CN106768499A - 液压式土压力传感器 - Google Patents

Abstract

液压式土压力传感器，属于土压力检测技术领域，所要解决的技术问题是提供一种小量程、高灵敏度的土压力检测装置，所采用的技术方案：液压式土压力传感器，包括盒体、量测装置和密封装置；盒体包括顶盖、侧盒和底盒；底盒为顶部敞口、底部封闭的空心圆柱体结构，底盒的顶面上开有一圈U型槽，侧盒为顶、底均敞口的空心圆管结构，侧盒的底部插装在底盒顶部的U型槽内，顶盖的边缘搭在侧盒顶部的台阶上，顶盖上设有溢流孔，溢流孔中设置有封堵组件；量测装置包括管架、竖直固定在管架上的刻度面板和透明玻璃管，密封装置包括套装在侧盒外壁的可伸缩密封套、安装在侧盒内部的橡胶套和位于橡胶套下边沿的内密封压圈，本发明用于检测土压力。

Description

液压式土压力传感器

技术领域

液压式土压力传感器，属于土压力检测技术领域。

背景技术

岩土介质中土压力测量是土力学理论和岩土工程试验研究的一个重要内容，大量岩土工程理论和实际问题的解决，往往主要依靠现场原型或室内模型试验直接的测量结果。而现场试验的周期长、过程复杂、费用高一直是制约现场试验的重要问题，因此长期以来室内模型试验一直是土力学理论和岩土工程试验研究的重要手段。

目前，应用于土压力检测的传感器主要有振弦式、电阻应变式、差动电阻式、气压式和电感调频式等。振弦式、电阻应变式、差动电阻式、气压式、电感调频式土压力传感器存在长期稳定性差、量程大、精度低、灵敏度低、易受电磁侵扰等弊端。在室内模型试验中，土压力值一般都比较小，因此保证土压力测试的准确度就成了室内模型试验成功与否的关键，然而上述这些传感器都很难满足室内模型试验中土压力检测的小量程、高灵敏度的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小量程、高灵敏度的土压力检测装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案：液压式土压力传感器，包括盒体、量测装置和密封装置；所述盒体包括顶盖、侧盒和底盒；

所述底盒为顶部敞口、底部封闭的空心圆柱体结构，底盒的顶面上开有一圈U型槽将底盒的顶面分为外环面和内环面两部分，底盒侧面设有与其内底面平齐的连接孔，所述侧盒为顶、底均敞口的空心圆管结构，侧盒的底部插装在底盒顶部的U型槽内，并且在侧盒底面与底盒的U型槽底面之间设有弹簧，侧盒的顶部设置有台阶，顶盖的边缘也设置有台阶，顶盖的边缘搭在侧盒顶部的台阶上并用多个第一螺钉固定，所述顶盖上设有溢流孔，溢流孔中设置有封堵组件；

所述量测装置包括管架、刻度面板和透明玻璃管，所述刻度面板和透明玻璃管均竖直固定在管架上，且透明玻璃管紧挨刻度面板，透明玻璃管的底部与水平连接管的一端连通，水平连接管的另一端与底盒侧面的连接孔连通；

所述密封装置包括可伸缩密封套、内密封压圈和橡胶套，所述可伸缩密封套套装在侧盒外壁，所述橡胶套安装在侧盒内部，橡胶套为薄壁环形，且其截面为开口向外的槽形，橡胶套的上边沿位于侧盒和顶盖接触的台阶上被顶盖压紧，橡胶套的下边沿位于底盒内环面上，内密封压圈位于橡胶套下边沿上，第二螺钉将内密封压圈及橡胶套下边沿压紧在底盒的内环面上。

所述侧盒上部外侧具有凸沿，所述凸沿的底面上、底盒顶部外环面上均开有T型凹槽，所述可伸缩密封套的顶端、底端均为与T型凹槽相适应的T型结构，可伸缩密封套通过顶端、底端插入T型凹槽与侧盒、底盒固定在一起。

所述底盒的外环面与内密封压圈的顶面平齐。

所述封堵组件包括帽式压杆、压板、复位弹簧和环形密封圈，所述帽式压杆竖直设置在溢流孔中，所述复位弹簧套装在帽式压杆外部，且其下端支撑在溢流孔内的台阶上，上端顶住帽式压杆，所述压板水平固定在帽式压杆底部，所述环形密封圈位于压板和顶盖之间。

