CN109269400A - 一种角度测量装置及其土体应变状态测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种角度测量装置及其土体应变状态测试方法，该角度测量装置包括外筒、内芯、受力板、电阻环、导线，外筒由上部分的圆柱体及下部的半圆柱体两部分组成，内芯包括内杆、接触端。通过受力板受力后带动内杆的转动使接触端与电阻环发生相对转动。测试土体应变状态方法的步骤是设定角度测量装置：将受力板侧端面调节至与外筒下端半圆柱面轴向平面垂直，将该装置与采集装置、电脑连接；建立受力板转动角度与测试数据的对应关系标定表；选择待测点并建立理论空间坐标系，将角度测量装置放入待测试土体中测量并比对测量结果。本发明的有益效果是：结构简单、测量方便；对于评价工程安全性及理论研究具有重要的现实意义。

Description

一种角度测量装置及其土体应变状态测试方法

技术领域

本发明属于土体变形监测及土体本构理论研究领域，特别是涉及一种角度测量装置及其土体应变状态测试方法。依据该角度测量装置能测试出变形土体变形角度，进而计算出该点的角应变。

背景技术

土体变形中，由角度变化量计算出的角应变也是衡量土体变形的重要参数。但是依照现有的装置及测试手段，测量出土体变形角度十分困难，而且测试出的数值不精准，针对现有的角度测量设备品种稀少、土体变形角度测试手段及测试精度不高等问题，本发明提出了一种角度测量装置及其使用方法。依据该发明，能准确测量出变形土体的变形角度及变形方向，对于土体本构研究及工程安全监测具有重要的应用意义。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决当土体产生变形时，能够准确测量出变形土体的变形角度及变形方向而提供一种角度测量装置。

本发明的第二个目的是提供测试变形土体变形状态测试方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种角度测量装置，包括圆柱形外壳体、内芯、内杆、电阻环、导线、弹簧和受力板，所述圆柱形外壳体下方为半圆柱体、上方为圆柱形外体；所述内芯置于圆柱形体外体内；所述内杆置于内芯且与外壳体同心，内杆顶部伸出内芯盖外部且与所述内芯盖上的电阻环触点相接，内杆底部穿过内芯底延伸至外筒且与受力板相连；所述弹簧套装在位于内芯底上的内杆上；所述电阻环与测量导线连接且经外壳体顶盖引出与外部静态应变数据采集装置相连接。

所述外壳体与内芯在内芯盖和筒体分别固定。

所述电阻环为半圆型，半径为1cm，电阻值范围为120Ω-350Ω的可变电阻。

所述弹簧为平面涡卷弹簧。

所述静态数据采集装置采用DH3816静态采集箱。

所述内杆底部与受力板经热熔胶粘合连接。

本发明的另一个技术方案是：一种土体应变状态测试方法，步骤如下：

1)设定角度测量装置：将受力板侧端面调节至与外筒下端半圆柱面轴向平面垂直，将装置与采集装置、采集装置与电脑连接并开启工作状态；

2)根据步骤1)建立受力板转动角度与测试数据的对应关系：在测试前进行装置标定，手动水平拨动受力板，此时受力板与外筒下端半圆柱面的径向产生夹角，从而改变受力板角度，受力板受力后移动带动内杆转动而改变接触端与电阻环上的位置测出电阻值，电信号依据电阻值的大小而变化，记录电信号值，由此得到受力板转动角度与测试数据的对应关系k；重复上述操作，依次将受力板顺时针拨动A1、A2、A3、A4、…多个角度，将对应产生的多个个负电信号μ1、μ2、μ3、μ4…；再依次将受力板逆时针拨动B1、B2、B3、B3、…多个角度，将对应产生多个正电信号η1、η2、η3、η4、..，将角度值与测得的对应数据建立标定表；

3)选择待测点并建立理论空间坐标系：设置角度测量装置埋置在理论最大变形方向垂直处，即内芯与最大变形方向垂直或在竖直、水平与地表夹角45度方向各埋置一个测量装置；

4)放置角度测量装置：将角度测量装置依据步骤3)建立的坐标系选取测试角度放入待测试土体中，用土覆盖住测试装置并轻轻压实，将导线与外部的静态应变数据采集装置相连接，在外部的静态应变数据采集装置的补偿通道连接补偿应变片，外部的静态应变数据采集装置与电脑连接，并在电脑对应软件界面中做调零设置，在软件输入界面中将电阻环阻值输入应变阻值一栏；

5)测量：当土体产生变形时，土对角度测量装置的受力板施加压力，使内杆的接触端与电阻环产生位移，进而产生电信号变化，当受力板受力发生顺时针转动，接触端相对电阻环发生逆时针转动，装置阻值变大，电信号变小，电脑端显示数值为负值；当受力板受力发生逆时针转动，接触端相对电阻环发生顺时针转动，装置阻值变小，电信号变大，电脑端显示数值为正值；

