CN104897046A - 一种三轴试样局部轴向应变测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴试样局部轴向应变测量装置及其测量方法，即一种三轴试样局部轴向应变测量装置在传统的三轴试样装置基础上增加了模块Ⅰ和模块Ⅱ；所述模块Ⅰ包括钢丝Ⅰ、钢丝Ⅱ、垫块、薄板Ⅱ和两块条形磁铁；所述模块Ⅱ包括薄板Ⅰ和两个赫尔元件。本发明基于上述装置还公开了一种三轴试样局部轴向应变测量的方法，即将模块Ⅰ和模块Ⅱ粘贴在试样外壁的橡皮膜上，然后按照常规的三轴试验进行。本发明的测量装置及方法能消除常规三轴试验的三大误差，使试验数据更加可靠，且结构简单，操作方便，价格便宜，稳定性好。

Description

一种三轴试样局部轴向应变测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，特别涉及一种三轴试样局部轴向应变测量装置及其测量方法。

背景技术

如果在一个半导体薄板上通以电流，并在电流的垂直方向施加一个磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将会产生电势差，这种物理现象称为赫尔效应，所产生的电势差称为赫尔电压。目前利用赫尔效应生产的赫尔元件，通常用于检测磁场和检测电流，但在微小位移检测中很少使用。

根据赫尔效应原理可知，电势差U与电流强度I和磁感应强度B成正比，与薄板的厚度d成反比，当其他条件不变时，磁感应强度B与输出电压U有线性关系，已知输出电压U，可根据该线性关系测量磁感应强度B。由于永磁体的磁场是呈均匀梯度变化的，如果赫尔元件在该均匀梯度磁场中移动，那么元件所受的磁感应强度B由该位移量S来决定，结合输出电压U和磁感应强度B之间的线性关系，可由输出电压U来确定位移量S，从而利用赫尔效应来测量微小位移成为可能。

常规的三轴试验，通常利用位于压力室外的位移传感器来测量试样的轴向变形，测得的变形通常用试样上下两端的相对运动来表示。由于试样、透水石、滤纸、加载帽等仪器是柔性的，在加载作用下，仪器本身也会产生变形，因此用该变形来代表试样的变形将产生较大的误差，也就是设备柔性误差。再者由于滤纸和透水石很难做到完全光滑，因此试样与其接触部位存在摩擦，试样受到摩擦力作用，会受到横向或竖向的约束，端部变形较小，甚至为零，试样中部则不受约束，变形最大，试样的轴向变形呈梯度分布，从而导致试样变形不均匀，并且上部加载帽、试样、下部基座三者很难完全对准，就算制备试样时对准了，在加载过程中也可能会出现偏差，因此用整个试样上下两端的相对位移来表示试样的变形将存在端部约束误差和基座误差。

发明内容

本发明的目的是消除传统三轴试验外部位移传感器测量的三大误差，提供一种三轴试样局部轴向应变测量装置及其测量方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是：

一种三轴试样局部轴向应变测量装置，在传统的三轴试样装置的基础上增加了模块Ⅰ和模块Ⅱ。所述模块Ⅰ包括钢丝Ⅰ、钢丝Ⅱ、垫块、薄板Ⅱ和两块条形磁铁。所述模块Ⅱ包括薄板Ⅰ和两个赫尔元件。

所述垫块粘贴在试样外围的橡皮膜上。所述垫块的左侧面与橡皮膜贴合，右侧面上开有两个圆孔。两个圆孔的位置呈上下分布。

所述薄板Ⅱ位于垫块的下方。两块所述条形磁铁平行粘贴在薄板Ⅱ的一侧板面上。两块所述条形磁铁均平行于水平面且在竖直方向上重合。两块所述条形磁铁的N极指向相同，S极指向相同。两块所述条形磁铁的磁极指向试样侧壁。两块条形磁铁之间的磁感应强度B为0Gs。

所述钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ粘贴在薄板Ⅱ的另一侧板面上。所述钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ均分为上端的垂直弯折段、中间的直线段和下端的弯钩段。所述钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ的垂直弯折段分别水平插入两个圆孔内。所述钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ的直线段均垂直于水平面。所述钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ的弯钩段勾住薄板Ⅱ的下端。所述钢丝Ⅰ、钢丝Ⅱ、薄板Ⅱ和两块条形磁铁用PTFE带缠绕并密封固定在一起。

