DGN液压加载控制装置的原理及在岩土工程测试中的应用
关键词：DGN液压加载控制器；三轴仪；原理；应用
1.前言
DGN液压加载控制器是用于岩土工程测试的仪器。DGN是多功能的缩写。它是为三轴仪系统配套，用于分析土壤及岩土特性的仪器设备，它能够测试岩土强度及抗剪切能力，测定在某一固定周围压力下的抗剪强度，确定土的抗剪强度参数。另外它也能为其他设备提供需要的动力源。DGN液压加载控制器能够提供两种方式的动力源输出：1．按照设定的压力以恒压方式输出压力源。2．按照设定的速度以恒定低速方式输出压力源。
目前国内用于三轴仪系统上的液压加载控制器都是从国外进口的，主要是从英国的GDSInstrumentsLtd公司进口。国内还没有自主开发出和三轴仪系统配套的液压加载控制器。
2.DGN液压加载控制器的组成、原理和特性
2.1组成
DGN液压加载控制器是一个典型的机电一体化产品，它由控制器，步近电机，齿轮减速箱，丝杠，液压缸和压力传感器组成。
DGN液压加载控制器有两种控制模式：（1）应力控制模式。(闭环控制)通过在键盘上设定所需的压力，液压缸输出设定的恒压。（2）应变控制模式。(开环控制)通过在键盘上设定所需的输出流速，液压缸输出设定的流速。DGN液压加载控制器设计有232通讯口和通信协议，可以和计算机相连，将传感器检测的数据传递到计算机中。通过特定的程序，计算机也可以控制DGN液压加载控制器运行。
2.2原理
DNG液压加载控制器的工作原理是：在控制器的面板上设定需控制的参数，比如压力。利用数字控制电路控制输出电脉冲，控制步进电机驱动器，步进电机驱动器然后输出经过放大的电信号，驱动步进电机产生旋转运动。该旋转运动经过减速箱减速后，再通过丝杠旋转运动。丝杆的另一端经过一个固定在压力缸端盖滚动丝杠副和一个压力缸内的活塞相连。压力缸固定在基座上，步进电机和减速箱安装在导轨上可线性往复运动。丝杠的旋转运动变成压力缸活塞线性往复运动。活塞线性运动压缩缸体体积，导致压力缸输出设定要求的压力。按设定的要求对一些岩土测试仪液压腔(或气压腔)加压。在压力缸出口安装有压力传感器，压力信号反馈到控制器。控制面板上有按键和显示屏，可以设定需输出的压力，输出的体积量等参数。微电脑控制器按预存的算法程序，通过比较设定值和反馈值，进行计算，输出脉冲信号，控制步进电机产生旋转运动，可实行压力回路闭环控制。通过计算输出的脉冲量，该控制器可以对输出体积量实行开环控制。
DGN多功能液压加载控制装置能够提供三轴仪试验系统所需的三种控制方式：
（1）轴压和轴向位移控制。
（2）室压控制
（3）后压及测量容积变化控制。
2.3特性
DGN液压加载控制器的控制技术参数：
该控制器有两种速度模式控制步进电机运行：
1．高速模式方式：
步进电机速度：1000步/s
运用在将压力缸中加液和排空阶段。
2．低速模式方式：
步进电机速度：500步/s
运用于正常压力输出控制阶段。
最大压力输出：3Mpa
步进电机转动一个步距角产生压力缸中的体积变化量是0.5mm3
排空速度：1000x0.5mm2/s=500mm3/s
供电电压220v，A.C，50Hz．单相三线制，电流：2A。
压力持感器的精度误差：满量程的0.1％
体积变化控制精度谋差；压力缸总容积的0.1%
体积变化的分辨率：0.5mm3
换算成步进电机运行一步，活塞移动的距离为=4x10-4mm
滚珠丝杆的螺距为5mm，换算成丝杆旋转一圈步进电机需运行的步数为1.25x10-4
2.4三轴仪的简介
三轴位系统是用于分析土壤及岩土特性的仪器没备，它能够测试岩土强度及抗剪切能力，测定在某一固定周围压力下的抗剪强度．然后根据三个以上试件，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用用莫尔-库仑破坏准则确定土的抗剪强度参数。
它有以下功能特性
1.可自动进行面积校正。
2．孔压通过连接在基座上的孔压传感器测量。
3.体积变化测量分辨率为1mm2。
4.摩擦影响通过三轴压力室中的水下荷载传感器测量轴向力而消除。偏应力通过计算机校正。
