CN104729777A - 一种用于相似模拟试验的应力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相似模拟试验的应力测试装置及方法，该装置包括应力测量单元，信号放大器，信号采集装置，数据处理装置；利用薄膜传感器（或传感器阵列）和承载装置同时测量多方向应力的装置。本发明解决了现有相似模拟应力测试装置中无法同时、有效、准确测量各个方向的应力的问题，并提高了试验结果的精确度。

Description

一种用于相似模拟试验的应力测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于相似模拟试验的应力测试装置及方法，尤其是涉及到岩土、矿山等相似模拟应力测试实验装置及方法。

背景技术

相似模拟试验是一种建立在相似理论和因次分析基础上，利用相似材料模拟真实的岩土和采矿地质和工程条件，采用一定的相似比，研究岩土或采矿工程对围岩环境及工程设施的影响规律的实验方法。

在实际应用过程中，主要测量的参数有两个：位移与应力变化。位移变化规律一般采用全站仪观测，能达到很高的精度，而应力的变化规律的测量却存在很多问题。这是因为应力的测量常采用应变片和土压力盒进行。应变片的使用是通过测量相似材料的应变换算成应力，以达到测量的目的。虽然应变片的价格便宜，测量精度高，但是对使用环境及操作有较高的要求，安装时要求粘贴的方向和位置必须准确无误。在相似模拟试验中，由于相似材料经过水拌合后比较潮湿，会影响应变片的电阻变化规律，不能很好地反映真实的数值，另一方面由于应变片要求紧密的粘贴到被测物体上才能准确的测出物体应变，但是将应变片埋设到相似材料中，应变片很难紧密粘结到相似材料上，另外应变片两侧均被粘结，两侧发生的应变相互影响降低了数据的准确性和合理性，如果相似材料与应变片粘结不紧密则可能造成没有数据的情况，这种情况在真实的使用过程中，并不鲜见，一般能达到50%左右。土压力盒是一种用于土应力测量的装置，其作用原理是通过一侧（或同一方向两侧）承压膜的变形最终换算成应力值以实现应力的测量。土压力盒具有对潮湿环境的适应性好，安装要求低的特点，在非破坏型的模拟试验中可以很好的实现应力变化规律的测量，但是对于像矿藏被开采，引起顶板垮落这种类型的模式时，会因为周围围岩的破坏和大变形造成压力转移到非承压膜侧，造成承压膜受力与真实压力值相差很大的问题，严重的则无法测量数据。

土压力盒还有另外一个问题限制了它的应用，就是一个土压力盒不能同时测各个方向上的应力。虽然现有的双膜土压力盒和应测量同一方向上土压力盒两侧的不同压力，但是由于承压膜变形的相互影响，至今无法实现相邻面同时测量的问题，即无法同时一个位置的垂直和水平应力，更不用说各个方向的应力。当然使用多个土压力盒各个方向安装可以测到各个方向的应力，但是由于距离太近相互影响造成测量极不准确，且也不是测量同一位置的应力。这样更无法反映真实的应力变化规律。

较新发展的光纤应力传感器，虽然在相似模拟试验中有所应用，可以测量各个方向上的合力，但是无法得出应力主方向和某一方向的分力，在现有文献《相似模拟试验中的光纤光栅测试研究》中提出了用光纤应力传感器测应力应变规律的方法，这也限制了光纤应力传感器在相似模拟中的应用。在现有文献和现有专利中也没有其他类似的装置公布或授权。

鉴于现有应力测量装置无法同时、有效、准确测量各个方向的应力变化的问题。亟待发明一种在相似模拟试验中能够同时精确便捷的测量同一位置各个方向应力的装置。

发明内容

本发明旨在提供一种用于相似模拟试验的应力测试装置及方法，利用薄膜传感器（或传感器阵列）和承载装置同时测量多方向应力的装置，解决了现有相似模拟应力测试装置中无法同时、有效、准确测量各个方向的应力的问题，并提高了试验结果的精确度。