所述薄板Ⅰ位于垫块的正下方。所述薄板Ⅰ粘贴在试样外围的橡皮膜上。所述薄板Ⅰ与薄板Ⅱ位于同一水平位置。所述薄板Ⅰ与薄板Ⅱ的板面相互垂直。所述薄板Ⅰ的板面上贴有两个赫尔元件。两个所述赫尔元件的水平位置位于两块条形磁铁的水平位置之间。所述薄板Ⅰ和两个赫尔元件用PTFE带缠绕并密封固定在一起。

进一步，两个所述赫尔元件正面(有编号面)对应正面或背面(无编号面)对应背面进行重叠放置，然后粘贴在薄板Ⅰ上。或者，两个赫尔元件的正面和背面朝向相反，间隔适当距离进行平铺。

本发明还公开一种基于上述装置的一种三轴试样局部轴向应变测量方法，包括以下步骤：

1)制备三轴试样并用橡皮膜包裹密封；

2)在薄板Ⅱ的一侧上平行放置两块条形磁铁，两块条形磁铁的N极指向相同，S极指向相同，然后用高斯计测量两块条形磁铁之间的磁感应强度，不断调整两块条形磁铁的距离，直至高斯计测量出的磁感应强度为0Gs；

3)在薄板Ⅱ的另一侧粘贴钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ，且将钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ的下端做成弯钩状，然后勾住薄板Ⅱ的下端；

4)将贴好的两块条形磁铁、钢丝Ⅰ、钢丝Ⅱ和薄板Ⅱ用PTFE带缠绕密封固定在一起；

5)将钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ上端进行直角弯折，把弯折段插入垫块的圆孔中，然后在孔洞四周涂抹密封胶进行固定密封，组成模块Ⅰ；

6)将两个赫尔元件正面对应正面或者背面对应背面进行重叠，两个赫尔元件之间用密封胶进行粘贴；或者，将两个赫尔元件的正面和背面朝向相反，间隔适当距离进行平铺；然后任选一种布置方式，把两个赫尔元件粘贴在薄板Ⅰ上；

7)将两个赫尔元件和薄板Ⅰ用PTFE带缠绕密封在一起，组成模块Ⅱ；

8)将模块Ⅰ的垫块粘贴在试样上端三分之一处的橡皮膜上；将模块Ⅱ的薄板Ⅰ粘贴在试样下端三分之一处的橡皮膜上；并保证两个赫尔元件的水平位置位于两块条形磁铁的水平位置之间；

9)将带有模块Ⅰ和模块Ⅱ的三轴试样放入压力室，并将每个赫尔元件的三条数据线用PTFE带包裹成一股从基座引出；

10)将压力室就位调零，然后将引出的三条数据线分别接电源线、零线和电压表；

11)进行常规三轴剪切试验；

12)在试验过程中，用电压表测量赫尔电压并记录；

13)在试验过程中，测量模块Ⅰ和模块Ⅱ的相对位移，并绘制位移与赫尔电压的线性关系图；

14)结合位移与赫尔电压之间的线性关系，由电压表测得的赫尔电压换算赫尔元件的位移值，即试样的局部轴向变形值。

进一步，所述步骤8)中两个赫尔元件与两块条形磁铁的水平相对位置通过选用合适长度的钢丝Ⅰ和钢丝Ⅱ进行保证。

本发明装置及测试方法具有的优点和效果如下：

1、所述的条形磁铁的N极指向相同、S极指向相同且平行布置，相互之间间隔适当距离，保证两条形磁铁之间的磁力线相互抵消，磁感应强度B为0Gs，然后将赫尔元件置于两条形磁铁的水平位置之间，输出电压为0V，可对赫尔元件进行调零处理，使测量数据更加可靠；

2、两块所述赫尔元件之间形成双赫尔差分电路，输出电压的差值为单个赫尔电压的两倍，增大变形测量的范围，输出的电压值为两个赫尔电压的平均值，因此输出的电压变化更加稳定，误差更小，甚至可以忽略。

