CN105115634A - 柱形体环向应变土压力传感器和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土压力检测领域，具体的说，涉及一种柱形体环向应变土压力传感器和测量方法，该土压力传感器包括柱形弹性感应体、电阻应变片、应变片引线和外壳，柱形弹性感应体采用由弹性基材料构成的柱形弹性实体，柱形弹性感应体增设提高抗压模量的结构，该结构与柱形弹性感应体一体成型，该结构包括内筋和箍筋，内筋布置于柱形弹性感应体的内部，箍筋环向安装于电阻应变片的上侧或下侧柱形弹性感应体的侧表面。通过改变内筋的形状、尺寸和密集度，改变柱形弹性感应体的抗压模量，提高测量精度。

Description

柱形体环向应变土压力传感器和测量方法

技术领域

本发明涉及土压力检测领域，具体的说，涉及一种柱形体环向应变土压力传感器和测量方法。

背景技术

土压力检测设备是土工科研和工程检测的重要设备，其观测精度十分重要。目前常用的土压力检测设备为土压力盒，土压力盒包括外膜和内膜，土体直接接触盒体的外膜或间接受力的内膜作为压力检测的感应膜，采用应变片或金属弦测定膜的压弯形变。首先，由于土压力盒的刚度与被测土体的刚度往往差距很大，构成主要的系统误差；其次，土压力盒在不同介质和条件下参数标定值差距很大，也影响观测效果，各种因素综合作用导致土压力盒测量误差大、测量结果可靠性差；再者，膜式传感器的抗压模量是非线性的，所采用的标定当量模量是定值，而测量过程中任一受力状态下的当量模量却是实时变化的，因而膜式传感器当量模量误差很大。

中国专利号CN200810246302公开一种土压力盒原位标定装置及其方法，通过在土压力盒中设置加载钢板、钢筋混凝土底板、原状土、橡胶袋、千斤顶、反力架、地锚、栓销、橡胶垫、中粗砂、钢弦频率测定仪和导线电缆。将土压力盒的导线电缆接上钢弦频率测定仪，测量土压力盒在不受荷载下的初读数，通过加载、加压、卸载和逐级加载进行标定试验，得到压力输入量与频率输出量之间的数量关系。该土压力盒但仅限于标定环境与使用条件相似的情况下进行，无法适用多等级被测对象的压力观测。

发明内容

本发明的目的是提供一种柱形体环向应变土压力传感器和测量方法，可根据待检对象抗压模量等级要求，设计制造符合抗压模量要求的柱形弹性感应体，提高压力检测的可靠性和精确性。

本发明的技术方案是：一种柱形体环向应变土压力传感器，用于测量土体、岩石、水泥混凝土、沥青混凝土材料的局部压力，该土压力传感器随被测对象同步变形。该土压力传感器包括柱形弹性感应体、电阻应变片、应变片引线和外壳，电阻应变片环绕黏贴于柱形弹性感应体的中部，应变片引线一端连接至电阻应变片，应变片引线的另一端连接至电阻应变仪，外壳包裹于柱形弹性感应体的外周，所述柱形弹性感应体采用由弹性基材料构成的柱形弹性实体，柱形弹性感应体增设提高抗压模量的结构，该结构与柱形弹性感应体一体成型，该结构包括内筋和箍筋，内筋布置于柱形弹性感应体的内部，箍筋环向安装于电阻应变片的上侧或下侧柱形弹性感应体的侧表面。

电阻应变片符合相应工作条件下的技术标准，对于该土压力传感器测定温度与工作环境温度不一致的情况设置温度补偿电路予以修正。

为避免待检测对象对该土压力传感器产生影响或造成损坏，并使该土压力传感器处于单轴受压状态，在柱形弹性感应体外设置壳体，按外壳力学特性分为软外壳和硬外壳。

所述软外壳与柱形弹性感应体的外表面紧密贴合，软外壳的弹性模量远小于柱形弹性感应体的弹性模量。

所述硬外壳采用中空圆柱筒体，并在硬外壳的壳体与柱形弹性感应体之间形成保护空腔，保护空腔的上下两端用柔性材料填塞，以保证空腔不被填塞。所述硬外壳采用可伸缩结构，硬外壳可沿柱形弹性感应体的母线方向上下伸缩，调节硬外壳长度，硬外壳包括外壳凸部和外壳凹部，外壳凹部和外壳凸部分别设置于硬外壳侧壳体的上端和下端，并通过连接件与柱形弹性感应体的上端和下端连接，外壳凹部底端设置有可伸缩凹槽内腔，外壳凸部通过插接的方式安装于凹槽内腔中。

