CN102519630B - 基于液压传动的双膜式土压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于液压传动的双膜式土压力传感器，采用了双层膜片结构；一次膜片通过边缘的环状膜片与壳体的外环粘接在一起，二次膜片焊接在壳体的内环上，通过油嘴向一次膜片和二次膜片之间形成的传压油腔注满液压油，位于二次膜片下方的带有传感元件的应变探头通过壳体内部预留的引出孔与外接传输线相连接，环氧树脂对引出孔进行密封，最后壳体与底盖螺纹连接，构成基于液压传动的双膜式土压力传感器。本发明解决了土压力分布不均和土质种类不同的影响，适应性强，标定简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量边界土压力的基于液压传动的双膜式土压力传感器，属于光电子测量技术领域。
背景技术
土压力是指挡土结构物背后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力，土压力的大小直接决定着挡土构筑物及被挡土体的稳定和安全。现实中影响土压力的因素很多，如土体介质的物理力学性质及结构组成，挡土墙的变形和位移，填土表面荷载，地下水的情况，被挡土体的回填工艺等。众多的实践证明，观测土中的土压力结果相对比较准确，但观测土与构筑物的接触土压力效果尚不是十分理想，往往难以反应地基土的真实受力情况，即使在受力边界十分明显的条件下，接触土压力的监测也不是十分理想，监测值常远远小于理论计算值（欧智勇，詹金林，关于接触土压力观测的探讨，企业科技与发展 ,2007年）。
与本发明接近的技术是光纤光栅封装土压力传感器（参见文献：周智，“光纤光栅封装土压力传感器”，发明专利说明书，2007年10月，授权公告号：CN200962061）。该技术采用承压板加光纤光栅的结构对土压力进行测量。由于采用的是单膜板，易受土质种类和土压力偏心的影响，对各种环境的适应性较差；标定时，不同的土质对单膜板式传感器的标定曲线有较明显的影响，标定过程较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液压传动的双膜式土压力传感器，通过采用双层膜片结构，解决了土压力分布不均和土质种类不同的影响，适应性强，标定简单。
实现本发明的上述目的所采取的技术方案是：包括一次膜片3、二次膜片4、传压油腔5、油嘴2、密封螺钉6、壳体7、底盖8、引出孔9、应变探头17和外接传输线18；土压力传感器采用了双层膜片结构；一次膜片3通过边缘的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起，二次膜片4焊接在壳体7的内环上，一次膜片3和二次膜片4之间形成的传压油腔5通过油嘴2注满液压油，位于二次膜片4下方的带有传感元件的应变探头17通过壳体7内部的引出孔9与外接传输线18相连接，环氧树脂对引出孔9进行密封，最后壳体7与底盖8螺纹连接，构成基于液压传动的双膜式土压力传感器。
其中，所述的二次膜片4的直径小于一次膜片3的直径；所述的传压油腔5可以通过内部的液压油把一次膜片3受的均布土压力等值传递到二次膜片4上；所述的一次膜片3通过粘接在一次膜片3外环的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起；所述的液压油具有适宜的粘度和良好的抗压性；所述的引出孔9为壳体7内部沿直径方向为引线预留的细孔。
其中，环状膜片1、油嘴2、一次膜片3、二次膜片4、密封螺钉6、壳体7、底盖8、引出孔9、应变片10、外接电缆11、圆球12、扇形固定块13、等强度悬臂梁14、光纤Bragg光栅15、外接光缆16、外接传输线18都是市场普通的元件。
所示的双膜式土压力传感器的使用包括传感器的掩埋和信号的处理两个过程；传感器的掩埋过程中首先在实验室利用标定装置对土压力传感器进行标定，获取传感器的初始输出信号；然后选取要测量土压力的某深度的接触面，挖开周围土体，在接触界面的桩或者墙面上凿个平底孔，保持一次膜片3向外把土压力传感器放入孔中，注意保护外接传输线18；传感器的掩埋完成后，进入信号的处理过程，土压力传感器的一次膜片3会感受到土体的均布压力 进而发生挠度变化，传压油腔5的液压油在受到一次膜片3的挤压作用时，根据静止流体力学中静压强的等值性一个等值的均布压力会作用在二次膜片4上，二次膜片4的中心会产生对应的挠度变化和径向应变，带有传感元件的应变探头17感受到挠度变化和径向应变后，产生受力之后的输出信号，根据输出信号相对于初始输出信号的变化量反算出土压力传感器感受到的均布土压力。
