CN107882011A - 一种具有温度补偿功能的微型探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有温度补偿功能的微型探头,属于土木工程领域的岩土工程地下场地勘察的一种测试工具。该探头包括:外延部分、连接部分、侧壁摩擦套筒、孔压过滤环和全桥温度补偿电路,所述全桥温度补偿电路包括4个应变片,其中两个应变片设置在外延部分内的延长内筒上,分别是第一温度补偿片和第二温度补偿片;另外两个应变片则设置在探头的测量区域即侧壁摩擦套筒内的套接内管上,分别是第一应变片和第二应变片。该具有温度补偿功能的微型探头结构简单配有全桥温度补偿电路,分辨度和准确度较高,能够消除由于温度变化引起的电阻变化,获得更加可信、合理的测试结果,为土木工程领域的岩土工程勘察提供有力的测试工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有温度补偿功能的微型探头,属于土木工程领域的岩土工程地下场地勘察的一种测试工具。
背景技术
随着我国经济建设的高速发展,城市化建设、高速公路、桥梁隧道及地下空间开发等大型基础设施建设项目不断发展,工程规模不断扩大。然而,工程建设中经常出现设计参数不可靠或不安全、施工过程中出现结构开裂、建筑物沉降变形过大甚至失稳破坏等现象,给工程设计与安全控制带来较大的困难。由于自然条件复杂多变,岩土体具有十分复杂的工程力学性质,确定岩土工程参数与合理设计是工程建设的难点和重点。现有的依赖于钻孔取样以及室内土工试验会造成土样扰动,试验结果难以反映地基岩土的真实情况。原位测试技术是在天然位置对岩土工程性能进行测试的一种技术,不需要取样,简便快捷,是准确获得土性参数的有效方法。静力触探试验作为原位测试的一种,由于其具有分辨度高、清晰度好的特点,已经成为用来检测地下场地性质的一种常用的试验手段。而在实际应用过程中,应变片的电阻值对温度的变化有很大的敏感性。因此在测量过程中,当工作环境温度发生变化时,所测得的应变不能反映构件的真实变化。温度引起的电阻变化与应变引起的电阻变化同时存在,从而导致测量误差。
发明内容
本发明针对目前传统静力触探试验探头存在的缺陷,提出了一种具有温度补偿功能的微型探头,测试结果准确、分辨度高、能消除由于工作环境温度变化引起的应变片的阻值变化,对于岩土工程设计的安全和可靠性具有重大的理论意义与实践价值。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种具有温度补偿功能的微型探头,包括:
一侧壁摩擦套筒,所述的侧壁摩擦套筒下端设有和圆锥头连接的螺纹连接端,侧壁摩擦套筒内部有一套接内筒,侧壁摩擦套筒上部经一连接部分与一外延部分相连;
一套接内筒套接在侧壁摩擦套筒内,套接内筒内部设有电路板和信号传输电缆,套接内筒外部布有各种元件,从下往上依次分别是,压力传感器、锥尖阻力传感器、第二应变片、测斜仪、第一应变片、侧壁摩阻力传感器,所述的套接内筒上的元件各自之间相互独立,分别通过电缆与电路板内的信号传输电缆相连;
一外延部分,经连接部分与侧壁摩擦套筒及套接内筒相连,外延部分上端设有与探杆相连接的螺纹连接端,通过转换接头与探杆紧密连接;所述外延部分内部有一外延内筒,外延内筒内部设有电路板和信号传输电缆,外延内筒上布有第一温度补偿片和第二温度补偿片,分别通过电缆与电路板内的信号传输电缆相连;
一连接部分,所述的连接部分包括连接内筒和压杆连接器,所述压杆连接器,设置于连接内筒的筒壁处;
一孔压过滤环,位于圆锥头和侧壁摩擦套筒连接处,用于测探头贯入过程中的孔隙水压力;
一全桥温度补偿电路,包括4个应变片,其中两个应变片设置在外延部分内的延长内筒上,分别是第一温度补偿片和第二温度补偿片;另外两个应变片则设置在探头的测量区域即侧壁摩擦套筒内的套接内管上,分别是第一应变片和第二应变片;
所述套接内筒、连接内筒以及外延内筒依次刚接,其长度横跨整个探头,内部均含有电路板和信号传输电缆;侧壁摩擦套筒和连接部分、外延部分一起套接在套接内筒上,用于保护套接内筒及套接内筒上的传感器。