在所述封堵组件的上方还设有盖板，所述盖板通过转轴铰接在顶盖上。

所述量测装置还包括至少两个管卡，所述管卡用于将刻度面板和透明玻璃管卡接固定。

所述侧盒底部与底盒顶部U型槽为间隙配合。

本发明在室内模型试验中检测土压力前，需要在土压力盒中和玻璃管之间空腔中先灌入一定容量的已知密度液体，然后通过下按帽式压杆、复位弹簧，进而推动环形密封圈和压板，使环形密封圈与顶盖分离，于是盒体内的气体可以通过帽式压杆与溢流孔之间的缝隙溢出，从而使测试前，盒体内不存在空气。盒体内气体排完后松开帽式压杆，在复位弹簧的作用下，环形密封圈和压板复位，保证顶盖重新密封。

本发明和现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明的透明玻璃管通过连接管与底盒的连接孔连接，测量时盒体中液体将受到顶盖的均布压力而做的功转换为透明玻璃管中液体的势能，因此透明玻璃管中液柱高度的变化即可反映土压力的变化。由此看出，本发明不仅构思简单，思路清晰，而且量程小、灵敏度高，用流体力学中重力作用下液体静压强的分布规律，转换为被测体所产生的压力，同时在被测体压力变化过程中，可以根据刻度面板直接观察透明玻璃管中液柱的变化，进而了解被测体压力的变化规律，受力与变形结果的可视性高。

2、本发明的侧盒部与底盒顶部U型槽为间隙配合，这种设计使侧盒可以在试验测量过程中随U形槽底部弹簧的形变而上下浮动，进而保证盒体内液体受到的压力为均布力。

3、本发明通过在侧盒内设置内密封压圈和橡胶套作为密封件，使得侧盒的密封性得到保证，能够防止试验过程中盒体中的液体外漏；在侧盒外壁设置可伸缩密封套作为密封件，可防止外界的灰尘等杂物进入U形槽或盒体内，影响精度。

4、本发明制作简单、试验成本低，易于推广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中底盒的剖面图。

图3为本发明中侧盒的剖面图。

图4为本发明中顶盖的俯视图。

图5为本发明中橡胶套的剖面图。

图6为本发明中橡胶套的立体图。

图7为本发明中顶盖的剖面图。

图8为图7中封堵组件的结构示意图。

图9为本发明的液压传递数学模型图。

图中，1为底盒，2为侧盒，3为顶盖，4为弹簧，5为可伸缩密封套，6为内密封压圈，7为橡胶套，8为溢流孔，9为连接孔，10为连接管，11为透明玻璃管，12为刻度面板，13为管架，14为T型凹槽，15为U型槽，16为第一螺钉，17为第二螺钉，18为管卡，19为封堵组件，20为环形密封圈，21为复位弹簧，22为帽式压杆，23为压板，24为转轴，25为盖板。

具体实施方式

如图1-图8所示，液压式土压力传感器，包括盒体、量测装置和密封装置；所述盒体包括顶盖3、侧盒2和底盒1；

所述底盒1为顶部敞口、底部封闭的空心圆柱体结构，底盒1的顶面上开有一圈U型槽15将底盒1的顶面分为外环面和内环面两部分，底盒1侧面设有与其内底面平齐的连接孔9，所述侧盒2为顶、底均敞口的空心圆管结构，侧盒2的底部插装在底盒1顶部的U型槽15内，并且在侧盒2底面与底盒1的U型槽15底面之间设有弹簧4，侧盒2的顶部设置有台阶，顶盖3的边缘也设置有台阶，顶盖3的边缘搭在侧盒2顶部的台阶上并用多个第一螺钉16固定，所述顶盖3上设有溢流孔8，溢流孔8中设置有封堵组件19；

所述量测装置包括管架13、刻度面板12和透明玻璃管11，所述刻度面板12和透明玻璃管11均竖直固定在管架13上，且透明玻璃管11紧挨刻度面板12，透明玻璃管11的底部与水平连接管10的一端连通，水平连接管10的另一端与底盒1侧面的连接孔9连通；

所述密封装置包括可伸缩密封套5、内密封压圈6和橡胶套7，所述可伸缩密封套5套装在侧盒2外壁，所述橡胶套7安装在侧盒2内部，橡胶套7为薄壁环形，且其截面为开口向外的槽形，橡胶套7的上边沿位于侧盒2和顶盖3接触的台阶上被顶盖3压紧，橡胶套7的下边沿位于底盒1内环面上，内密封压圈6位于橡胶套7下边沿上，第二螺钉17将内密封压圈6及橡胶套7下边沿压紧在底盒1的内环面上。

