CN108955979A - 用于土压力检测的装置、土压力监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于土压力检测的装置、土压力监测系统及方法，包括充满气体的容器，容器包括中空球体以及一端设置在中空球体上的通气管，通气管另一端的管口设有封闭容器的封口件，封口件上与通气管内侧对应的位置设有气压传感器和温度传感器。本发明可有效感应各个方向上的土压力变化，无需设置多个土压力盒，土压力测量准确，实施简单，成本低廉。

Description

用于土压力检测的装置、土压力监测系统及方法

技术领域

本发明属于土体压力测量技术领域，具体涉及一种用于土压力检测的装置、土压力监测系统及方法。

背景技术

目前国内监测土压力常用的土压力计主要有钢弦式土压力盒。其工作原理当被测结构物内土应力发生变化时，土压力计感应板同步感受应力的变化，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激励振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构的压应力值。

传统的土压力盒，只能测量法向上的应力变化，当应力不再法向上时，检测到应力值就会折减，不能得到有效土压力变化，可能土体压力变化值在达到临界值时，土压力盒测出应力没有多大改变。因此利用这种土压力盒进行测量时，只能对法向的总应力进行测量，无法对其他方向进行测量。换言之，在测量之前，必须预先估计出应力方向。在应力方向不确定时，该方法就需要布置大量的、不同方向的土压力盒来进行测量，然而这种做法费时费力又费财。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种可有效感应各个方向上的土压力变化、无需设置多个土压力盒、土压力测量准确、实施简单、成本低廉的用于土压力检测的装置、土压力监测系统及方法。

用于土压力检测的装置，包括充满干燥的不活泼气体的容器，所述容器包括中空球体以及一端设置在所述中空球体上的通气管，所述通气管另一端的管口设有封闭所述容器的封口件，所述封口件上与所述通气管内侧对应的位置设有检测所述气体压强的气压传感器和检测所述气体温度的温度传感器，所述气压传感器和温度传感器的输出端能够分别实时输出所述气体的压强数据和温度数据。

进一步地，还包括将所述通气管和封口件包围在其中的保护壳体。

进一步地，所述气体是惰性气体。

进一步地，所述封口件上还设有检测所述气体湿度的湿度传感器，所述湿度传感器能够实时输出所述气体的湿度数据。

土压力监测系统，包括预埋在土里的至少一个前述的用于土体压力检测的装置，还包括：

无线传输模块，包括无线发送模块和无线接收模块，所述无线发送模块与所述用于土体压力检测的装置连接，所述无线接收模块与远程计算机连接，所述无线发送模块和无线接收模块之间建立通信连接，所述无线传输模块将各传感器输出的数据信号发送到远程计算机；

远程计算机，用于实时接收各传感器发送来的数据信号，根据所述气体的压强数据和温度数据计算土压力的变化并显示计算结果。

进一步地，所述封口件上还设有检测所述气体湿度的湿度传感器，所述湿度传感器能够实时输出所述气体的湿度数据；所述远程计算机还用于根据所述气体的湿度数据判断所述用于土体压力检测的装置是否发生损坏，若损坏则发出告警。

进一步地，所述计算土压力的公式如下：

其中：F是均布土压力；r是球体外半径；t是球体厚度；ΔP是内部气体压强变化量；R是实际气体状态常数；v₀＝v/n，v是气体初始体积，n是该气体的物质的量；b是考虑了分子占有一定体积而引进的范氏修正量；ΔT是球体内部气体温度的变化量。

土压力监测方法，包括前述的用于土体压力检测的装置，具体包括如下步骤：

S1：实时检测土里预埋的所述中空球体中的气压以及气体温度；

S2：将检测到的所述气压及气体温度数据发送到远程计算机；

S3：所述远程计算机根据前后两次检测的气压的变化量和气体温度的变化量计算土压力。

进一步地，所述计算土压力的公式如下：

其中：F是均布土压力；r是球体外半径；t是球体厚度；ΔP是内部气体压强变化量；R是实际气体状态常数；v₀＝v/n，v是气体初始体积，n是该气体的物质的量；b是考虑了分子占有一定体积而引进的范氏修正量；ΔT是球体内部气体温度的变化量。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用充满气体的中空球体，可有效感应各个方向上的土压力变化，解决了传统的土压力盒只能测量一个方向上的应力变化的弊端，能够通过一个装置就实现对各个方向上土压力变化的检测，实施简单，成本低廉；

2、本发明通过检测中空球体中气体的压强和温度的变化来计算土体压力，由于中空球体能够有效感受到各个方向的土压力变化并通过内部气压的变化将土压力的变化表现出来，相对于传统的土压力盒，其计算得到的土压力更为准确。