所述的圆锥头锥尖角度为60°,直径为15mm,投影面积为1.76cm2。
所述第一温度补偿片粘贴在第一补偿块上,第二温度补偿片粘贴在第二补偿块上,第一应变片粘贴在第三补偿块上,第二应变片粘贴在第四补偿块上,所述第一补偿块与第二补偿块分别粘贴在延长内筒上,通过电缆与延长内筒内部的电路板相连,所述第三补偿块与第四补偿块分别粘贴在套接内筒上,通过电缆线连接到电路板中的信号传输电缆上。
所述第一温度补偿片、第二温度补偿片、第一应变片和第二应变片,其电阻均为120Ω,长度为1mm。
所述的侧壁摩擦套筒直径为15mm,长度为56mm。
本发明的有益效果如下:
本发明提供的一种具有温度补偿功能的微型探头,解决了传统探头分辨度和准确度低的缺点,能够消除温度改变引起的阻值变化。本发明提供的一种具有温度补偿功能的微型探头结构简单、使用方便、测试结果更加准确、合理,为土木工程领域的岩土工程勘察提供有力的测试工具。
附图说明
图1为本发明一种具有温度补偿功能的微型探头的结构示意图。
图2为全桥电路测试系统示意图。
图中:1-外延部分、2.1-第一补偿块、2.2-第二补偿块、3.1-第一温度补偿片、3.2-第二温度补偿片、4-延长内筒、5-连接部分、6-压杆连接器、7-电路板、8-信号传输电缆、9-侧壁摩阻力传感器、10-侧壁摩擦套筒、11-测斜仪、12.1-第一应变片、12.2-第二应变片、12.3-第三补偿块、12.4-第四补偿块、13-锥尖阻力传感器、14-套接内筒、14.1-连接内筒、15-压力传感器、16-孔压过滤环、17-圆锥头、18-数字万能表、19-电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造的工作原理做出进一步详细说明。
一种具有温度补偿功能的微型探头,见图1,包括:外延部分1、第一补偿块2.1、第二补偿块2.2、第一温度补偿片3.1、第二温度补偿片3.2、延长内筒4、连接部分5、压杆连接器6、电路板7、信号传输电缆8、侧壁摩阻力传感器9、侧壁摩擦套筒10、测斜仪11、第一应变片12.1、第二应变片12.2、第三补偿块12.3、第四补偿块12.4、锥尖阻力传感器13、套接内筒14、连接内筒14.1、压力传感器15、孔压过滤环16、圆锥头17。
一种具有温度补偿功能的微型探头增加的全桥温度补偿电路,见图2,包括:第一温度补偿片3.1、第二温度补偿片3.2、第一应变片12.1、第二应变片12.2。其中第一温度补偿片粘贴在第一补偿块2.1上,第二温度补偿片3.2粘贴在第二补偿块2.2上,第一应变片粘贴在第三补偿块12.3上,第二应变片粘贴在第四补偿块12.4上。
本发明的一种具有温度补偿功能的微型探头,其改进的部分主要是其增加了外延部分1和全桥温度补偿电路,用以消除工作环境温度变化引起的应变片电阻值的变化。
本发明中,全桥温度补偿电路中共有4个应变片,其中两个应变片设置在外延部分1内的延长内筒4上,分别是第一温度补偿片3.1和第二温度补偿片3.2;另外两个应变片则设置在探头的测量区域即侧壁摩擦套筒10内的套接内筒14上,分别是第一应变片12.1和第二应变片12.2。
本发明中,全桥温度补偿电路与数字万能表18、电脑19相连。全桥温度补偿电路内的4个应变片即第一温度补偿片3.1、第二温度补偿片3.2、第一应变片12.1和第二应变片12.2,电阻值通过数字万能表读出,在不同工作温度条件下4个应变片随温度改变其电阻均会发生改变,而第一应变片12.1和第二应变片12.2的电阻同时受温度和竖向荷载的影响,将数字万能表18测得的数据传输到电脑19上,电脑19根据事先编好的程序可对四个应变片的电阻值进行处理,从而消除温度对应变片电阻的影响。
本发明中,外延部分1内部设有全桥温度补偿电路,含有第一温度补偿片3.1、第二温度补偿片3.2,用于消除由于工作环境温度变化引起的应变片阻值变化。其中第一温度补偿片3.1、第二温度补偿片3.2分别粘贴在第一补偿块2.1、第二补偿块2.2上,第一补偿块2.1与第二补偿块2.2分别粘贴在延长内筒4上,通过电缆与延长内筒内部的电路板7相连。外延部分长54mm,直径10mm。