所述的双膜式土压力传感器放入后，土压力传感器凸出界面的高度约为5；在填土过程中先用粒径小于10的土质回填约50的高度，然后填充普通土，并压实完成土压力传感器的埋设。
本发明的液压传递数学模型如下：
当一次膜片受到一个均布压力并达到稳定时，根据静止流体力学中静压强的等值性，二次膜片也受到来自油体的均布压力。根据圆形薄板小挠度变形理论，二次膜片产生的挠度为：
（1）
式（1）中，为二次膜片厚度，为二次膜片杨氏弹性模量，为二次膜片泊松比，为二次膜片的半径，为从二次膜片中心沿半径方向的距离。
在二次膜片的中心处（）,最大挠度为：
（2）
在二次膜片半径上的径向应变为：
（3）
对于带有传感元件的应变探头,工作原理为：
（4）
式（4）中，为应变探头的输出信号变化量，为应变，为挠度。
把（2）、（3）式代入（4）式，则应变探头的信号变化量与匀布压力的关系为：
（5）
由（5）式可知：应变探头的信号变化量与匀布压力存在对应的数学关系。因此，我们检测到应变探头的信号变化量就可以反算出匀布压力。
本发明的有益效果是：
1、适应性强，由于采用双膜结构，撇开了土压力分布不均和土质种类不同的影响,对不同性质和粒径的土质有良好的适应性；
2、准确度高，由于一次膜片的边缘为环状膜片，作用在一次膜片表面的介质压力部分地消除了环状膜片在传压油腔液体压力作用下可能产生的隆起，从而提高了传压油腔的传压效能，提高了测量的准确性；
3、标定简单，本发明采用双膜结构，使传感器的标定曲线不因所接触的土质种类不同而有明显差异，从而大大简化了土压力传感器的标定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实例1的结构示意图；
图3为本发明实例2的结构示意图；
图4为本发明实例3的结构示意图；
图中：1-环状膜片、2-油嘴、3-承压板、4-二次膜片、5-传压油腔、6-密封螺钉、7-壳体、8-底盖、9-引出孔、10-应变片、11-外接电缆、12-圆球、13-扇形固定块、14-等强度悬臂梁、15-光纤Bragg光栅、16-外接光缆、17-应变探头、18-外接传输线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明：
如图1所示为基于液压传动的双膜式土压力传感器结构示意图，其中，环状膜片1粘接在一次膜片3的边缘，一次膜片通过边缘的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起，二次膜片4焊接在壳体7的内环上，通过油嘴2向一次膜片3和二次膜片4之间形成的传压油腔5注满液压油，位于二次膜片4下方的带有传感元件的应变探头17通过壳体7内部的引出孔9与外接传输线18相连接，环氧树脂对引出孔9进行密封，最后壳体7与底盖8螺纹连接，构成基于液压传动的双膜式土压力传感器。
为了更好实施本发明，本发明提出以下三种实施装置；
实施例1：
本发明提供了一种实施例的结构示意图，如图2所示：应变片10以二次膜片4的圆心为中点粘贴在下表面的一条直径上，应变片10通过引出孔9与外接电缆11相连接，然后使用环氧树脂对引出孔9进行密封。
本实例的传感模型：
膜片上沿半径方向的应变分布不是常量，沿某一直径对称粘贴在膜片中心处的应变片，在标距范围内径向应变的平均值为：
（6）
式（6）中，为应变片的标距。
根据应变片的工作原理:
（7）
式（7）中，为应变片原始电阻值；为伸长或压缩所引起的电阻变化量；为比例常数(应变片常数)；为轴向应变。
把（6）式带入（7）式，则电阻变化量与匀布压力的关系为：
（8）
由（8）式可知：当应变片和膜片的材料选定后，电阻变化量与匀布压力成线性关系。
本实施例可以按照本发明所述的使用方法进行，只是在利用信号分析装置获取土传感器中应变片的电阻变化量，根据（8）式反算出匀布压力。
实施例2：
本发明还提供了一种改进装置，如图3所示：二次膜片4通过圆球12与等强度悬臂梁14的自由端紧密接触，圆球12固定在等强度悬臂梁14的自由端，圆球12的顶部与二次膜片4的下表面紧密接触，接触点为二次膜片4的圆心；等强度悬臂梁14的固定端用扇形固定块13固定在壳体7的内部，应变片10粘贴在等强度悬臂梁14上表面的中心轴线上，应变片10通过引出孔9与外接电缆11相连接，最后使用环氧树脂对引出孔9进行密封。
本实例的传感模型：
如图3所示，二次膜片的变形推动其圆心下方的圆球向下移动，压迫等强度悬臂梁发生方向相当、大小相等的挠度变化，即等强度悬臂梁的挠度变化为。
等强度悬臂梁上各点的轴向应变与自由端挠度的关系为：
（9）
式（9）中，为等强度悬臂梁厚度，为等强度悬臂梁长度。
把（2）式带入（9）式，则悬臂梁中心轴线上的应变与匀布压力的关系为：
