CN108801342A - 一种嵌入式多参数传感量测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式多参数传感量测装置，属于工程传感量测领域。主要由主杆、端头杆、连接杆、膨胀式支架、自锁装置、气囊、气体充排与量测装置、外部气源、应力应变传感器和温/湿度传感器组成。本发明使用方便，一次放置即可测量多种数据，机械膨胀结构与防护涂层相结合，使本发明使用便捷，稳定可靠，能提升室内模型实验的效率，可以为工程室内、外实验和原位监测提供全面、精确的测量数据，测量内容包括固体应力应变、水压力、温度和湿度，同时借助膨胀式结构还可以使探头与孔壁的紧密接触，增加测量数据的精确度和灵敏度。

Description

一种嵌入式多参数传感量测装置

技术领域：

本发明涉及一种嵌入式多参数传感量测装置。具体涉及一种可膨胀式的固体压力、水压力、温度和湿度测量装置，属于工程传感量测领域。主要由主杆、端头杆、连接杆、膨胀式支架、自锁装置、气囊、气体充排与量测装置、外部气源、应力应变传感器和温/湿度传感器组成。

背景技术：

通过对室内、外岩土体或工程对象施加一系列外在条件来测试工程对象各项性能参数的方法是当今工程领域中一种十分普遍的研究手段，而这些性能参数，大多是通过传感器采集得到的。所谓传感器，是将收集的信号通过调制器装换为计算机可读取的电信号的一种测量方式，能够让人们直观、高效的感知不同环境条件下不同形态、不同位置工程对象的变化情况。而当下，科研和工程领域使用的传感器大多仅有单个测量功能，在一些特殊领域中采用的传感器，一个探头至多也只能同时测量二至三个参数，想要全面的了解工程对象的各项性质，人们只能大量埋设各类探头，但这种做法不但经济上不合适，光是为了埋设探头而开挖的物料，对研究对象来说都是很大的扰动。常规的探头埋设方法有两种：1.直接插入，适用于探头带尖且埋深较浅的表面；2.先人工钻孔，随后将探头放入孔中，这种方法可以将探头埋入较深的位置，对于测量一些大型工程对象的内部参数来说，一般采用这种方法。但是，由于传感器的尺寸需要小于预留孔径，采用这种方法埋设传感器会导致传感器与工程对象的侧壁接触不牢，影响测量精度。

一种嵌入式多参数传感量测装置则是为了解决上述问题而开发的，一次成孔，一个综合分体式探头，即可同时测量多个数据，能将对工程对象的扰动降至最低；而且，通过膨胀式设计，解决了探头与孔壁接触不牢的问题，能够保障实验数据的准确性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种嵌入式多参数传感量测装置，由主杆、端头杆、连接杆、膨胀式支架、自锁装置、气囊、气体充排与量测装置、外部气源、应力应变传感器和温/湿度传感器组成。各传感器相互配合，共同组合为一种能够同时测量压力、温度和湿度的多功能传感装置。可以为工程室内、外实验和工程对象的原位监测提供全面、精确的测量数据，同时借助膨胀式结构还可以使探头与孔壁的紧密接触，增加测量数据的精确度。

为达到上述目的，本发明提出了一种嵌入式多参数传感量测装置，包括：

主杆，为圆形硬质材料制成，长度任意，不限于某一特定值；用于给膨胀式支架施加轴向力、使用后拔出传感装置以及安置自锁装置；

端头杆，为与圆形硬质材料制成，长度较短，用于承载温/湿度传感器和保护膨胀式支架；

膨胀式支架，是由特殊弹性材料制成，拥有高弹性和高延展性的特点，在一定范围内，其变形符合胡克定律；为了保证支架的使用强度和稳定性，所述膨胀式支架使用菱形作为基本结构单元；

自锁装置，由控制手柄、操纵杆和卡扣组成；所述控制手柄，可以通过连接杆控制卡扣的开和锁；所述自锁装置采用四杆机构，当控制手柄受压时所述卡扣往内方向弯曲，扣住连接杆上的卡槽，受拉时，卡扣转为水平，释放膨胀支架；

