自振柱試驗是實驗室內測定土動力參數的一種新方法，是在共振柱試驗的基礎上發展起來的。從控制、採樣、成果計算到數據列印的試驗過程，均由包括多路電子傳換器的微計算機系統自動執行。試驗成果可靠、精度也高。
基本介紹
- 中文名：自振柱試驗
- 外文名：free vibration column test
- 學科：土動力學
- 作用：測定土動力參數
試驗裝置,基本原理,
試驗裝置
自振柱試驗的儀器設備由兩部分組成：一是試驗主機（測定裝置）；一是包括試驗記錄在內的微計算機控制系統（儀器儀表）。試驗主機用stokoe型共振柱裝置，在類似於三軸剪下儀的壓力室內，安裝有作用扭力的驅動機構，試樣直徑為3.6厘米（1.4英寸），高度約7.6厘米（3英寸），試樣下端固定在底座上，而頂端與驅動機構相連（對測定剪下模量而言）。所謂驅動機構，主要是一塊呈十字形的端部有四塊磁鋼的扭力作用板，這些磁鋼與支承在壓力室底部支承架的四隻電磁線圈相匹配，以組成產生電磁力的磁場。在扭力作用板上置有加速度感測器，以檢測土樣的振動。有時為了知道振動過程中土樣高度的變化，在土樣頂部還設定一隻位移感測器（LVDT）。
以微計算機為主體的儀表系統，有一台記憶體為48K的微計算機用作中央處理機及信息存儲器。此外，還有一台行式印表機和一架磁帶錄音機作為計算機的輸出輸入設備。在試驗主機與計算機之間用多路轉換器連線。這裡的轉換器是指“模擬一數字”（A-D） 和“數字一模擬”（D-A）轉換器。在自振柱試驗中，根據測定土剪下模量、剪應變等的需要，還專門設計了相應的程式可控衰減器、電荷放大器以及位移感測器的調節器。上述各組成部分均裝在兩隻小盒子內，受計算機軟體控制。
多路的A-D轉換器集成在一塊電路板上, 它能在20微秒內把模擬信號轉換成數位訊號（字長為12位），該轉換器附有一個32通道的多路轉換開關, 能把許多信號幾乎同時地進行轉換。D-A轉換器也安裝在一塊電路板上，具有8個通道（字長8位）。同樣，它能把計算機給出的信號幾乎同時地轉換成程式規定的電壓或電流。每次轉換所需的時間不大於2.3微秒。
轉換器的轉換模式可以由圖1加以說明。如所周知，數字計算機中的任何一個數字函式可以用一組不連續的數來代表。就D-A轉換器而言，按照電腦程式指令，D-A轉換器可以把數組中的任何一個數立即轉換成相應的電壓，在接到第二個轉換指令之前，保持該電壓以恆值。如圖所示，假如電子轉換開關每隔時間T閉合一次，這樣就可以把連續函式
轉換成由一連串單位脈衝
，其時間間隔為T，而脈衝幅度與原函式相應時間的幅度相當。可以構想，當電子開關的周期遠小於信號最短周期時， 其輸出與預期的函式兩者甚為接近，其間的差別將會隨著時間間隔的縮短而縮小。D-A轉換器輸入函式一與輸出電壓之間的定量關係，可以根據不同的轉換器性能通過計算得到。
圖1基本原理
用微計算機系統控制自振柱試驗的基本原理可以藉助圖2來說明。當土樣安裝妥當後，土樣處於靜止狀態（t0）。試驗開始時，先按預定的剪應變值由計算機通過D-A轉換器給電磁線圈以一個緩慢增加的電流（壓）值，因事先已經知道電壓與所作用的扭力成某種直線比例關係，所以與電壓的增加相對應的扭力緩慢地對土樣作用，其值由零增加到M。這時土樣承受著扭力但仍處於靜止狀態（t1），在一個暫短的穩定時期（t2-t1）後，預先設計的程式就指令電子開關切斷電磁場的電流，於是作用在土樣上的扭力也就突然釋放（t2）。從此以后土樣就由靜止狀態開始振動。顯然，這是一個有阻尼的自由振動（固有振動）。土的性質決定著這種振動曲線的周期和衰減，也就是說，如果能測得自由振動的周期和衰減，就可以獲得試驗所要求的剪下模量和阻尼比。土樣發生振動時的振動信號用加速度感測器檢測，這個感測器設定在土樣頂部與土樣剛性連線的扭力作用板上。加速度感測器檢測到的信號經過電荷放大器把電荷轉換成電壓，這時A-D轉換器的電子開關以每隔相當於圖1中T的時間閉合一次，從而把加速度感測器檢測到的自由振動曲線的模擬信號轉換成數字電壓組成的數組，A-D轉換器又將數組以二進制數碼的形式存儲於微計算機。這就是所謂採樣。在整個採樣過程結束之後，微計算機按設計程式自動對採集到的信號進行搜尋, 以便找出簡諧函式（自由振動曲線）的零點和極值點。也就是找出振動周期。極值點的縱坐標就是振幅值。這就可以通過微計算機計算得到土樣的剪下模量和相應的剪應變，以及土的阻尼比。
自振柱試驗是以“人一機” 對話的方式進行操作的。也就是說，在土樣安裝完畢後，操作者通過錄音磁帶把用來控制、採樣、計算以及列印等預先編制好的程式輸入微計算機。然後，計算機通過螢幕顯示與操作者“對話” ，操作者按照計算機提出的“要求”，通過計算機鍵盤輸入諸如土樣容重和尺寸等原始數據。接著微計算機系統就開始工作。這個工作包括對土樣有控制地作用扭力，數據採集、成果計算並最終把試驗結果列印在記錄紙上。如果有必要，則可以接上x-y函式記錄儀，把試驗結果直接繪成所需要的曲線。
圖2