应用。由于受地质条件和施工工艺的影响，桩基有时候会发生断裂或不均匀等缺陷，从而降低桩的负载力。因此，这些桩不能承受来自高层建筑和大桥的大的载荷，以至发生一些事故，如大楼或桥梁的倾斜和倒塌。为了保证工程质量，须对桩基进行检测。
传统的桩基质量检测方法主要有取芯法、超声波法和射线法等，随着波动理论、振动工程、信号分析技术、电子技术和微处理器技术的不断提高，振动法和波动法动态检测技术取得了迅速的发展和广泛的应用，其中又分为高应变检测法和低应变检测法。在现今的桩结构质量检测中，不论是高应变检测法还是低应变检测法，都是通过锤击桩基，采集桩顶附件有代表性的桩身截面的轴向应变和桩身运动加速度的时程曲线，通过传感器将应力波在传播过程中产生的运动速度和应力应变捕捉转化为电信号，并将电信号通过处理电路转化为数字信号提交给专用的检测仪器，将信号处理成F-v图，通过对图中曲线波形的分析来判定桩基的质量。
为了减少可能出现的偏心锤击的影响，试验时必须安装应变传感器和加速度传感器各两只，应此必须要同时对四路的电信号进行A/D转换。这样就需要四只A/D转换器同时工作，同时需要专用的测试仪器对四路数字信号同时进行处理绘图，这种方法昂贵并且电路复杂。
(三)发明内容
为了克服已有的基础结构动态测量仪结构复杂、成本高的不足，本发明提供一种电路结构简单、成本低的异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪，包括两个力传感器和两个加速度传感器，两个力传感器、两个加速度传感器对称安装在待测桩基的桩顶以下桩身两侧，每个传感器经放大电路连接到AD放大器，放大器的输出通过A/D转换器与微处理器通信连接，所述的微处理器内设有根据各个传感器的信号进行桩基质量分析的桩基测试模块，所述的异步采集信号的基础结构动态测量仪还包括用以设立四路传感器的选择通道的选择控制电路，所述的选择控制电路的输入端分别连接四路AD放大器的输出，所述的选择控制电路的输出通过一个A/D转换器与微处理器的并行接口连接，所述的微处理器还包括用于控制四路信号异步采样的异步采样控制模块，用于将采集的四组传感器信号进行曲线拟合的异步拟合模块，所述的异步采样控制模块连接所述选择控制电路的线路开关，所述的异步拟合模块的输入端连接微处理器的并行接口，所述的异步拟合模块的输出端连接所述桩基测试模块。
进一步，所述的异步采样控制模块，用以设定采样宽度为t_o、周期为4t_o，0-t_o时刻对第一路信号进行测量，t_o-2t_o时刻对第二路信号进行测量，2t_o-3t_o时刻对第三路信号进行测量，3t_o-4t_o时刻对第四路信号进行测量。
再进一步，所述的异步拟合模块，用于将异步采集中的四路信号分别进行拟合，采用三点定义的抛物线法，取信号序列中的任意连续的三点，拟合出一段抛物线曲线段。
本发明的工作原理是：异步采集数据同步校正技术，只利用一个A/D转换器进行A/D转换，同时利用PC机的并行接口进行数据采集，利用微处理器对四路数据进行还原，方便快捷同时成本更低。
本发明的有益效果主要表现在：1、结构简单；2、成本低；3、使用方便快捷。
(四)附图说明
图1是桩基测量仪的结构图。
图2是信号异步采集的示意图。
图3是曲线拟合示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1、图2、图3，一种异步采集信号同步校正的基础结构动态测量仪，包括两个力传感器1和两个加速度传感器2，两个力传感器1、两个加速度传感器2对称安装在待测桩基的桩顶以下桩身两侧，每个传感器经放大电路3连接到AD放大器4，放大器4的输出通过A/D转换器6与微处理器7通信连接，所述的微处理器7内设有根据各个传感器的信号进行桩基质量分析的桩基测试模块8，所述的异步采集信号的基础结构动态测量仪还包括用以设立四路传感器的选择通道的选择控制电路5，所述的选择控制电路5的输入端分别连接四路AD放大器4的输出，所述的选择控制电路5的输出通过一个A/D转换器6与微处理器的并行接口9连接，所述的微处理器7还包括用于控制四路信号异步采样的异步采样控制模块10，用于将采集的四组传感器信号进行曲线拟合的异步拟合模块11，所述的异步采样控制模块11连接所述选择控制电路5的线路开关，所述的异步拟合模块11的输入端连接微处理器的并行接口9，所述的异步拟合模块11的输出端连接所述桩基测试模块8。
所述的异步采样控制模块11，用以设定采样宽度为t_o、周期为4t_o，0-t_o时刻对第一路信号进行测量，t_o-2t_o时刻对第二路信号进行测量，2t_o-3t_o时刻对第三路信号进行测量，3t_o-4t_o时刻对第四路信号进行测量。