气囊，是由特殊材质的弹性薄膜组成，拥有高弹性和耐酸碱的特点，用于测量土体中的水压力；

气体充排与量测装置，是由气压表、输气管和气门阀组成，用于控制气囊中气体的充排；进一步的，通过气压表读数的变化，可以反映外部施加的水压力的变化情况；

外部气源，是由气源泵和输送管组成，用于提供气源；

连接杆，由圆形硬质材料制成，分别连接主杆和端头杆，设有卡槽，当与自锁装置协调工作时，可维持支架的膨胀状态；进一步的，所述连接杆上设置有温/湿度传感器，用于测量工程对象内部温度；进一步的，所述主杆和所述连接杆组合为可伸缩结构；

应力应变传感器，为植入在膨胀式支架内部的弹性敏感材料，由弹性元件、变形量测元件、解调制器和外裹钢丝组成，外裹铁丝的弹性模量已知，应力应变传感器根据弹性敏感材料的变形量，来反算被测工程对象的应力应变值；

温/湿度传感器，为固定在端头杆前部的探针式传感器，为可拆卸结构；由三根带尖端的探针、转换器和采集仪组成，他们与电源连接，通过三根探针之间的势差可以反映工程对象局部的温湿度；

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本申请实施例中提供的一种嵌入式多参数传感量测装置，通过膨胀式结构可以使传感器与钻孔孔壁紧密接触，保障了测量数据的准确性和实时性；

2、本申请实施例中提供的一种嵌入式多参数传感量测装置，特点在于，由于膨胀式支架在某一膨胀度下的弹性模量已知，工程对象内部的应力应变可以通过埋设在支架内部的弹性敏感材料探测到，结合工程对象的弹性模量，可以反算出岩体力内部实时的应力应变值；

3、本申请实施例中提供的一种嵌入式多参数传感量测装置，能够基于上述结构，借助设置在不同位置上的应力应变传感器、气压量测结构、温/湿度传感器，可以分别监测工程对象的应力应变、水压力、温度和湿度指标，能较为全面的了解工程室内、外实验中工程对象内部的温湿度和应力应变数据变化；

附图说明：

图1为多参数传感量测装置未膨胀时的二维视图；

图2为多参数传感量测装置膨胀时的二维视图；

图3为自锁装置的二维视图；

图4为气体充排与量测装置的二维视图；

具体实施方式：

本申请实施例通过提供一种嵌入式多参数传感量测装置，解决现有技术中不同类型传感器要分开埋入且传感器与钻孔孔壁接触不够紧密的技术问题；使用方便，一次放置即可测量多种数据，机械膨胀结构与防护涂层相结合，使本发明使用便捷，稳定可靠，大大提升了室内模型实验的效率。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

图1为多参数传感量测装置未膨胀时的二维视图。如图1所示，所述主杆8、所述连接杆10和所述端头杆6依次连接，构成了整个传感器的骨架结构；所述主杆8和所述连接杆10之间组合为可伸缩结构；所述连接杆10靠近主杆侧设有数个卡槽；所述自锁装置2置于所述主杆8内部，且其卡扣2-3与所述连接杆10上的卡槽相互匹配；所述膨胀式支架3设置于所述主杆8和所述端头杆6之间，为机械膨胀结构，受压可侧向膨胀；所述气囊设置在所述主杆8和所述端头杆6之间，为充气膨胀结构；所述应力应变传感器4设置在所述膨胀式支架3的弹性丝内部；所述温/湿度传感器11设置在所述端头杆5的顶端，其探针可以插入土中，测量土体的温度和湿度；

图2为多参数传感量测装置膨胀时的二维视图。如图2所示，本发明为本发明一种嵌入式多参数传感量测装置，由主杆8、端头杆6、连接杆10、膨胀式支架3、自锁装置2、气囊5、气体充排与量测装置7、外部气源1、应力应变传感器4和温/湿度传感器11组成。各传感器相对独立，可以单独或协同工作。

图3为自锁装置的二维视图。如图3所示，所述自锁装置由控制手柄1-1、操纵杆1-2和卡扣1-3组成；所述控制手柄1-1，可以通过所述连接杆1-2控制卡扣1-3的开和锁；所述自锁装置采用四杆机构，当控制手柄受压时所述卡扣往内方向弯曲，扣住连接杆上的凹口，受拉时，卡扣转为水平，释放膨胀支架；