本发明的测量装置能消除常规三轴试验的三大误差，使试验数据更加可靠，且结构简单，操作方便，价格便宜，稳定性好。

附图说明

图1为三轴试样局部轴向应变测量装置测量时的立面示意图；

图2为图1的A处局部放大图；

图3为图1中B-B处剖面示意图；

图4为图2中C-C处剖面示意图；

图5为图2中D-D处剖面示意图01；

图6为图2中D-D处剖面示意图02；

图7为两块条形磁铁的磁力线分布图。

图中：橡皮膜1、钢丝Ⅰ2、钢丝Ⅱ20、垫块3、薄板Ⅰ4、薄板Ⅱ40、赫尔元件5、赫尔元件引线6、条形磁铁8、圆孔9。

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，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种三轴试样局部轴向应变测量装置，在传统的三轴试样装置的基础上增加了模块Ⅰ和模块Ⅱ。所述模块Ⅰ包括钢丝Ⅰ2、钢丝Ⅱ20、垫块3、薄板Ⅱ40和两块条形磁铁8。所述模块Ⅱ包括薄板Ⅰ4和两个赫尔元件5。

参见图1，所述垫块3粘贴在试样外围的橡皮膜1上。所述垫块3大致在试样上端三分之一处。所述垫块3的左侧面与橡皮膜1贴合，右侧面上开有两个圆孔9。两个圆孔9的位置呈上下分布。

所述薄板Ⅱ40位于垫块3的下方。两块所述条形磁铁8平行粘贴在薄板Ⅱ40的一侧板面上。两块所述条形磁铁8均平行于水平面且在竖直方向上重合。两块所述条形磁铁8的质量轻盈，它们的N极指向相同，S极指向相同。两块所述条形磁铁8的磁极指向试样侧壁。两块条形磁铁8之间的距离经过调整，直至用高斯计测量出的磁感应强度B为0Gs时，用密封胶粘贴住。

所述钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20粘贴在薄板Ⅱ40的另一侧板面上。所述钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20均分为上端的垂直弯折段、中间的直线段和下端的弯钩段。所述钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20的垂直弯折段分别水平插入两个圆孔9内，然后在圆孔9四周均匀涂抹密封胶进行密封和防水处理。所述钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20的直线段均垂直于水平面。所述钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20的弯钩段勾住薄板Ⅱ40的下端。所述钢丝Ⅰ2、钢丝Ⅱ20、薄板Ⅱ40和两块条形磁铁8用PTFE带缠绕并密封固定在一起。缠绕后，PTFE带与器件贴合紧密，表面无气泡现象。所选PTFE带是聚四氟乙烯带，具有摩擦系数低，防腐蚀，防水且密封性能好的特点。

所述薄板Ⅰ4位于垫块3的正下方。所述薄板Ⅰ4粘贴在试样外围的橡皮膜1上。所述薄板Ⅰ4大致在试样下端三分之一处。所述薄板Ⅰ4与薄板Ⅱ40位于同一水平位置。所述薄板Ⅰ4与薄板Ⅱ40的板面相互垂直。所述薄板Ⅰ4的板面上贴有两个赫尔元件5。两个所述赫尔元件5正面(有编号面)对应正面或背面(无编号面)对应背面进行重叠放置。或者，两个赫尔元件5的正面和背面朝向相反，间隔适当距离进行平铺。然后粘贴在薄板Ⅰ4上。两个所述赫尔元件5的水平位置位于两块条形磁铁8的水平位置之间。两块条形磁铁8的磁极指向赫尔元件5。两个所述赫尔元件5的布置方式以便形成双赫尔差分电路，使输出电压变化更加稳定。并且赫尔元件5的赫尔电压会随着两块条形磁铁8的磁场变化而变化。所述薄板Ⅰ4和两个赫尔元件5用PTFE带缠绕并密封固定在一起，PTFE带与器件贴合紧密，表面无气泡现象。

实施例2：

一种三轴试样局部轴向应变测量方法，包括以下步骤：

1)制备三轴试样并用橡皮膜1包裹密封；

2)在薄板Ⅱ40的一侧上平行放置两块条形磁铁8，两块条形磁铁8的N极指向相同，S极指向相同，然后用高斯计测量两块条形磁铁8之间的磁感应强度，不断调整两块条形磁铁8的距离，直至高斯计测量出的磁感应强度为0Gs，然后用密封胶粘贴牢固；