本实施例的工作过程是：在待测桩基的桩顶以下桩身一侧中央安装一个力传感器和一个加速度传感器，同时在对称的一面同样安装一个力传感器和加速度传感器，位置保持对称。每个传感器通过放大电路连接到AD放大器，然后统一连接到一个选择控制器，经过选择控制器选择后的信号被送到A/D转换器进行模/数转换，最后数字信号被送到微处理器并行接口。同时通过微处理器并行接口对选择控制器和A/D转换器进行控制。
该技术通过用锤在桩上施加冲击，以产生弹性波和阻抗，通过安装在桩基顶部附近的两个力传感器接收桩基上的应力波信号产生电荷信号，同时两个加速度传感器接收桩基上的加速度信号同样产生两路电荷信号，每路信号通过放大电路将电荷信号转变成电压信号输出。然后电压信号通过AD放大器进行信号放大，放大后的信号被输送到选择控制器。微处理器通过控制选择控制器来对四路信号进行采样的通道选择，这里不是对四路信号同时进行采集，而是通过一个时间间隔来对四路信号进行依次顺序采集。被控制选择器采样后的信号被送到A/D转换器进行模/数转换，转变为八位的数字信号，最后被送到微处理器的并行接口，因为并行双向接口支持对八位数据的一次读取，因此微处理器可以通过编程来对并行接口的数据进行采集得到信号数据。
本发明的重点在于通过控制选择器对四路信号进行异步采样，即对每路信号进行周期性的测量，如采样宽度为t_o、周期为4t_o，就是0-t_o时刻对第一路信号进行测量，t_o-2t_o时刻对第二路信号进行测量，2t_o-3t_o时刻对第三路信号进行测量，3t_o-4t_o时刻对第四路信号进行测量，然后又重新对第一路信号进行测量，如此反复。
本实施例采用A/D转换器ADS7809，其采样频率为100K，因此每次采样时间间隔为10μs，由于四路信号占用同一带宽，因此对一路信号的采样时间间隔为40μs，采样图形如图2所示。当数字信号被输入到微处理器后，微处理器依次对数字信号进行分组，信号共分四组，依次采集的数字信号被顺序归入四组，如图2所示，所有的信号①将重组成一组数字信号的序列，所有的信号②也将重组成一组数字信号的序列，信号③和信号④也同样如此处理。最后得到的是四路信号的采样序列。
本发明中最后通过抛物线法对四组信号进行曲线拟合。这里使用三点定义的抛物线法对信号进行拟合和还原：取信号采样序列中的任意连续的三点P₀、P₁、P₂，可以拟合出一段抛物线曲线段，这里用参数矢量表达式子，即
P(t)＝A₀+A₁t+A₂t²(0≤t≤1)                     (1)
该曲线是由一系列以A₀为起点，在A₁方向上取t，在A₂方向上取t²画出的曲线，所以应是抛物线。该抛物线满足：
(1)t＝0时，抛物线通过P₀点并与P₀P₁线相切。
(2)t＝1时，抛物线通过P₂点并与P₁P₂线相切。
因此抛物线可以由P₀P₁P₂三点所定义的参数表达式表示出来。
对式(1)中的t微分可得P’(t)＝A₁+2*A₂*t，那么
P(0)＝A₀＝P₀                             (2)
P(1)＝A₀+A₁+A₂＝P₂                       (3)
P’(0)＝A₁＝K(P₁-P₀)                     (4)
P’(1)＝A₁+2*A₂＝L(P₂-P₁)                (5)
其中K、L为常数。由此可以整理出
2(P₂-P₀)＝K(P₁-P₀)+L(P₂-P₁)
由于(P₂-P₁)和(P₁-P₀)线性无关，所以K＝L＝2。因此
A 0 = P 0 A 1 = 2 ( P 1 - P 2 ) A 2 = P 0 - 2 P 1 + P 2 ]]>
如以分量形式表示，即 X = X 0 + A 1 t + A 2 t 2 Y = Y 0 + B 1 t + B 2 t 2 , ]]>其中，
A₁＝2(X₁-X₀)
A₂＝X₀-2X₁+X₂
B₁＝2(Y₁-Y₀)
B₂＝Y₀-2Y₁+Y₂
由此，代入信号序列中连续的三点的数字信号，就可以得到该三点时间间隔内的任何t时间的数字信号值，因此可以拟和出该段抛物线曲线段。如此还需要把若干条曲线段光滑连接成一条任意曲线。这里需要求出两条曲线段连接处的公切线，如求图3中的P₁～P₅的曲线，我们先取P₂、P₃的中点Q₁，然后以P₁、P₂、Q₁为三点范围，计算该段曲线，然后再取P₃、P₄的中点Q₂，以Q₁、P₃、Q₂为三点范围，再计算曲线段，以此可以凭任意长度的信号序列求出完整的光滑信号曲线。
通过微处理器编程可以实现以上计算过程，取合适的时间间隔点，就能拟合出光滑的信号曲线。同时因为采样是异步进行，如四组信号的起始采样点依次分别相差t₀，可使四组信号同以4t₀为起始采样点，从而能得到四组信号的同步信号曲线。由此，可以通过以上过程在微处理器上还原出四条信号曲线，分别为两条应力曲线、加速度曲线，供桩基质量检测用。