CN105628498B - 一种基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置，本发明属于机械工程测试技术领域。该排水量连续检测装置包括液位检测子系统和液位控制子系统，液位检测子系统包括上固定板(1)、薄壁水管(2)、T型三通接口(3)、高精度水压力传感器(4)、高精度水压力传感器固定底座(5)、中固定板(6)和连接软管(7)；液位控制子系统包括水压缸(8)、滚珠丝杠(9)、伺服电机(10)、水压缸固定座(11)、伺服电机导轨(12)、滚珠丝杠装置(13)和下固定板(14)。本发明的排水量连续检测装置实现排水量连续的高精度测量，装置结构简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于机械工程测试技术领域，涉及土力学三轴试验，尤其是一种检测超大三轴试验过程中试样排水量连续检测装置。
背景技术
测量土壤的强度和变形而常使用三轴试验仪，该仪器应用广泛，可用于测量多种参数，包括剪切强度和变形特性、固结特点和土壤渗透性。它的主要功能包括主应力大小的控制，体变排水量和孔隙压力的测量。超大三轴试验仪主要针对超大试样直径1.0米，高2.0米的圆柱试样完成大围压、重载荷试验，测试超大试样的强度和变形特征，可以完成大型水电站土石坝材料特性试验工作。试验过程中试样体变通过测量排水量获得。直径1.0米、高2.0米的超大试样排水量估计将达到100L。要想实现实时连续精确测量这么大的排水量是非常困难的。
目前，国内并没有针对超大试样排水量的实时连续精确测量装置。国外知名岩土设备生产厂家GDS公司在排水管路中接入专门设计的流量传感器来实现试样排水量的检测。这种流量传感器是GDS公司拥有的专利，测量精度不太高，价格昂贵而且不对外出售，在市场上很难买到。此外，对于一些试样在剪切过程中还会发生吸水现场，而且吸水量可以达到排水量的20％(20L)。因此在排水量检测过程中还需要考虑吸水量的高精度检测问题。
发明内容
本发明的目的是：解决超大型三轴试验中根据排水量精确测量试样体变的难题，发明的测量装置实现了大排水\吸水量连续的高精度测量，本装置特点是结构简单，测量精度高，其中没有电磁水阀，避免了电磁水阀切换过程对测量精度的影响。
本发明的技术方案是：
一种基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置，包括薄壁水管2和高精度水压力传感器4组成的液位检测系统和水压缸8和电动缸(伺服电机10和滚珠丝杠9组成)组成的液位控制系统，实现排水量的连续检测，试样的排水先排入到薄壁水管2，薄壁水管2通过T型三通接头与高精度水压力传感器4及控制系统相连，控制系统的作用是控制薄壁水管2液位的高度保持稳定(薄壁水管2液位的高度借助于高精度水压力传感器4测得)。当试样中的水排入到薄壁水管2后，水压力传感器输出信号的幅值会变大，此时，通过高精度编码器控制伺服电机旋转，带动水压缸8的活塞右移，水经由T型三通接头3和连接软管7流入到水压缸8中，薄壁水管中的水位下降，当传感器输出信号与设定信号相同时，伺服电机停止运转。反之，当试样从薄壁水管2吸水时，传感器输出信号与比设定信号小，伺服电机反转带动水压缸活塞左移，薄壁水管中的水位上升，这样保持薄壁水管2的水位动态稳定。根据水压缸8的缸径，编码器的脉冲数，可以精确计算水压缸8中活塞移动距离，从而得到水压缸中排水的精确体积，完成大排水量的高精度双向自动检测。