本发明提供了一种用于相似模拟试验的应力测试装置，包括应力测量单元，信号放大器，信号采集装置，数据处理装置；所述应力测量单元包括压力柱、受压板、传感器、导线，压力柱的外表面上均匀设有凸台，凸台上设有传感器，传感器位于受压板内侧，二者之间有间隙，在压力柱两底面上设有与各个柱面对应的凹槽，用来固定受压板，受压板由面板和两端的约束板组成，面板宽度小于压力柱单个柱面的宽度且大于凸台的宽度，以保证受压板收到的压力能精确地传递到薄膜压力传感器上，约束板与凹槽的形状相同，但其厚度和主平面的面积都比凹槽的厚度和主平面的面积小，目的是凹槽在固定约束板的同时使其有活动空间，这样可以保护受压板在收到较大的瞬时压力时约束板不被损坏同时使导线从约束板和凹槽的微小间隙中通过，导线一端连接传感器，另一端连接传输模块，导线外装有护套管；若干个应力测量单元设置在相似模拟试验台内，相似模拟试验台连接信号放大器，信号放大器连接信号采集装置，信号采集装置连接数据处理装置。

作为一种优选方案，所述压力柱为棱柱，传感器分布在每个柱面上，传感器外侧设有受压板，在棱柱两底面上均匀设有凹槽，凹槽与棱柱的柱面对应设置，用来约束受压板；所述受压板的面板为平面。进一步地，所述压力柱的横截面外接圆直径为15~30mm，厚度为10~30mm。

作为另一种优选方案，所述压力柱为圆柱体，传感器分布在整个柱面上，传感器外侧设有受压板，在圆柱体两底面上均匀设置6~8个凹槽，用来约束受压板；所述受压板的面板为弧形面。

上述方案中，所述传感器为薄膜压力传感器或薄膜压力传感器阵列。

上述方案中，所述传感器采用无线传输信号时，压力柱中心安装有无线传输模块，受压板的约束板与凹槽之间设有间隙，保护约束板和受压板不受损坏；安装有无线传输模块的压力柱中心部分与凹槽之间设有钻孔，传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱内导入，与无线传输模块连接，压力信号经由无线传输模块向外导出。

上述方案中，所述传感器采用有线传输信号时，压力柱中心部分为实心，约束板与凹槽之间有间隙，使受压板在受到较大压力时有活动间隙，保护约束板和受压板不受损坏；压力柱的中心部分与凹槽之间设有钻孔，传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱外导出，连接信号放大器和信号采集装置。

上述方案中，所述凹槽的形状为三角形、椭圆形或半圆形。优选半圆形。

本发明提供的装置中，压力柱的形状为圆柱体或正棱柱体中的任一种。如果压力柱为正棱柱体，压力柱端面上的凹槽与受压板之间有一定的间隙，当受压板收到较大压力时，可以有一定的活动空间保护受压板不受损伤；如果压力柱为圆柱体，薄膜压力传感器分布在整个柱面上，薄膜压力传感器上方设有受压板，在压力柱两端面上均匀设置凹槽，用来约束受压板，当受压板受到较大压力时，可以更好的保护受压板。从薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列上引出的导线，经由约束板与凹槽的间隙及压力柱内的钻孔导出。

本发明提供了一种用于相似模拟试验的应力测试方法，采用上述用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将压力柱、传感器、受压板、无线传输模块、电源导线组装，再采用聚乙烯薄膜封装；

（2）将每个薄膜压力传感器按照测量应力的方向进行编号，以方便记录和分析；

（3）按照试验设计方案，将应力测量单元埋设到相似材料中；

（4）在进行模拟开挖时，顶板变形造成应力应变变化，受力板将应力变化传到薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列上；