所述内筋采用竖筋，竖筋呈一层或多层等弧距分布于柱形弹性感应体的内部，且环状竖筋所围环与柱形弹性感应体同轴。

所述内筋采用螺旋体，螺旋体布设于柱形弹性感应体的内部，并与柱形弹性感应体同轴，螺旋体的直径小于柱形弹性感应体的直径。

所述内筋采用环筋，环筋均布于柱形弹性感应体的内部，并与柱形弹性感应体同轴，环筋的圆环直径小于柱形弹性感应体的直径。

所述内筋优选采用纤维网，纤维网环向布设于柱形弹性感应体的内部，并与柱形弹性感应体同轴。

内筋可采用以上四种结构的任一种或多种组合，内筋断面采用圆形、多边形或扁形，内筋材料可采用金属和非金属，内筋结构作为骨架，将内筋与柱形弹性感应体弹性基材料融为一体，形成具有不同抗压模量的压力传感器。

本发明还公开一种土压力传感器的测量方法，包括如下步骤方法：

1)根据待检对象抗压模量等级要求，确定柱形弹性感应体弹性基材料，柱形弹性感应体增设相应的提高抗压模量的结构，制造相应的柱形弹性感应体；

2)在柱形弹性感应体的中部黏贴电阻应变片，并加装外壳；

3)对该土压力传感器进行压力—环向应变标定，获得标定压力-环向应变对应关系，标定结果用标定数据记录设备记录；

4)将该土压力传感器整体敷设于待检对象的具体位置，通过土压力传感器上电阻应变片分别测定当前土压力传感器在工作荷载和试验荷载作用下的动态应变曲线或静态应变值，并根据该土压力传感器的标定压力-环向应变对应关系，得到土压力传感器的动态压力曲线或静态压力值，从而得到待检对象的动态压力值或静态压力值。

本发明土压力传感器的工作原理为：

该土压力传感器在轴向压力作用下，产生轴向压应变，按泊松效应产生横向拉应变。由于柱形弹性感应体的压力-压应变曲线是非线性的，通过泊松效应形成的压力-环向应变曲线也是非线性的，其曲线是弹性的、可重复的、唯一的，且每个土压力传感器对应唯一的轴向压力-环向应变曲线，可根据土压力传感器的结构组成以及轴向压力-环向应变曲线的函数关系，标定土压力传感器的轴向压力-环向应变对应关系，并存储于标定数据记录设备中，用作土压力传感器的标定轴向压力-环向应变对应关系。通过土压力传感器上电阻应变片测量的环向应变值，得到土压力传感器所受的压力值。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明土压力传感器与传统土压力传感器相比，采用电阻应变片读数具有继承性，读数精确、成本低；

(2)柱形弹性感应体优选采用圆柱形弹性实体，柱形弹性感应体通过内外加筋等设计实施可以获得一系列不同抗压模量的传感器，通过与拟测客体匹配定制，可以最大限度地消除测量误差；

(3)柱形弹性感应体加装外壳可消除或大大降低传感器侧向压力和剪力作用，使土压力传感器在工作时单轴受压，使之与标定时受力状态相同或相近，提高测量精度；

(4)测量方法中通过预先标定压力-环向应变对应关系，直接反算受力情况，消除了因模量计算误差带来的误差。

附图说明

图1为本发明土压力传感器的结构示意图；

图2为土压力传感器受力变形的示意图；

图3为软外壳的土压力传感器示意图；

图4为硬外壳的土压力传感器示意图；

图5为图4的中心剖视图；

图6为竖筋的土压力传感器示意图；

图7为环筋的土压力传感器示意图；

图8为螺旋筋的土压力传感器示意图；

图9为纤维网的土压力传感器示意图；

图10为箍筋的土压力传感器示意图。

图中，1柱形弹性感应体；2电阻应变片；3应变片引线；4软外壳；5外壳凸部；6外壳凹部；7保护空腔；8可伸缩凹槽内腔；9连接件；10柔性材料；11箍筋；12纤维网；13竖筋；14螺旋体；15环筋。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例1