图4为气体充排与量测装置的二维视图。如图4所示，所述气体充排与量测装置由气压表7-1、输气管7-2和气门阀7-3组成；所述气压表7-1可以监测气囊内的气压的变化；外部气源可以通过所述输气管7-2和气门阀7-3将气体充入气囊中；

本发明提供的嵌入式多参数传感量测装置，其工作过程如下：

在测量土体各项参数时，首先，将处于未膨胀状态的传感器端头一端放入钻孔中，让端头杆上的温/湿度传感器的探针抵达钻孔尽头并插入钻孔前面的掌子面内，随后继续施压，使支架开始膨胀，待膨胀式支架与孔壁开始接触，以及应力应变传感器开始量测到来自侧向的应力时，继续施加至侧向应力值为1-2KPa时停止，同时按下控制手柄，锁住连接杆，维持膨胀式支架现有的应变，将压力读数归零。随后，打开气阀，使用外部气源向气囊充气至气囊充分鼓起，但在气囊和膨胀式支架间需要留有一定空隙，避免气囊直接接触到被测土体，记下气压表初始读数后，即可开始测量。

在测量岩体各项参数时，由于岩体强度较高，探针式的温/湿度传感器无法工作，所以应先将其拆除，然后再开始测量，其余步骤与土体一致。

Claims (1)

1.一种嵌入式多参数传感量测装置，其特征在于，由主杆、端头杆、连接杆、膨胀式支架、自锁装置、气囊、气体充排与量测装置、外部气源、应力应变传感器和温/湿度传感器组成；

所述主杆与所述连接杆、所述气囊和所述膨胀式支架一侧相连，所述端头杆与所述连接杆、所述气囊和所述膨胀式支架另一侧相连，共同构成装置的主体；所述自锁装置设置于与主杆相连一侧的连接杆上；所述外部气源与置于所述主杆内部的气体充排与量测装置相连；所述温/湿度传感器与所述端头杆相连；所述应力应变传感器置于所述膨胀式支架内部；

所述主杆，为圆形硬质材料制成，长度任意，不限于某一特定值；用于给膨胀式支架施加轴向力、使用后拔出传感装置以及安置自锁装置；

所述端头杆，为与圆形硬质材料制成，长度较短，用于承载温/湿度传感器和保护膨胀式支架；

所述膨胀式支架，是由特殊弹性材料制成，拥有高弹性和高延展性的特点，在一定范围内，其变形符合胡克定律；为了保证支架的使用强度和稳定性，所述膨胀式支架使用菱形作为基本结构单元；

所述自锁装置，由控制手柄、操纵杆和卡扣组成；所述控制手柄，可以通过连接杆控制卡扣的开和锁；所述自锁装置采用四杆机构，当控制手柄受压时所述卡扣往内方向弯曲，扣住连接杆上的卡槽，受拉时，卡扣转为水平，释放膨胀支架；

所述气囊，是由特殊材质的弹性薄膜组成，拥有高弹性和耐酸碱的特点，用于测量土体中的水压力；

所述气体充排与量测装置，是由气压表、输气管和气门阀组成，用于控制气囊中气体的充排；进一步的，通过气压表读数的变化，可以反映外部施加的水压力的变化情况；

所述连接杆，由圆形硬质材料制成，分别连接主杆和端头杆，设有卡槽，当与自锁装置协调工作时，可维持支架的膨胀状态；进一步的，所述连接杆上设置有温/湿度传感器，用于测量工程对象内部温度；进一步的，所述主杆和所述连接杆组合为可伸缩结构；

所述应力应变传感器，为植入在膨胀式支架内部的弹性敏感材料，由弹性元件、变形量测元件、解调制器和外裹钢丝组成，外裹铁丝的弹性模量已知，应力应变传感器根据弹性敏感材料的变形量，来反算被测工程对象的应力应变值；

所述温/湿度传感器，为固定在端头杆前部的探针式传感器，为可拆卸结构；由三根带尖端的探针、转换器和采集仪组成，他们与电源连接，通过三根探针之间的势差可以反映工程对象局部的温湿度。