5.轴向位移通过两种方式测量一直接通过位移传感器测量和间接通过压力室内体积变化测量。
6.典型的试验可在压缩或拉伸试验中采用应变或应力控制。
7.可完成应力路径试验。
8.通过标准的3Mpa/200cc压力/体积控制器或高级的2Mpa/200cc压力体积控制器上的远程反馈模块(RFM)来完成数据采集。
9.控制软件可显示3个实时图形和1个数据窗口。
它由三台DGN液压加载控制器提供三轴仪压力室X，Y，Z三个方向的加载力。这一装置包括压力室，围压、轴力、孔隙水压和孔隙气压的生成与控制器，及数据采集和试验控制器件，同时还配备轴力、变形量测和轴平移吸力控制系统。其特点为：使试样顶端与可用以提供气压(ua)的压力生成装置相连，底端与孔隙水压力生成装置相接，用以通过透水陶瓷板提供水压(uw)。透水陶瓷板的特点是允许水自由进出，而气相则需在压强超过透水陶瓷板的最大吸力值pcs后才能通过。据此控制试样内部的吸力。
工程实践中遇到的土有许多是非饱和土．其性状并不符合经典饱和力学的原理和概念。例如，虽然所遇到的天然土体通常处于饱和状态，但与工程建设相关土体则常因一些工程措施的采用(如降水加固等)而处于种人工非饱和状态。此外，国内有许多易于引发工程事故的问题土，如湿陷性黄土和膨胀土等。均为典型的非饱和土。对于与以上土质相关的工程问题，均可借助非饱和土力学予以研究。饱和土三轴仪试验系统是用于岩土工程实验的大型试验设备。它也是结构与岩土工程项目建设的重点。在非饱和土力学的教学和科研都有很大的需要。
非饱和士是由土颗粒(固相)、孔隙永(液相)、孔隙气(气相)和液-气交界面构成的四相体系。吸力是影响非饱和土力学性态的关键因素，控制吸力技术则成为决定试验成畋的关键。试验方法主要有：轴平移技术、渗析技术和相对湿度控制方法。
在非饱和土三轴仪试验系统中，包括应力路径室一套．DGN多功能液压加载控制装置数字式空气压力/体积控制器，数据采集板和转换器．用于数据采集和实验控制的GDSLAB模块软件，内置式水下荷重传感器和其它辅助元器件等。
3.DGN液压加载控制器的应用
DGN液压加载控制器是三轴仪系统的重要组成部分。标准的三轴仪系统由三套液压利气压加载控制器构成，提供试验加载动力。DGN液压加载控制器是由微电脑控制的液压加载装置，它能控制和测量水压，测量体积变化。
特征：
1.压力量程为3Mpa，可选择lMpa，2Mpa，3Mpa以保护低量程的设备。体积容量是200cc。
2.通过闭合同路微处理器控制水压至1Kpa。
3.键盘功能包括TARGET(目标值)，RAMP(线性蠕变和压力或体积的循环变化)，加上快速装填和排空液压腔。
4.体积变化测量和显示至0.001mm2(0.001cc)。
5.重簧轻(14Kg)、占用面积小(600x230mm)。
6.用户界面是16位键盘和液晶显示。
7.可选择RS232计算机串口，用于计算机控制和采集压力和体积变化。
8.可选抒模拟串口，使数据采集器可输出压力和体积变化值。
9.控制器提供超过预设压力和体积的自动保护功能。
10.为传统的土力学试验室提供低成本的压力源和体积变化测量计。
DNG液压加载控制器能够代替试验室中传统的压力源，如永银柱，静负载仪，空压机和液压油泵等设备。它提供容积变化精度达劐0.001毫升。DNG液压加载控制器能够使用在岩士试验室中做为一个压力源和容积变化测量器。例如：它是一个理想的备压源。能够测量测试样品的体积变化量。通过控制面板设定参数，DNG液压加载控制器能够提供压力或体积的线性蠕变和循环变化。它也能用于恒速流体的渗透性试验。它带有和计算机通讯的232接口，通过应用软件可以由电脑直接控制。
4.本文总结
本文首先介绍了了DGN液压加载控制器组成和原理。DNG液压加载控制器是由单片机控制器，步进电机，丝杠，液压缸和压力传感器组成。然后介绍了DGN液压加载控制器特性。接着介绍了三轴仪的组成。三轴仪是应用于研土测试的重要仪器，可以获得多种所需的土壤特性。对基础建设的设计和施工提供必须的理论数据。最后介绍DGN液压加载控制器的应用，DGN液压加载控制器是三轴仪系统的重要组成部分，它是三轴仪系统的动力源。