所述侧盒2上部外侧具有凸沿，所述凸沿的底面上、底盒1顶部外环面上均开有T型凹槽14，所述可伸缩密封套5的顶端、底端均为与T型凹槽14相适应的T型结构，可伸缩密封套5通过顶端、底端插入T型凹槽14与侧盒2、底盒1固定在一起。

所述底盒1的外环面与内密封压圈6的顶面平齐。

所述封堵组件19包括帽式压杆22、压板23、复位弹簧21和环形密封圈20，所述帽式压杆22竖直设置在溢流孔8中，所述复位弹簧21套装在帽式压杆22外部，且其下端支撑在溢流孔8内的台阶上，上端顶住帽式压杆22，所述压板23水平固定在帽式压杆22底部，所述环形密封圈20位于压板23和顶盖3之间。

在所述封堵组件19的上方还设有盖板25，所述盖板25通过转轴24铰接在顶盖3上。

所述量测装置还包括至少两个管卡18，所述管卡18用于将刻度面板12和透明玻璃管11卡接固定。

所述侧盒2底部与底盒1顶部U型槽15为间隙配合。

本发明土压力传感器的工作过程为：

1)根据待测对象的抗压模量等级要求，确定土压力传感器盒体材料，使其与待测对象的刚度接近。尽量保证盒体附近少产生应力集中，减少待测对象的自身受力模式的影响；

2)将已知密度的液体装入盒体中，排尽里面的气体，组装土压力传感器；

3)对该土压力传感器进行标定，观察透明导管中液柱高度与标定压力的变化关系，留待后续试验使用；

4)将该土压力传感器埋入待测对象的具体位置，观察透明玻璃管中液柱高度的变化，从而得到待测对象的压力值。

图9为本发明的液压传递数学模型，根据该模型可以得出待测对象压力值的计算方法。

透明玻璃管11上端开口，内部截面接为A_管，底部与底盒1连通，透明玻璃管11和底盒1中装已知密度ρ的液体，底盒1中安装刚度为k的弹簧4，弹簧4支持在底盒1底部与活塞之间，不考虑活塞与缸壁阻力，活塞的重量为G_活，活塞上面积为S_外，下面积为S_内，假设在活塞上可填土，土的截面与活塞1上面积S_外相同。

1、初始不填土时，透明玻璃管11和底盒1中装已知密度液体ρ_液，透明玻璃管11中液面起始高度为L₀的位置，土压力盒中液面起始高度为h₀，也即活塞底面的位置为h₀。

2、在活塞上填土高度为H₁时，土的密度为ρ_土，活塞下移到距离容器的距离为h₁的位置，玻璃管3中液面上升到L₁的位置。

3、填土的高度与测试液面高度之间的换算关系

以下计算取活塞底面为计算面。

2)初始，设P_气为大气压，则有

F_向下＝G_活+P_气·S_外

F_向上＝kx₀+P_气·S_内+ρ_液g·S_内(L₀-h₀)

F_向下＝F_向上

故可得：G_活+P_气·S_外＝kx₀+P_气·S_内+ρ_液g·S_内(L₀-h₀) (1)

式中x₀为弹簧初始压缩量，G_活为活塞的重量；

2)填土高度为H₁时，由

F_向下＝ρ_土gH₁·S_外+G_活+P_气·S_外

F_向上＝ρ_液g·S_内(L₁-h₁)+P_气·S_内+k[x₀+(h₀-h₁)]

F_向下＝F_向上

可得：

ρ_土gH₁·S_外+G_活+P_气·S_外＝ρ_液g·S_内(L₁-h₁)+P_气·S_内+k[x₀+(h₀-h₁)](2)

式中ρ_土为土的密重，ρ_液为盒体中液体密度；

则有(2)式-(1)式可得

ρ_土gH₁·S_外＝ρ_液g·S_内[(L₁-h₁)-(L₀-h₀)]+k(h₀-h₁) (3)

底盒1中活塞向下移动排除的液体体积等于玻璃管3中上升的液体体积，即

S_内(h₀-h₁)＝A_管(L₁-L₀)

故可得：h₁＝h₀-A_管(L₁-L₀)/S_内 (4)