液位检测子系统包括上固定板1、薄壁水管2、T型三通接口3、高精度水压力传感器4、高精度水压力传感器固定底座5、中固定板6、连接软管7，上固定板1固定到竖直墙壁上，薄壁水管2固定于上固定板1，在薄壁水管的下端接有T型三通接口3，T型三通接口3分别与高精度水压力传感器4和连接软管7相连；水压缸8固定于水压缸固定座11上，与连接软管7相连，连接软管7通过中固定板6固定。液位控制系统包括水压缸8、滚珠丝杠9、伺服电机10、水压缸固定座11、伺服电机导轨12、滚珠丝杠装置13和下上固定板14。连接软管将两个系统相连，试样的排水方便进入水压缸。水压缸保持固定，伺服电机10带动滚珠丝杠运动，伺服电机10及滚珠丝杠装置13在伺服电机导轨12上运动，推动水压缸8中活塞运动，伺服电机导轨12固定于下固定板14上。水压缸8中水的体积在动态调整，液位控制系统保证薄壁水管2中的液位保持不变，最后通过高精度编码器来确定滚珠丝杠的位移，从而可以精确计算流入或流出水压缸的水体积，实现排水量的精确测量。
测试开始前，首先将薄壁水管2中加入纯净水，控制伺服电机10运转，带动水压缸8中的活塞右移，让水流经连接软管7进去到水压缸8中，要保证系统中充满纯净水，且没有气泡。当薄壁水管2中的液位控制在给定的高度时，伺服电机停止运转，编码器的数据作为初始数据。系统进入待检测状态。
测试开始后，系统进入测试状态，当试样排出的水流入薄壁水管2中后，利用高精度水压力传感器4检测薄壁水管2中液位的高度，当传感器输出信号高于初始设定值时，控制伺服电机10正转，带动滚珠丝杠9及水压缸8中的活塞右移，当传感器输出信号低于初始设定值时，控制伺服电机反转，带动滚珠丝杠9及水压缸8中的活塞左移，这样来保持薄壁水管2中液位的动态稳定，这样实现了连续测量排水的体积，排水的体积与水压缸8中的活塞位移直接相关，可以精确得到试样的排水体积。
本发明的效果和益处是：实现排水量连续的高精度测量，装置结构简单，测量精度高，采用带有24位光电编码器的伺服电机，电机旋转一周可以产生16777216物理脉冲具有极高的角位移检测精度。采用C7级滚珠丝杠23，精度误差小于50um/300mm。伺服电机程序控脉冲设置为20000脉冲/转。自行设计直径300mm，长度1500mm的水压缸，保证排水体积达到100升。通过薄壁水管下方的高精度水压力传感器，借助伺服电机实现薄壁水管中液位的动态平衡控制。该装置结构灵巧、布局合理、造价便宜、测量精度高、适应性强，解决了排水量双向连续的高精度测量问题。
附图说明
图1是基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置总体结构的主视图。
图2是基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置总体结构的俯视图。
图3是基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置总体结构的左视图。
图4是基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置总体结构的轴测图。
图中：1上固定板；2薄壁水管；3T型三通接口；4高精度水压力传感器；5高精度水压力传感器固定底座；6中固定板；7连接软管；8水压缸；9滚珠丝杠；10伺服电机；11水压缸固定座；12伺服电机导轨；13滚珠丝杠装置；14下固定板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图1～4所示，装配时零件用煤油清洗，晾干后配合表面涂油，各零件不加工表面应清洗干净，除去毛边毛刺，浸涂防锈漆，在软管和T型三通接头，软管与水压缸处缠绕多层生胶带，严格保证装置的密封性。
图一中的上固定板1固定于垂直墙壁上，薄壁水管2固定于上固定板1上，在薄壁水管的下端接有T型三通接口3，其分别于高精度水压力传感器4和连接软管7相连，连接软管将两个系统相连，是试样的排水可以进入水压缸8，水压缸8保持固定，伺服电机带动滚珠丝杠高精度运动，伺服电机及12及滚珠丝杠装置13在伺服电机导轨12上运动，同时水压缸的活塞也跟随相应的运动，水压缸8流入排水量的体积也在变化，控制系统保持薄壁水管2中液位的动态平衡稳定，最后通过高精度编码器来确定滚珠丝杠的位移，从而可以精确测得水压缸8中新排入/流出水的体积。