附图说明

图1为用于土体压力检测的装置的结构示意图；

图2为作用于上半球的土压力的示意图；

图3为土体压力监测系统的结构示意图；

图4为土体压力监测方法的流程示意图。

其中，1容器，2中空球体，3通气管，4封口件，5气压传感器，6温度传感器，7数据线，8保护壳体，9无线发送模块，10无线接收模块，11远程计算机。

具体实施方式

为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，用于土压力检测的装置，包括充满干燥的不活泼气体的容器1，所述容器1包括中空球体2以及一端设置在所述中空球体2上的通气管3，所述通气管3另一端的管口设有封闭所述容器1的封口件4，所述封口件4上与所述通气管3内侧对应的位置设有检测所述气体压强的气压传感器5和检测所述气体温度的温度传感器6，所述气压传感器5和温度传感器6的输出端能够通过数据线7分别实时输出所述气体的压强数据和温度数据。

所述用于土压力检测的装置在使用时需埋在土里，通过采用在密闭的中空球体容器里填充气体，并设置气压传感器和温度传感器来分别检测气压及气体温度，由于中空球体会受到各个方向的土压力并使中空球体发生形变导致气体压强发生变化，又考虑到气体温度会对气压产生影响，因此本发明可通过测得的气压的变化以及气体温度的变化来计算得到较准确的土体压力的变化。具体计算方法见下文的土体压力监测方法。可以理解，为了让土体应力的变化能够准确地通过中空球体的形变导致的气压变化来体现(即易发生形变)，本装置中所述中空球体可采用刚度小且弹性较好的材料制成，例如天然橡胶纳米复合材料(该材料利用纳米技术对橡胶进行补强，进一步增强橡胶的弹性、延缓老化，同时提升材料的强度和耐酸碱的能力，也增大了材料应用的温度范围)，具有此类特点的材料在现有技术里有很多，在此不作赘述。所述中空球体内充满了具有一定压强的气体，为了防止水蒸气对传感器造成不良影响以及气体发生反应对装置造成损害，所述气体采用干燥的不活泼气体。可以理解，所述用于土压力检测的装置还设有为传感器供电的电源，比如通过电池或通过电源线外接电源均可。

进一步地，还包括将所述通气管3和封口件4包围在其中的保护壳体8。所述保护壳体起到保护和支撑通气管以及传感器的作用，避免外界环境干扰传感器对中空球体内部气体的压力和温度的测量。

进一步地，所述气体可以是惰性气体。若不选择惰性气体也可以采用化学性质不活泼的其他气体如氮气，只要在使用过程中不会发生反应即可。选择惰性气体是因为考虑到惰性气体稳定，大分子不易渗漏，有利于保持气压稳定，这样可以使检测到的气压值更准确。

进一步地，所述封口件4上还设有检测所述气体湿度的湿度传感器，所述湿度传感器能够通过数据线7实时输出所述气体的湿度数据。为了解决本装置在使用过程中可能会因土体压力产生破损，或因密封不严导致有水蒸气进入容器进而造成装置无法正常工作的问题，本装置还设置了湿度传感器，若检测到湿度上升则说明装置发生损坏，需要进行更换或维修。

本文中通过测得的气压的变化以及气体温度的变化来计算得到较准确的土压力的变化，其原理如下：

由于所述中空球体体积较小(一般来说直径选择在10～100cm之间)，受到的不同方向的土压力不会出现大的差异，可视为土压力在球体表面表现为均布力，则将球体分割成半个球体来分析其内力：

如图2所示，作用于上半球的土压力合力：

F×π×r²＝Fπr² ①；

上半球内部气体合压力：

其中：

F是均布土压力，r是球体外半径；t是球体厚度；ΔP是球体内部气体压强的变化量(即后一次测得的压强与前一次测得的压强的差值)。

依据平衡原理可知①＝②，即：Fπr²＝2ΔPπ(r-t)²，所以在不考虑温度变化的情况下：

若考虑温度变化对气压产生的影响，则由实际气体状态方程：(p+a/v₀ ²)(v₀-b)＝RT可知，若某两次检测先后得到的气体温度数据为T₁和T₂，则：

(p₁+a/v₀ ²)(v₀-b)＝RT₁，(p₂+a/v₀ ²)(v₀-b)＝RT₂，两式相减可得：

其中：

a和b是分别考虑了范氏气体分子之间有引力作用和分子占有一定体积而引进的范氏修正量，可查表得到；

v₀＝v/n，V为气体初始体积，n为该气体元素物质的量；

R是实际气体状态常数，可查表得到；

ΔP_T是由温度变化导致的内部气体压强的变化量；

ΔT是球体内部气体温度的变化量。

因为计算土压力时需去除温度变化对气压的影响，则由式③④可得到土压力计算公式如下：

本计算方法对于土压力是利用预埋在土里的用于土压力检测的装置通过一定的转换关系将土压力转换成气体压强的变化来计算的，其中考虑了温度对气压变化的影响，有效提高了计算的准确性。

如图3所示，土压力监测系统，包括预埋在土里的至少一个前述任一种用于土压力检测的装置，还包括：

无线传输模块，包括无线发送模块9和无线接收模块10，所述无线发送模块9与所述用于土体压力检测的装置的输出端连接，所述无线接收模块10与远程计算机11连接，所述无线发送模块9和无线接收模块10之间建立通信连接，所述无线传输模块将各传感器输出的数据信号发送到远程计算机11；