3)在薄板Ⅱ40的另一侧粘贴钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20，且将钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20的下端做成弯钩状，然后勾住薄板Ⅱ40的下端；

4)将粘贴好的两块条形磁铁8、钢丝Ⅰ2、钢丝Ⅱ20和薄板Ⅱ40用PTFE带缠绕密封固定在一起；缠绕后，PTFE带与器件贴合紧密，无气泡现象；

5)将钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20上端进行直角弯折，把弯折段插入垫块3的圆孔9中，然后在孔洞四周涂抹密封胶进行固定密封，组成模块Ⅰ；

6)将两个赫尔元件5正面对应正面或者背面对应背面进行重叠，两个赫尔元件5之间用密封胶进行粘贴。或者将两个赫尔元件5的正面和背面朝向相反，间隔适当距离进行平铺。然后任选一种布置方式，把两个赫尔元件5粘贴在薄板Ⅰ4上；

7)将两个赫尔元件5和薄板Ⅰ4用PTFE带缠绕密封在一起，组成模块Ⅱ；缠绕后，PTFE带与器件贴合紧密，无气泡现象；

8)将模块Ⅰ的垫块3粘贴在试样上端三分之一处的橡皮膜1上；将模块Ⅱ的薄板Ⅰ4粘贴在试样下端三分之一处的橡皮膜1上，并保证两个赫尔元件5的水平位置位于两块条形磁铁8的水平位置之间；选用钢丝Ⅰ2和钢丝Ⅱ20时，已计算了它们的长短保证两块条形磁铁8的悬吊位置；

9)将带有模块Ⅰ和模块Ⅱ的三轴试样放入压力室，并将每个赫尔元件5的三条数据线用PTFE带包裹成一股从基座引出；

10)将压力室就位调零，然后将引出的三条数据线分别接电源线、零线和电压表；

11)进行常规三轴剪切试验，试验过程与常规三轴剪切试验相同，首先开启加压装置对试样周围施加相同的压力，然后施加轴向压力使试样发生剪切变形；

12)在试验过程中，带电的赫尔元件5在磁场中产生赫尔电压，赫尔电压通过赫尔元件引线6中的电压数据线输出，用电压表测量其数值并记录；

13)在试验过程中，由于受到轴线压力作用，试样发生轴向的剪切变形，即模块Ⅰ和模块Ⅱ的相对位移，从而赫尔元件5在磁场中产生位移，该位移值就是试样的局部轴向变形值，测量出该位移值并绘制位移与赫尔电压的线性关系图；

14)结合位移与赫尔电压之间的线性关系，由电压表测得的赫尔电压换算赫尔元件5的位移值，即试样的局部轴向变形值。

Claims (4)

1.一种三轴试样局部轴向应变测量装置，其特征在于：在传统的三轴试样装置的基础上增加了模块Ⅰ和模块Ⅱ；所述模块Ⅰ包括钢丝Ⅰ(2)、钢丝Ⅱ(20)、垫块(3)、薄板Ⅱ(40)和两块条形磁铁(8)；所述模块Ⅱ包括薄板Ⅰ(4)和两个赫尔元件(5)；

所述垫块(3)粘贴在试样外围的橡皮膜(1)上；所述垫块(3)的左侧面与橡皮膜(1)贴合，右侧面上开有两个圆孔(9)；两个圆孔(9)的位置呈上下分布；

所述薄板Ⅱ(40)位于垫块(3)的下方；两块所述条形磁铁(8)平行粘贴在薄板Ⅱ(40)的一侧板面上；两块所述条形磁铁(8)均平行于水平面且在竖直方向上重合；两块所述条形磁铁(8)的N极指向相同，S极指向相同；两块所述条形磁铁(8)的磁极指向试样侧壁；两块条形磁铁(8)之间的磁感应强度B为0Gs；