参见图1、图2和图10，本发明公开一种柱形体环向应变土压力传感器，包括柱形弹性感应体1、电阻应变片2、应变片引线3和外壳。

柱形弹性感应体1采用圆柱形弹性实体，柱形弹性感应体1增设提高抗压模量的结构，该结构与柱形弹性感应体1一体成型。柱形弹性感应体1具体可采用橡胶和塑料等弹性材料。

柱形弹性感应体1增设提高抗压模量的结构，该结构的具体结构为：

(1)采用内筋，内筋布置于柱形弹性感应体的内部，通过改变内筋的形状、尺寸和密集度，改变柱形弹性感应体的抗压模量；

(2)采用环向箍筋，在柱形弹性感应体1的侧表面中部安装一道或多道环向箍筋11。其中，箍筋11具体安装于电阻应变片2的上侧或下侧，且箍筋11与电阻应变片2不接触。箍筋11不仅可起到增加柱形弹性感应体1的抗压模量，且由于箍筋11向外凸起，可起到保护电阻应变片2的作用。

电阻应变片2环绕黏贴于柱形弹性感应体1的中部，应变片引线3一端连接至电阻应变片2，应变片引线3的另一端连接至电阻应变仪，用于将电阻应变片2的电阻变化转换为应变变化，并传送至数据记录设备。

外壳包裹于柱形弹性感应体1的外周，用于对贴片后的柱形弹性感应体进行隔离保护，保护柱形弹性感应体1的变形不收约束，消除或降低周围土体对电阻应变片的侧向应力。

本发明土压力传感器的工作过程为：

1)根据待检对象抗压模量等级要求，确定柱形弹性感应体弹性基材料，柱形弹性感应体增设相应的提高抗压模量的结构，制造相应的柱形弹性感应体；

2)在柱形弹性感应体1的中部黏贴电阻应变片2，并加装外壳；

3)对该土压力传感器进行压力—环向应变标定，获得标定压力-环向应变对应关系，标定结果用标定数据记录设备记录；

4)将该土压力传感器整体敷设于待检对象的具体位置，通过土压力传感器上电阻应变片分别测定当前土压力传感器在工作荷载和试验荷载作用下的动态应变曲线或静态应变值，并根据该土压力传感器的标定压力-环向应变对应关系，得到土压力传感器的动态压力曲线或静态压力值，从而得到待检对象的动态压力值或静态压力值。

实施例2

实施例2的土压力传感器的结构与组成与实施例1的土压力传感器的结构组成基本相同，区别特征在于：

外壳采用软外壳4。参见图3，软外壳4包裹于柱形弹性感应体1的外周，并与柱形弹性感应体1的外表面紧密贴合，软外壳4的弹性模量远小于柱形弹性感应体弹性基材料的弹性模量，受压时，软外壳形变与柱形弹性感应体的形变一致，不对柱形弹性感应体1和电阻应变片2的形变产生影响。

实施例3

实施例3的土压力传感器的结构与组成与实施例1的土压力传感器的结构组成基本相同，区别特征在于：

外壳采用硬外壳。参见图4和图5，硬外壳采用中空圆柱筒体，并在硬外壳的侧壳体与柱形弹性感应体1的侧壁之间形成保护空腔7，作用为避免柱形弹性感应体和电阻应变片受侧向约束，提高观测精度。保护空腔的上下两端用柔性材料10填塞，防止不必要的材料入侵。

硬外壳采用可伸缩结构，硬外壳的具体结构为：

包括外壳凸部5和外壳凹部6，外壳凹部6和外壳凸部5分别设置于硬外壳侧壳体的上端和下端，并通过连接件9与柱形弹性感应体1的上端和下端连接，外壳凹部6底端设置有可伸缩凹槽内腔7，外壳凸部5通过插接的方式安装于凹槽内腔7中。

实施例4

实施例4的土压力传感器的结构与组成与实施例1的土压力传感器的结构组成基本相同，区别特征在于：

参见图6，内筋采用竖筋13，竖筋13呈一层或多层等弧距分布于柱形弹性感应体1的内部，且环状竖筋所围环与柱形弹性感应体1的母线同轴，其中柱形弹性感应体1的母线为柱形弹性感应体的中心轴线。

实施例5

实施例5的土压力传感器的结构与组成与实施例1的土压力传感器的结构组成基本相同，区别特征在于：

参见图7和图8，内筋采用螺旋体14或环筋15，螺旋体14或环筋15布设于柱形弹性感应体1的内部，并与柱形弹性感应体1同轴，螺旋体14或环筋15的圆环直径小于柱形弹性感应体1的直径。

实施例6

实施例6的土压力传感器的结构与组成与实施例1的土压力传感器的结构组成基本相同，区别特征在于：

参见图9，内筋采用纤维网12，纤维网12环向布设于柱形弹性感应体1的内部，并与柱形弹性感应体1同轴，纤维网12插入柱形弹性感应体的非线弹性体中，将非线弹性体的基材料融化并与纤维网12浇筑成一体。