(4)式代入(3)式得

ρ_土gH₁·S_外＝ρ_液g·S_内(1+A_管/S_内)(L₁-L₀)+k·A_管(L₁-L₀)/S_内

＝(ρ_液g·S_内+ρ_液g·A_管+k·A_管/S_内)(L₁-L₀)

令L₁-h₀＝Δh₁

可得：ρ_土gH₁＝(ρ_液g·S_内/S_外+ρ_液g·A_管/S_外+k·A_管/(S_内S_外))Δh₁

当S_内/S_外≈1，A_管<<S_内时，A_管/(S_内·S_外)≈0，A_管/S_外≈0

此时，H₁＝ρ_液Δh₁/ρ_土

上述实施例是对本发明结构的解释而非限制，在不脱离本发明原理前提下所作的变形也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.液压式土压力传感器，其特征在于：包括盒体、量测装置和密封装置；所述盒体包括顶盖（3）、侧盒（2）和底盒（1）；

所述底盒（1）为顶部敞口、底部封闭的空心圆柱体结构，底盒（1）的顶面上开有一圈U型槽（15）将底盒（1）的顶面分为外环面和内环面两部分，底盒（1）侧面设有与其内底面平齐的连接孔（9），所述侧盒（2）为顶、底均敞口的空心圆管结构，侧盒（2）的底部插装在底盒（1）顶部的U型槽（15）内，并且在侧盒（2）底面与底盒（1）的U型槽（15）底面之间设有弹簧（4），侧盒（2）的顶部设置有台阶，顶盖（3）的边缘也设置有台阶，顶盖（3）的边缘搭在侧盒（2）顶部的台阶上并用多个第一螺钉（16）固定，所述顶盖（3）上设有溢流孔（8），溢流孔（8）中设置有封堵组件（19）；

所述量测装置包括管架（13）、刻度面板（12）和透明玻璃管（11），所述刻度面板（12）和透明玻璃管（11）均竖直固定在管架（13）上，且透明玻璃管（11）紧挨刻度面板（12），透明玻璃管（11）的底部与水平连接管（10）的一端连通，水平连接管（10）的另一端与底盒（1）侧面的连接孔（9）连通；

所述密封装置包括可伸缩密封套（5）、内密封压圈（6）和橡胶套（7），所述可伸缩密封套（5）套装在侧盒（2）外壁，所述橡胶套（7）安装在侧盒（2）内部，橡胶套（7）为薄壁环形，且其截面为开口向外的槽形，橡胶套（7）的上边沿位于侧盒（2）和顶盖（3）接触的台阶上被顶盖（3）压紧，橡胶套（7）的下边沿位于底盒（1）内环面上，内密封压圈（6）位于橡胶套（7）下边沿上，第二螺钉（17）将内密封压圈（6）及橡胶套（7）下边沿压紧在底盒（1）的内环面上。

2.根据权利要求1所述的液压式土压力传感器，其特征在于：所述侧盒（2）上部外侧具有凸沿，所述凸沿的底面上、底盒（1）顶部外环面上均开有T型凹槽（14），所述可伸缩密封套（5）的顶端、底端均为与T型凹槽（14）相适应的T型结构，可伸缩密封套（5）通过顶端、底端插入T型凹槽（14）与侧盒（2）、底盒（1）固定在一起。

3.根据权利要求1或2所述的液压式土压力传感器，其特征在于：所述底盒（1）的外环面与内密封压圈（6）的顶面平齐。

4.根据权利要求1所述的液压式土压力传感器，其特征在于：所述封堵组件（19）包括帽式压杆（22）、压板（23）、复位弹簧（21）和环形密封圈（20），所述帽式压杆（22）竖直设置在溢流孔（8）中，所述复位弹簧（21）套装在帽式压杆（22）外部，且其下端支撑在溢流孔（8）内的台阶上，上端顶住帽式压杆（22），所述压板（23）水平固定在帽式压杆（22）底部，所述环形密封圈（20）位于压板（23）和顶盖（3）之间。

5.根据权利要求1或4所述的液压式土压力传感器，其特征在于：在所述封堵组件（19）的上方还设有盖板（25），所述盖板（25）通过转轴（24）铰接在顶盖（3）上。

6.根据权利要求1所述的液压式土压力传感器，其特征在于：所述量测装置还包括至少两个管卡（18），所述管卡（18）用于将刻度面板（12）和透明玻璃管（11）卡接固定。

7.根据权利要求1所述的液压式土压力传感器，其特征在于：所述侧盒（2）

底部与底盒（1）顶部U型槽（15）为间隙配合。