远程计算机11，用于实时接收各传感器发送来的数据信号，并根据所述气体的压强数据和温度数据计算土压力的变化并显示计算结果。土压力的计算方法可参照上文。

所述用于土压力检测的装置的输出端即装置中各传感器的输出端，可采用数据线进行连接。本土压力监测系统通过检测空心球体中的气体的压强和温度数据，并将其通过无线传输模块发送到远程计算机进行计算，能够很好地实现对土体压力的实时监测。

进一步地，所述封口件4上还设有检测所述气体湿度的湿度传感器，所述湿度传感器能够实时输出所述气体的湿度数据；所述远程计算机11还用于根据所述气体的湿度数据判断所述用于土压力检测的装置是否发生损坏，若损坏则发出告警。

所述湿度传感器可以采用单独的传感器结构，也可以采用整合了温度检测和湿度检测功能的温湿度传感器。远程计算机可通过设置告警装置，在判断用于土压力检测的装置发生损坏时被触发以发出告警，以提醒工作人员及时对预埋的装置进行更换或维修。

如图4所示，土压力监测方法，包括前述任一种用于土压力检测的装置，具体包括如下步骤：

S1：实时检测土里预埋的所述中空球体中的气压以及气体温度；

S2：将检测到的所述气压及气体温度数据发送到远程计算机；

S3：所述远程计算机根据前后两次检测的气压的变化量和气体温度的变化量计算土压力。

特别地，所述计算土压力的公式如下：

其中：F是均布土压力；r是球体外半径；t是球体厚度；ΔP是内部气体压强变化量；R是实际气体状态常数；v₀＝v/n，v是气体初始体积，n是该气体的物质的量；b是考虑了分子占有一定体积而引进的范氏修正量；ΔT是球体内部气体温度的变化量。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.用于土压力检测的装置，其特征在于：包括充满干燥的不活泼气体的容器，所述容器包括中空球体以及一端设置在所述中空球体上的通气管，所述通气管另一端的管口设有封闭所述容器的封口件，所述封口件上与所述通气管内侧对应的位置设有检测所述气体压强的气压传感器和检测所述气体温度的温度传感器，所述气压传感器和温度传感器的输出端能够分别实时输出所述气体的压强数据和温度数据。

2.根据权利要求1所述的用于土压力检测的装置，其特征在于：

还包括将所述通气管和封口件包围在其中的保护壳体。

3.根据权利要求1所述的用于土压力检测的装置，其特征在于：

所述气体是惰性气体。

4.根据权利要求1所述的用于土压力检测的装置，其特征在于：

所述封口件上还设有检测所述气体湿度的湿度传感器，所述湿度传感器能够实时输出所述气体的湿度数据。

5.土压力监测系统，其特征在于，包括预埋在土里的至少一个权利要求1～3任一项所述的用于土体压力检测的装置，还包括：

无线传输模块，包括无线发送模块和无线接收模块，所述无线发送模块与所述用于土体压力检测的装置连接，所述无线接收模块与远程计算机连接，所述无线发送模块和无线接收模块之间建立通信连接，所述无线传输模块将各传感器输出的数据信号发送到远程计算机；

远程计算机，用于实时接收各传感器发送来的数据信号，根据所述气体的压强数据和温度数据计算土压力的变化并显示计算结果。

6.根据权利要求5所述的土压力监测系统，其特征在于：

所述封口件上还设有检测所述气体湿度的湿度传感器，所述湿度传感器能够实时输出所述气体的湿度数据；所述远程计算机还用于根据所述气体的湿度数据判断所述用于土体压力检测的装置是否发生损坏，若损坏则发出告警。

7.根据权利要求5所述的土压力监测系统，其特征在于：

所述计算土压力的公式如下：

其中：F是均布土压力；r是球体外半径；t是球体厚度；ΔP是内部气体压强变化量；R是实际气体状态常数；v₀＝v/n，v是气体初始体积，n是该气体的物质的量；b是考虑了分子占有一定体积而引进的范氏修正量；ΔT是球体内部气体温度的变化量。

8.土压力监测方法，其特征在于包括权利要求1～4任一项所述的用于土体压力检测的装置，具体包括如下步骤：

S1：实时检测土里预埋的所述中空球体中的气压以及气体温度；

S2：将检测到的所述气压及气体温度数据发送到远程计算机；

S3：所述远程计算机根据前后两次检测的气压的变化量和气体温度的变化量计算土压力。

9.根据权利要求8所述的土压力监测方法，其特征在于：

所述计算土压力的公式如下：

其中：F是均布土压力；r是球体外半径；t是球体厚度；ΔP是内部气体压强变化量；R是实际气体状态常数；v₀＝v/n，v是气体初始体积，n是该气体的物质的量；b是考虑了分子占有一定体积而引进的范氏修正量；ΔT是球体内部气体温度的变化量。