测试开始前，首先将薄壁水管2中加入纯净水，控制伺服电机10运转，带动水压缸活塞右移，让水流经连接软管7进去到水压缸8中，要保证系统中充满纯净水，且没有气泡。当高精度水压力传感器输出信号等于设定值时，伺服电机停止运转，编码器的数据作为初始数据。系统进入待检测状态。
测试开始后，系统进入测试状态，利用高精度水压力传感器4检测薄壁水管2中液位的高度，当传感器输出信号高于初始设定值时，控制系统控制伺服电机正转，带动滚珠丝杠9及水压缸8活塞右移，当传感器信号低于初始设定值时，控制系统控制伺服电机反转，带动滚珠丝杠9及水压缸8中的活塞左移，这样来保持薄壁水管2中液位的动态平衡稳定，这样系统可以持续测量排水体积，借助编码器数据得到滚珠丝杠的位移，就能精确得到试样的排水体积，实现排水量连续高精度检测。
此外，在减少电磁阀后减少了其对测试结果的影响，连接软管与T型三通接头及水压缸连接之间，保证了严格的密封性，保证检测的准确性和稳定性。该测量装置结构灵巧，操作方便，制造成本低，具有较高的应用价值。
Claims (2)
1.一种基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置，包括液位检测子系统和液位控制子系统，液位检测子系统包括上固定板(1)、薄壁水管(2)、T型三通接口(3)、高精度水压力传感器(4)、高精度水压力传感器固定底座(5)、中固定板(6)和连接软管(7)；液位控制子系统包括水压缸(8)、滚珠丝杠(9)、伺服电机(10)、水压缸固定座(11)、伺服电机导轨(12)、滚珠丝杠装置(13)和下固定板(14)；其特征在于：上固定板(1)固定到竖直墙壁上，薄壁水管(2)固定于上固定板(1)一侧，在薄壁水管(2)的下端接有T型三通接口(3)，T型三通接口(3)分别与高精度水压力传感器(4)和连接软管(7)相连；高精度水压力传感器固定底座(5)连接在高精度水压力传感器(4)下端；水压缸(8)固定于水压缸固定座(11)上，与连接软管(7)相连，连接软管(7)通过中固定板(6)固定；伺服电机(10)带动滚珠丝杠(9)运动，伺服电机(10)及滚珠丝杠装置(13)在伺服电机导轨(12)上运动，推动水压缸(8)中活塞运动，伺服电机导轨(12)固定于下固定板(14)上；水压缸(8)中水的体积在动态调整，保证薄壁水管(2)中的液位保持不变，通过高精度编码器确定滚珠丝杠的位移，精确计算流入或流出水压缸的水体积，实现排水量的精确测量。
2.一种用基于动平衡工作原理的排水量连续检测装置进行排水量连续检测的方法，其特征在于：测试开始前，首先将薄壁水管(2)中加入纯净水，控制伺服电机(10)运转，带动水压缸(8)的活塞右移，让水流经连接软管(7)进去到水压缸(8)中，保证排水量连续检测装置中充满纯净水，且没有气泡，当高精度水压力传感器(4)输出信号等于设定值时，伺服电机(10)停止运转，编码器的数据作为初始数据，排水量连续检测装置进入待检测状态；测试开始后，排水量连续检测装置进入测试状态，利用高精度水压力传感器(4)检测薄壁水管(2)中液位的高度，当高精度水压力传感器(4)的输出信号高于初始设定值时，控制系统控制伺服电机(10)正转，带动滚珠丝杠(9)及水压缸(8)活塞右移，当高精度水压力传感器(4)的输出信号低于初始设定值时，控制排水量连续检测装置的控制伺服电机(10)反转，带动滚珠丝杠(9)及水压缸(8)中的活塞左移，保持薄壁水管(2)中液位的动态平衡稳定，排水量连续检测装置持续测量排水体积，借助编码器数据得到滚珠丝杠的位移，精确得到试样的排水体积，实现排水量连续高精度检测。
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