（5）相似模拟试验台连接信号放大器，信号放大器用来放大传感器信号，设置多个放大量级，实现多用途；信号放大器将信号放大后传送给信号采集装置；

（6）利用信号采集装置采集数据并传输到数据处理装置，进行数据的整理与分析。

当传感器采用有线传输信号时，导线向压力柱外导出，导线装有护套管，用来保护导线，防止在使用过程中损坏；当传感器采用无线传输信号时，导线向压力柱内导入，并连接安装有电源的无线传输模块。

本发明的有益效果：

（1）本发明对于潮湿环境的适应性好，安装要求较低，便于操作，测量到的数值精确度高，解决了数据缺失的问题；

（2）本发明在薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列上设置了受压板，可以有效避免当模拟开挖时造成的顶板垮落引起的应力转移，能够得到更为精确的测量值；

（3）本发明采用单点式薄膜压力传感器或薄膜压力传感器阵列，同时把多个单点式压力传感器或薄膜压力传感器阵列布置在压力柱上，能够同时测得同一位置各个方向的应力值及其应力主方向，同时将各个传感器之间的相互影响降到最低；

（4）本发明在压力柱端面加工凹槽可以约束受力板的受力方向，并且在使用中涂抹润滑油进一步减少摩擦，使得测量值更准确。

附图说明

图1是实施例1应力测量单元的结构模型。

图2是图1的主视图。

图3是图2的A-A剖面图。

图4是实施例1相似模拟试验应力测试系统结构图。

图5是实施例2应力测量单元的结构模型。

图6是图5的主视图。

图7是图6的B-B剖面图。

图8是C处的放大图。

图9是实施例2相似模拟试验应力测试系统结构图。

图中，1-受压板，2-薄膜压力传感器，3-凹槽，4-导线，5-无线传输模块，6-钻孔，7-相似模拟实验台，8-应力测量单元，9-信号放大器，10-信号采集装置，11-数据处理装置；12-第二受压板，13-薄膜压力传感器阵列，14-第二凹槽，15-第二钻孔，16-第二无线传输模块，17-凸台,18-第二相似模拟实验台，19-第二应力测量单元，20-第二信号放大器，21-第二信号采集装置，22-第二数据处理装置。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：以棱柱作为应力测量单元

如图1~4所示，棱柱为八棱柱。

在应力测量单元每个柱面上都有一个小型凸台，在每个凸台上都装有薄膜应力传感器2，在对应的端面上加工凹槽3，用来约束受压板1，凹槽的长度略小于端面长度，其形状可以为三角形、椭圆形或半圆形，优先选择半圆形，半圆形可减小约束板与凹槽之间的摩擦。约束板与压力柱端面间留有间隙，薄膜压力传感器或压力传感器阵列引出导线4，在应力测量单元凹槽底部设有钻孔6，其与约束板和凹槽3之间的间隙相通，导线4通过上述间隙和钻孔6导出。以应力测量单元中心为圆心，小于中心到凹槽底部的距离为半径扩通孔，内部装有无线传输模块5，当传感器采用无线传输信号时，导线经由约束板和凹槽之间的间隙和钻孔向压力柱内导入，并连接安装有电源的无线传输模块。当传感器采用有线传输信号时，导线经由约束板和凹槽之间的间隙和钻孔向压力柱外导出。

对于二维相似模拟试验来说，对于圆柱体来说，应力测量单元8柱面上的凸台环绕在整个柱面上成一整体，对应的传感器类型为薄膜压力传感器阵列，而对于正棱柱体来说则采用多个单点式薄膜压力传感器。

面板和约束板采用较硬的材料，防止使用过程中发生变形，影响测量精度。对于弧面面板是与圆柱面配合使用的，而平面面板是配合正多面柱体使用的，约束板优先选择摩擦最小的半圆形。约束板安装时涂抹润滑油，以减少其与压力柱凹槽的摩擦。