内筋可采用实施例4-6三种结构的任一种或多种组合，采用多种内筋结构进行组合时，内筋结构作为骨架，将内筋与柱形弹性感应体弹性基材料融为一体，形成具有不同抗压模量的压力传感器。

为增加柱形弹性感应体的抗压模量变化幅度，可对柱形弹性感应体弹性基材料结构进行物理拼接，如同心环形、同心扇形结构，以物理拼接的柱形弹性感应体的抗压模量符合工作要求即可；

为增加柱形弹性感应体的抗压模量，也可将不同抗压模量的基材料按比例融合在一起，形成介于掺配基材料中间的抗压模量的“新”基材料，以“新”基材料制作感应体或作为感应体基材料加筋制作感应体。

Claims (9)

1.柱形体环向应变土压力传感器，该土压力传感器包括柱形弹性感应体、电阻应变片、应变片引线和外壳，电阻应变片环绕黏贴于柱形弹性感应体的中部，应变片引线一端连接至电阻应变片，应变片引线的另一端连接至电阻应变仪，外壳包裹于柱形弹性感应体的外周，其特征在于：所述柱形弹性感应体采用由弹性基材料构成的柱形弹性实体，柱形弹性感应体增设提高抗压模量的结构，该结构与柱形弹性感应体一体成型，该结构包括内筋和箍筋，内筋布置于柱形弹性感应体的内部，箍筋环向安装于电阻应变片的上侧或下侧柱形弹性感应体的侧表面。

2.根据权利要求1所述的柱形体环向应变土压力传感器，其特征在于：所述外壳采用软外壳，软外壳与柱形弹性感应体的外表面紧密贴合，软外壳的弹性模量远小于柱形弹性感应体弹性基材料的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的柱形体环向应变土压力传感器，其特征在于：所述外壳采用硬外壳，硬外壳采用中空圆柱筒体，硬外壳的侧壳体与柱形弹性感应体的侧壁之间形成保护空腔,保护空腔的上下两端用柔性材料填塞。

4.根据权利要求3所述的柱形体环向应变土压力传感器，其特征在于：所述硬外壳采用可伸缩结构，包括外壳凸部和外壳凹部，外壳凹部和外壳凸部分别设置于硬外壳侧壳体的上端和下端，并通过连接件与柱形弹性感应体的上端和下端连接，外壳凹部底端设置有可伸缩凹槽内腔，外壳凸部通过插接的方式安装于凹槽内腔中。

5.根据权利要求1-3任一项所述的柱形体环向应变土压力传感器，其特征在于：所述内筋采用竖筋，竖筋呈一层或多层等弧距分布于柱形弹性感应体的内部，且环状竖筋所围环与柱形弹性感应体同轴。

6.根据权利要求1-3任一项所述的柱形体环向应变土压力传感器，其特征在于：所述内筋采用螺旋体，螺旋体布设于柱形弹性感应体的内部，并与柱形弹性感应体同轴，螺旋体的直径小于柱形弹性感应体的直径。

7.根据权利要求1-3任一项所述的柱形体环向应变土压力传感器，其特征在于：所述内筋采用环筋，环筋均布于柱形弹性感应体的内部，并与柱形弹性感应体同轴，环筋的圆环直径小于柱形弹性感应体的直径。

8.根据权利要求1-3任一项所述的柱形体环向应变土压力传感器，其特征在于：所述内筋采用纤维网，纤维网环向布设于柱形弹性感应体的内部，并与柱形弹性感应体同轴。

9.一种如权利要求1所述的土压力传感器的测量方法，其特征在于包括如下步骤方法：

1)根据待检对象抗压模量等级要求，确定柱形弹性感应体弹性基材料，柱形弹性感应体增设相应的提高抗压模量的结构，制造相应的柱形弹性感应体；

2)在柱形弹性感应体的中部黏贴电阻应变片，并加装外壳；

3)对该土压力传感器进行压力—环向应变标定，获得标定压力-环向应变对应关系，标定结果用数据记录设备记录；

4)将该土压力传感器整体敷设于待检对象的具体位置，通过土压力传感器上电阻应变片分别测定当前土压力传感器在工作荷载和试验荷载作用下的动态应变曲线或静态应变值，并根据该土压力传感器的标定压力-环向应变对应关系，得到土压力传感器的动态压力曲线或静态压力值，从而得到待检对象的动态压力值或静态压力值。