（10）
应变片电阻变化的公式为：
（11）
其中，为应变片原始电阻值；为伸长或压缩所引起的电阻变化量；为比例常数(应变片常数)；为应变。
由于应变片粘贴在等强度悬臂梁上表面中心轴线上，应变片的应变也为，则把（10）式带入（11）式，得到电阻变化量与匀布压力的关系为：
（12）
由（12）式可知：当应变片、膜片和悬臂梁的材料尺寸参数选定后，电阻变化量与匀布压力成线性关系。
根据发明内容中所述的埋设使用方法，利用信号分析装置获取土传感器中应变片的电阻变化量，根据（12）式反算出匀布压力。
实施例3：
图4为本发明的优选结构示意图，其中，二次膜片4通过圆球12与等强度悬臂梁14的自由端紧密接触，圆球12固定在等强度悬臂梁14的自由端，圆球12的顶部与二次膜片4的下表面紧密接触，接触点为二次膜片4的圆心；等强度悬臂梁14的固定端用扇形固定块13固定在壳体7的内部，光纤Bragg光栅15粘贴在等强度悬臂梁14上表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅15通过引出孔9与外接光缆16相连接，最后使用环氧树脂对引出孔9进行密封。
与实例2相似，光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：
（13）
式（13）中，为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长移位量，=0.22为有效弹-光系数，为轴向应变量。
把（10）式代入（13）式，则光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与匀布土压力的关系为：
（14）
根据式（14），光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对匀布土压力的响应灵敏度为：
（15）
由于涉及部件较多，实例3作为本传感器的优选装配，现将实例3的装配过程说明如下：
1. 在等强度悬臂梁上表面的中心轴线上粘贴光纤Bragg光栅，尾纤从光纤引出孔引出；
2. 把等强度悬臂梁的固定端放置在扇形固定块的上方，使沉头螺钉穿过通孔，待沉头螺钉旋紧后，等强度悬臂梁被固定在壳体的内环上；
3. 使用金属胶把圆球放置并固定在等强度悬臂梁自由端的小孔上；
4. 把二次膜片焊接在壳体的内环上；
5. 把一次膜片通过边缘的环状膜片与壳体的外环粘接在一起；
6. 通过油嘴向传压油腔内注入液压油，待液压油注满后，把油嘴上的密封螺钉旋紧；
7. 旋紧底部盖板，装配完成。
根据发明内容中所述的埋设使用方法，利用光纤分析仪获取土传感器中光纤Bragg光栅的波长变化量，根据（15）式反算出匀布压力。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (4)
1.一种基于液压传动的双膜式土压力传感器，其特征是：包括一次膜片（3）、二次膜片（4）、传压油腔（5）、油嘴（2）、密封螺钉（6）、壳体（7）、底盖（8）、引出孔（9）、应变探头（17）和外接传输线（18）；所述的土压力传感器采用了双层膜片结构；一次膜片（3）通过边缘的环状膜片（1）与壳体（7）外环粘接在一起，二次膜片（4）焊接在壳体（7）内环上，通过油嘴（2）向一次膜片（3）和二次膜片（4）之间形成的传压油腔（5）注满液压油，位于二次膜片（4）下方的带有传感元件的应变探头（17）通过壳体（7）内部的引出孔（9）与外接传输线（18）相连接，环氧树脂对引出孔（9）进行密封，最后壳体（7）与底盖（8）螺纹连接，构成基于液压传动的双膜式土压力传感器。
2.根据权利要求1所述的基于液压传动的双膜式土压力传感器，其特征是：所述的一次膜片（3）通过粘接在一次膜片（3）外环的环状膜片（1）与壳体（7）的外环粘接在一起。
3.根据权利要求2所述的基于液压传动的双膜式土压力传感器，其特征是：所述的二次膜片（4）的直径小于一次膜片（3）的直径。
4.根据权利要求3所述的基于液压传动的双膜式土压力传感器，其特征是：应变片（10）以二次膜片（4）的圆心为中点粘贴在下表面的一条直径上，应变片（10）通过壳体（7）内部的引出孔（9）与外接电缆（11）相连接，最后使用环氧树脂对引出孔（9）进行密封。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20150422 Termination date: 20151206 |
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