通过钻孔导出导线和护套管可以有效的保护传感器与导线，防止在试验过程中，因相似模拟材料瞬时位移过大（垮落）而损坏。

信号放大器9的实质作用是将微弱的信号放大，其内部有一个三极管和场效应管组成的放大电路，放大电路的功能是利用晶体管的作用，把输入的微弱信号不失真的放大到所需要的数值。对于信号放大器，首先其增益大而且稳定性较好，因为实验环境是比较恶劣的，在环境恶劣的情况下它的各项性能不能有太大的波动，否则会严重影响其工作效果；其次放大器的失真在合理的范围之内，所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形相比较发生了较大的变化，如果失真严重则放大器就会失去其本来的意义。由于薄膜压力传感器测到的应力变化的数据信号较微弱，经过信号放大器的放大可以采集到更精确的数据。

信号采集装置10是从系统外部采集数据并输入到系统内部然后送到上位机分析处理的一种装置。其功能是采集薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机。对于信号采集装置的要求是在保证系统具备采样精度的条件下，有尽可能高的采样速度，以满足实时处理、控制的要求。

数据处理装置11是将信号放大器传输来的数据信号进行加工、整理和分析。计算成各种分析指标，并对处理后的信息进行有序贮存。

相似模拟试验应力测试装置的工作过程是：

（1）将压力柱、薄膜压力传感器2、受压板1、无线传输模块5、电源导线4组装，再采用聚乙烯薄膜封装；

（2）将每个薄膜压力传感器2按照测量应力的方向进行编号，以方便记录和分析；

（3）按照试验设计方案，将应力测量单元8埋设到相似材料中；

（4）在进行模拟开挖时，顶板变形造成应力应变变化，受压板1将应力变化传到薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列上；

（5）相似模拟试验台7连接信号放大器8，信号放大器8用来放大传感器信号，设置多个放大量级，实现多用途；信号放大器8将信号放大后传送给信号采集装置10；

（6）利用信号采集装置10采集数据并传输到数据处理装置11，进行数据的整理与分析。

实施例2：以圆柱作为应力测量单元

图5~9所示，以圆柱作为应力测量单元。

在第二应力测量单元19的圆柱面上有一层凸台17，在凸台17上设有薄膜压力传感器阵列13，在凸台17上方设有第二受压板12，第二受压板12与薄膜压力传感器阵列13之间有微小间隙，使第二受压板受到的压力可以精确的传递到薄膜压力传感器阵列上。在压力柱端面上均匀的设有八个凹槽，用来约束受压板1，其形状可以为三角形、椭圆形或半圆形，优先选择半圆形，半圆形可减小约束板与凹槽之间的摩擦。约束板与压力柱端面间留有微小间隙，薄膜压力传感器阵列13引出导线，在第二应力测量单元凹槽底部设有第二钻孔15，其与约束板和第二凹槽14之间的间隙相通，导线通过上述间隙和第二钻孔15导出。以第二应力测量单元19中心为圆心，小于中心到凹槽底部的距离为半径扩通孔，内部装有第二无线传输模块16，当传感器采用无线传输信号时，导线经由约束板和第二凹槽14之间的间隙和第二钻孔15向压力柱内导入，并连接安装有电源的第二无线传输模块16。当传感器采用有线传输信号时，导线经由约束板和第二凹槽14之间的间隙和第二钻孔15向压力柱外导出。

对于二维相似模拟试验来说，对于圆柱体来说，当传感器采用无线传输信号时，压力柱中心部分是空心的，安装有无线传输模块，约束板与凹槽之间有微小间隙使受压板在受到较大压力时有活动间隙，保护约束板和受压板不受损坏；安装有无线传输模块的中心部分与凹槽之间设有钻孔，薄膜压力传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱内导入，与无线传输模块连接，压力信号经由无线传输模块向外导出；当传感器采用有线传输信号时，压力柱中心部分是实心的，约束板与凹槽之间有微小间隙使受压板在受到较大压力时有活动间隙，保护约束板和受压板不受损坏；压力柱的中心部分与凹槽之间设有钻孔，薄膜压力传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱外导出，连接信号放大器和信号采集装置。