6)计算测量结果：根据外部的静态应变数据采集装置采集的数据，根据下述公式求解出标定系数k，计算时负电信号值取绝对值：

A＝μk (1)

式中A为需要测试的变形角度，μ为电信号值，为变形角度均值，为电信号值均值，k为变形角度与电信号值之间的对应关系，即标定系数；

对应步骤2)的标定表找出角度变化值，具体原理公式如下所示。

公式中，本发明中0°≤n≤180°；r为1cm；R为电阻环电阻，阻值为120Ω-350Ω；R₁为接触端与电阻环相对转动时的阻值；I_A为通过该装置的电流；电压U为外部的静态应变数据采集装置提供；通过外部的静态应变数据采集装置可转化为电信号，并根据公式(1)输入电脑软件中转化为测试数据；

依据测试所得角度变化值，代入如下公式(5)，计算该变形土体的剪应变值：

式中，γ为剪应变值，ω为受力板面与圆柱形外壳体下方半圆柱体平面夹角锐角值，本装置取值90度，即π/2，Δω为测得的土体角度变形值。

本发明的有益效果是：角度测量装置在被测试体变形过程中，变形土体能推动受力板转动，进而改变接触端与电阻环的相对位置，从而改变电信号，以测量测试体变形角度，对于评价工程安全性及理论研究具有重要的现实意义。该发明较普通测量装置的测量效果提高53％～70％，极大提升了变形测试效果。

附图说明

图1为本发明的角度测量装置结构示意图；

图2为本发明的角度测量器筒状外壳结构示意图；

图3为本发明的角度测量器内芯示意图。

图中：

1.筒状外壳 2.内芯 3.电阻环 4.导线 5.弹簧

11.半圆柱体 12.圆柱体 13.导线孔 14.内孔 15.螺丝孔

21.内杆 22.接触端 23.受力板

具体实施方式

下面结合附图对本发明的角度测量装置及其使用方法加以说明。

本发明的角度测量装置及其使用方法是基于：土体产生变形时，土对角度测量装置的受力板施加压力，使之接触端与电阻环产生位移，进而产生电信号变化，产生正电信号变化说明放置位置处产生逆时针方向变形，产生负电信号变化说明放置位置处产生顺时针方向变形，从而达到测量变形的目的。

如图1至图3所示，一种角度测量装置：包括有筒状外壳1、内芯2、电阻环3、导线4、弹簧5，筒状外壳1由上外筒圆柱体12和下外筒半圆柱体11两部分组成，并分布有导线孔13及内孔14，外筒1的上圆柱体12部分相对下半圆柱体11较长，外筒1的上圆柱体12及外筒1的下半圆柱体11分别拥有对称分布的4个螺丝孔15，将外筒1的下部半圆柱体11及上部圆柱体12对接并将螺丝穿过螺丝孔15拧紧，组装成筒状外壳1。

内芯2包括内杆21、接触端22及受力板23，接触端22与受力板23分别粘合在内杆21两端组成内芯2。

电阻环3为半圆环状，电阻环3及接触端22由纯电阻体制成。弹簧5为螺旋状，可顺时针及逆时针变形。将内杆21带有接触端22的一端与外筒1的上部圆柱体12带有导线孔13一侧同向放置在内孔14中，并将弹簧5安装在内杆21靠近传动板23端，并粘合在内杆21上，将电阻环3粘合在外筒1的下部半圆柱体11靠近导线孔13的一端的内部，再将外筒1的上部圆柱体12与外筒1的上部圆柱体11螺丝孔15对准，用螺丝拧紧，导线4连接接触端22与电阻环3的一端，组成角度测量装置。

一种土体应变状态测试方法，包括以下步骤：

1)设定角度测量装置：将受力板侧端面调节至与外筒下端半圆柱面轴向平面垂直，将装置与采集装置、采集装置与电脑连接并开启工作状态；

2)根据步骤1)建立受力板转动角度与测试数据的对应关系：在测试前进行装置标定，手动水平拨动受力板，此时受力板与外筒下端半圆柱面的径向产生夹角，从而改变受力板角度，受力板受力后移动带动内杆转动而改变接触端与电阻环上的位置测出电阻值，电信号依据电阻值的大小而变化，记录电信号值，由此得到受力板转动角度与测试数据的对应关系k；重复上述操作，依次将受力板顺时针拨动A1、A2、A3、A4、…多个角度，将对应产生的多个个负电信号μ1、μ2、μ3、μ4…；再依次将受力板逆时针拨动B1、B2、B3、B3、…多个角度，将对应产生多个正电信号η1、η2、η3、η4、..，将角度值与测得的对应数据建立标定表；