本发明中,第一应变片12.1、第二应变片12.2设置在探头的测量区域。其中,第一应变片12.1粘贴在第三补偿块12.3上,第二应变片粘贴在第四补偿块12.4上,第三补偿块12.3与第四补偿块12.4分别粘贴在套接内筒14上,通过电缆线连接到电路板7中的信号传输电缆8上。主要用来测机械阻力,竖向受力,它受温度及荷载变化的影响。
本发明中,套接内筒14套接在侧壁摩擦套筒10内,套接内筒内部设有电路板7和信号传输电缆8,套接内筒外部布有各种元件,从下往上依次分别是,压力传感器15、锥尖阻力传感器13、第二应变片12.2、测斜仪11、第一应变片12.1、侧壁摩阻力传感器9、第二温度补偿片3.2以及第一温度补偿片3.1,所述的套接内筒14上的元件各自之间相互独立,分别通过电缆与电路板7内的信号传输电缆8相连。试验时可将测得的数据通过信号传输电缆8传输到信息采集设备电脑19上。
本发明中,侧壁摩擦套筒10直径为15mm,长度为56mm。侧壁摩擦套筒10与圆锥头17螺纹紧密连接,侧壁摩擦套筒10和连接部分5、外延部分1一起套接在套接内筒14上,用于保护套接内筒14及套接内筒14上的传感器。
本发明中,孔压过滤环16设置于圆锥头17与侧壁摩擦套筒10连接处,用于测探头贯入过程中的孔隙水压力。
本发明中,全桥温度补偿电路的四个应变片即第一温度补偿片3.1、第二温度补偿片3.2和第一应变片12.1、第二应变片12.2,其电阻均为120Ω,长度为1mm。
本发明中,测斜仪11所测得的数值,经计算可以得到探头的最终的贯入深度。
本发明中,侧壁摩阻力传感器9和锥尖阻力传感器13为半桥电路的装置,用于测探头贯
入过程中的侧壁摩阻力和锥尖摩阻力。
本发明中,圆锥头17锥尖角度为60°,直径为15mm,高度为13mm,投影面积为1.76cm2。
本发明中,套接内筒14、连接内筒14.1以及外延内筒4依次刚接,其长度横跨整个探头,内部均含有电路板7和信号传输电缆8。
工作时,将本发明改进的微型探头安装在贯入设备上,将贯入设备放置在测试地点,通过贯入设备连续对探杆施加竖向荷载,探头逐渐被压入土中,由于探头挤压周围土体,因此土体会给探头一个阻力,探头内部的半桥电路和全桥温度补偿电路的应变片会有应变产生;贯入过程中,由于土和探杆之间有摩擦,侧壁摩擦套筒也会记录半桥电路和全桥温度补偿电路的应变片的变形;在探头贯入过程中会有超孔压产生,孔压会使孔压环内部应变片发生变形。这些变形的应变片会产生电信号,电信号通过探杆内部的芯片转化为数字信号传输到数据采集仪中处理。当探头通过连续、匀速贯入时会获取锥尖阻力、侧壁摩阻力以及孔隙水压力参数。
本发明设计了一种具有温度补偿功能的微型探头,为消除温度对应变片电阻的影响,增加了全桥温度补偿电路,其中在加载区域设置四个应变片(两个半桥应变片分别是测锥尖摩阻力和侧壁摩阻力的应变片,另外两个则是全桥温度补偿电路的应变片),在延长区域设置两个温度补偿片。在全桥温度补偿电路中,应力和温度的改变会影响加载区域的应变片,而延长区域的温度补偿片仅受温度变化的影响。下面用一个计算公式来进一步说明应力和温度改变在全桥电路中是如何影响应变片的电阻的。
其中R3.1、R3.2、R12.1和R12.2分别表示四个应变片的电阻;ΔR12.1s和ΔR12.2s表示应力变化引起的电阻变化值;ΔR3.1T、ΔR3.2T、ΔR12.1T和ΔR12.2T表示应变片随温度改变电阻值的变化值;Vout、Vin分别表示电路的输出和输入电压。
全桥温度补偿电路如何消除温度变化对应变片电阻的影响也在这个计算式中体现出来了,它通过在每个应变计相同电阻R3.1、R3.2、R12.1和R12.2下温度改变是他们对应的ΔR3.1T、ΔR3.2T、ΔR12.1T和ΔR12.2T的数值来消除温度变化对应变片电阻的影响。