相似模拟试验应力测试装置的工作过程是：

（1）将压力柱、薄膜压力传感器、第二受压板12、第二无线传输模块16、电源导线组装，再采用聚乙烯薄膜封装；

（2）将每个薄膜压力传感器按照测量应力的方向进行编号，以方便记录和分析；

（3）按照试验设计方案，将第二应力测量单元19埋设到相似材料中；

（4）在进行模拟开挖时，顶板变形造成应力应变变化，受力板将应力变化传到薄膜传感器阵列13上；

（5）第二相似模拟试验台18连接第二信号放大器20，第二信号放大器20用来放大传感器信号，设置多个放大量级，实现多用途；第二信号放大器20将信号放大后传送给第二信号采集装置21；

（6）利用第二信号采集装置21采集数据并传输到第二数据处理装置22，进行数据的整理与分析。

Claims (9)

1. 一种用于相似模拟试验的应力测试装置，包括应力测量单元，信号放大器，信号采集装置，数据处理装置；其特征在于：

所述应力测量单元包括压力柱、受压板、传感器、导线，压力柱的外表面上均匀设有凸台，凸台上设有传感器，传感器位于受压板内侧，在压力柱两底面上设有与各个柱面对应的凹槽，用来固定受压板，受压板由面板和两端的约束板组成，面板长度与压力柱厚度一致，面板宽度小于压力柱单个柱面的宽度且大于凸台的宽度，约束板与凹槽的形状相同，但其厚度和主平面的面积都比凹槽的厚度和主平面的面积小，导线一端连接传感器，另一端连接传输模块，导线外装有护套管；

若干个应力测量单元设置在相似模拟试验台内，相似模拟试验台连接信号放大器，信号放大器连接信号采集装置，信号采集装置连接数据处理装置。

2.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：所述压力柱为棱柱，传感器分布在每个柱面上，传感器外侧设有受压板，在棱柱两底面上均匀设有凹槽，凹槽与棱柱的柱面对应设置，用来约束受压板；所述受压板的面板为平面。

3.根据权利要求2所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：所述压力柱的横截面外接圆直径为15~30mm，厚度为10~30mm。

4.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：所述压力柱为圆柱体，传感器分布在整个柱面上，传感器外侧设有受压板，在圆柱体两底面上均匀设置6~8个凹槽，用来约束受压板；所述受压板的面板为弧形面。

5.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：所述传感器为薄膜压力传感器或薄膜压力传感器阵列。

6.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：所述传感器采用无线传输信号时，压力柱中心安装有无线传输模块，受压板的约束板与凹槽之间设有间隙，保护约束板和受压板不受损坏；安装有无线传输模块的压力柱中心部分与凹槽之间设有钻孔，传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱内导入，与无线传输模块连接，压力信号经由无线传输模块向外导出。

7.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：所述传感器采用有线传输信号时，压力柱中心部分为实心，约束板与凹槽之间有间隙，使受压板在受到较大压力时有活动间隙，保护约束板和受压板不受损坏；压力柱的中心部分与凹槽之间设有钻孔，传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱外导出，连接信号放大器和信号采集装置。

8.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：所述凹槽的形状为三角形、椭圆形或半圆形。

9.一种用于相似模拟试验的应力测试方法，采用权利要求1~8任一项所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将压力柱、传感器、受压板、无线传输模块、电源导线组装，再采用聚乙烯薄膜封装；

（2）将每个薄膜压力传感器按照测量应力的方向进行编号，以方便记录和分析；

（3）按照试验设计方案，将应力测量单元埋设到相似模拟材料中；

（4）在进行模拟开挖时，顶板变形造成应力应变变化，受力板将应力变化传到薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列上；

（5）相似模拟试验台连接信号放大器，信号放大器用来放大传感器信号，信号放大器将信号放大后传送给信号采集装置；

（6）利用信号采集装置采集数据并传输到数据处理装置，进行数据的整理与分析。