所述钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)粘贴在薄板Ⅱ(40)的另一侧板面上；所述钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)均分为上端的垂直弯折段、中间的直线段和下端的弯钩段；所述钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)的垂直弯折段分别水平插入两个圆孔(9)内；所述钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)的直线段均垂直于水平面；所述钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)的弯钩段勾住薄板Ⅱ(40)的下端；所述钢丝Ⅰ(2)、钢丝Ⅱ(20)、薄板Ⅱ(40)和两块条形磁铁(8)用PTFE带缠绕并密封固定在一起；

所述薄板Ⅰ(4)位于垫块(3)的下方；所述薄板Ⅰ(4)粘贴在试样外围的橡皮膜(1)上；所述薄板Ⅰ(4)与薄板Ⅱ(40)位于同一水平位置；所述薄板Ⅰ(4)与薄板Ⅱ(40)的板面相互垂直；所述薄板Ⅰ(4)的板面上贴有两个赫尔元件(5)；两个所述赫尔元件(5)的水平位置位于两块条形磁铁(8)的水平位置之间；所述薄板Ⅰ(4)和两个赫尔元件(5)用PTFE带缠绕并密封固定在一起。

2.一种三轴试样局部轴向应变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备三轴试样并用橡皮膜(1)包裹密封；

2)在薄板Ⅱ(40)的一侧上平行放置两块条形磁铁(8)，两块条形磁铁(8)的N极指向相同，S极指向相同，然后用高斯计测量两块条形磁铁(8)之间的磁感应强度，不断调整两块条形磁铁(8)的距离，直至高斯计测量出的磁感应强度为0Gs；

3)在薄板Ⅱ(40)的另一侧粘贴钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)，且将钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)的下端做成弯钩状，然后勾住薄板Ⅱ(40)的下端；

4)将贴好的两块条形磁铁(8)、钢丝Ⅰ(2)、钢丝Ⅱ(20)和薄板Ⅱ(40)用PTFE带缠绕密封固定在一起；

5)将钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)上端进行直角弯折，把弯折段插入垫块(3)的圆孔(9)中，然后在孔洞四周涂抹密封胶进行固定密封，组成模块Ⅰ；

6)将两个赫尔元件(5)正面对应正面或者背面对应背面进行重叠放置，两个赫尔元件(5)之间用密封胶进行粘贴；或者将两个赫尔元件(5)的正面和背面朝向相反，间隔适当距离进行平铺；然后任选一种布置方式，把两个赫尔元件(5)粘贴在薄板Ⅰ(4)上；

7)将两个赫尔元件(5)和薄板Ⅰ(4)用PTFE带缠绕密封在一起，组成模块Ⅱ；

8)将模块Ⅰ的垫块(3)粘贴在试样上端三分之一处的橡皮膜(1)上；将模块Ⅱ的薄板Ⅰ(4)粘贴在试样下端三分之一处的橡皮膜(1)上，并保证两个赫尔元件(5)的水平位置位于两块条形磁铁(8)的水平位置之间；

9)将带有模块Ⅰ和模块Ⅱ的三轴试样放入压力室，并将每个赫尔元件(5)的三条数据线用PTFE带包裹成一股从基座引出；

10)将压力室就位调零，然后将引出的三条数据线分别接电源线、零线和电压表；

11)进行常规三轴剪切试验；

12)在试验过程中，用电压表测量赫尔电压并记录；

13)在试验过程中，测量模块Ⅰ和模块Ⅱ的相对位移，并绘制位移与赫尔电压的线性关系图；

14)结合位移与赫尔电压之间的线性关系，由电压表测得的赫尔电压换算赫尔元件(5)的位移值，即试样的局部轴向变形值。

3.根据权利要求1所述的一种三轴试样局部轴向应变测量装置，其特征在于：两块所述赫尔元件(5)正面对应正面或背面对应背面进行重叠放置，然后粘贴在薄板Ⅰ(4)上；或者，两个赫尔元件(5)的正面和背面朝向相反，间隔适当距离进行平铺。

4.根据权利要求2所述的一种三轴试样局部轴向应变测量方法，其特征在于：所述步骤8)中两个赫尔元件(5)与两块条形磁铁(8)的水平相对位置通过选用合适长度的钢丝Ⅰ(2)和钢丝Ⅱ(20)进行保证。