将微型探头贯入饱和土中测锥尖阻力和套筒摩擦阻力,在相同贯入次数下,全桥温度补偿电路测得的机械阻力(锥尖阻力和套筒摩擦阻力)随深度的增加而增大,而半桥电路中应变片测得的数据随深度变化的不合理,因此在微型探头的外延区中增设全桥温度补偿电路可以获得可靠的数据。
本发明对传统探头装置进行了改进,合理设计了可用于静力触探试验的一种具有温度补偿功能的微型探头,使得试验结果能更准确、稳定、可靠和全面地服务于岩土工程领域。
Claims (5)
1.一种具有温度补偿功能的微型探头,其特征在于,包括:
一侧壁摩擦套筒(10),所述的侧壁摩擦套筒(10)下端设有和圆锥头(17)连接的螺纹连接端,侧壁摩擦套筒(10)内部有一套接内筒(14),侧壁摩擦套筒(10)上部经一连接部分(5)与一外延部分(1)相连;
一套接内筒(14)套接在侧壁摩擦套筒(10)内,套接内筒内部设有电路板(7)和信号传输电缆(8),套接内筒(14)外部布有各种元件,从下往上依次分别是,压力传感器(15)、锥尖阻力传感器(13)、第二应变片(12.2)、测斜仪(11)、第一应变片(12.1)、侧壁摩阻力传感器(9),所述的套接内筒(14)上的元件各自之间相互独立,分别通过电缆与电路板(7)内的信号传输电缆(8)相连;
一外延部分(1),经连接部分(5)与侧壁摩擦套筒(10)及套接内筒(14)相连,外延部分(1)上端设有与探杆相连接的螺纹连接端,通过转换接头与探杆紧密连接;所述外延部分(1)内部有一外延内筒(4),外延内筒内部设有电路板(7)和信号传输电缆(8),外延内筒(4)上布有第一温度补偿片(3.1)和第二温度补偿片(3.2),分别通过电缆与电路板(7)内的信号传输电缆(8)相连;
一连接部分(5),所述的连接部分(5)包括连接内筒(14.1)和压杆连接器(6),所述压杆连接器(6),设置于连接内筒(14)的筒壁处;
一孔压过滤环(16),位于圆锥头(17)和侧壁摩擦套筒(10)连接处,用于测探头贯入过程中的孔隙水压力;
一全桥温度补偿电路,包括4个应变片,其中两个应变片设置在外延部分(1)内的延长内筒(4)上,分别是第一温度补偿片(3.1)和第二温度补偿片(3.2);另外两个应变片则设置在探头的测量区域即侧壁摩擦套筒(10)内的套接内管(14)上,分别是第一应变片(12.1)和第二应变片(12.2);
所述套接内筒(14)、连接内筒(14.1)以及外延内筒(4)依次刚接,其长度横跨整个探头,内部均含有电路板(7)和信号传输电缆8;侧壁摩擦套筒(10)和连接部分(5)、外延部分(1)一起套接在套接内筒(14)上,用于保护套接内筒(14)及套接内筒(14)上的传感器。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的微型探头,其特征在于:所述的圆锥头(17)锥尖角度为60°,直径为15mm,投影面积为1.76 cm2。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的微型探头,其特征在于:所述第一温度补偿片(3.1)粘贴在第一补偿块(2.1)上,第二温度补偿片(3.2)粘贴在第二补偿块(2.2)上,第一应变片(12.1)粘贴在第三补偿块(12.3)上,第二应变片(12.2)粘贴在第四补偿块(12.4)上,所述第一补偿块(2.1)与第二补偿块(2.2)分别粘贴在延长内筒(4)上,通过电缆与延长内筒内部的电路板(7)相连,所述第三补偿块(12.3)与第四补偿块(12.4)分别粘贴在套接内筒(14)上,通过电缆线连接到电路板(7)中的信号传输电缆(8)上。
4.根据权利要求3所述的一种具有温度补偿功能的微型探头,其特征在于:所述第一温度补偿片(3.1)、第二温度补偿片(3.2)、第一应变片(12.1)和第二应变片(12.1),其电阻均为120,长度为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的微型探头,其特征在于:所述的侧壁摩擦套筒(10)直径为15mm,长度为56mm。
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