受力板转动角度与测试数据的对应关系标定表：

角度变化值A	电信号值μ	角度变化值B	电信号值η
				A<sub>1</sub>	μ<sub>1</sub>	B<sub>1</sub>	η<sub>1</sub>
A<sub>2</sub>	μ<sub>2</sub>	B<sub>2</sub>	η<sub>2</sub>
				A<sub>3</sub>	μ<sub>3</sub>	B<sub>3</sub>	η<sub>3</sub>
A<sub>4</sub>	μ<sub>4</sub>	B<sub>4</sub>	η<sub>4</sub>
				A<sub>n</sub>	μ<sub>n</sub>	B<sub>n</sub>	Η<sub>n</sub>

3)将所述的角度测量装置依据步骤1)建立的坐标系选取角度放入待测试土体中，用土小心覆盖住测试装置并轻轻压实；将导线与数据采集装置相连接，并在操作界面中调零。

放置在待测试土体中时，保持受力板与外筒1面夹角为90°，即垂直状态，且放置前应根据测试要求建立合适坐标系，并根据建立的坐标系选取合适角度放置测试装置并用土小心覆盖住测试装置并轻轻压实，以此是装置放置基本要求。

5)测量：当土体产生变形时，土对角度测量装置的受力板施加压力，使内杆的接触端与电阻环产生位移，进而产生电信号变化，当受力板受力发生顺时针转动，接触端相对电阻环发生逆时针转动，装置阻值变大，电信号变小，电脑端显示数值为负值；当受力板受力发生逆时针转动，接触端相对电阻环发生顺时针转动，装置阻值变小，电信号变大，电脑端显示数值为正值；

6)计算测量结果：根据外部的静态应变数据采集装置采集的数据，即对应标定表找出角度变化值，具体原理公式如下所示。

公式中，本发明中0°≤n≤180°；r为1cm；R为电阻环电阻，阻值为120Ω-350Ω；R₁为接触端与电阻环相对转动时的阻值；I_A为通过该装置的电流；电压U为外部的静态应变数据采集装置提供；通过外部的静态应变数据采集装置可转化为电信号，并根据测试角度＝电信号*标定系数公式输入电脑软件中转化为测试数据，

依据测试所得角度变化值，代入如下公式，可计算该变形土体的剪应变值：

式中，γ为剪应变值，ω为受力板面与圆柱形外壳体下方半圆柱体平面夹角锐角值，本装置取值90度，即π/2，Δω为测得的土体角度变形值。

本发明的效果是该角度测量装置方法简便，其有益效果是角度测量装置在被测试体变形过程中，变形土体能推动受力板转动，进而改变接触端与电阻环的相对位置，从而改变电信号，以测量测试体变形角度，对于评价工程安全性及理论研究具有重要的现实意义。该发明较普通测量装置的测量效果提高53％～70％，极大提升了变形测试效果。

本发明的特点是：

1.受力板与土体接触面积较大，能使装置对土体变形产生实时响应；

2.依据土体变形方向的不同，测试装置能产生正负两种电流信号，依照测试数据能对变形方向加以判断；

3.角度测量装置用于理论研究及工程安全性测试，具有重要的现实意义。

Claims (7)

1.一种角度测量装置，其特征是：包括圆柱形外壳体、内芯、内杆、电阻环、导线、弹簧和受力板，所述圆柱形外壳体下方为半圆柱体、上方为圆柱形外体；所述内芯置于圆柱形体外体内；所述内杆置于内芯且与外壳体同心，内杆顶部伸出内芯盖外部且与所述内芯盖上的电阻环触点相接，内杆底部穿过内芯底延伸至外筒且与受力板相连；所述弹簧套装在位于内芯底上的内杆上；所述电阻环与测量导线连接且经外壳体顶盖引出与外部静态应变数据采集装置相连接。

2.根据权利要求1所述的一种角度测量装置，其特征是：所述外壳体与内芯在内芯盖和筒体分别固定。

3.根据权利要求1所述的一种角度测量装置，其特征是：所述电阻环为半圆型，半径为1cm，电阻值范围为120Ω-350Ω的可变电阻。

4.根据权利要求1所述的.一种角度测量装置，其特征是：所述弹簧为平面涡卷弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种角度测量装置，其特征是：所述静态数据采集装置采用DH3816静态采集箱。

6.根据权利要求1所述的一种角度测量装置，其特征是：所述内杆底部与受力板经热熔胶粘合连接。

7.一种根据权利要求1所述的一种角度测量装置的土体应变状态测试方法，其特征是：步骤如下：

1)设定角度测量装置：将受力板侧端面调节至与外筒下端半圆柱面轴向平面垂直，将装置与采集装置、采集装置与电脑连接并开启工作状态；

2)根据步骤1)建立受力板转动角度与测试数据的对应关系：在测试前进行装置标定，手动水平拨动受力板，此时受力板与外筒下端半圆柱面的径向产生夹角，从而改变受力板角度，受力板受力后移动带动内杆转动而改变接触端与电阻环上的位置测出电阻值，电信号依据电阻值的大小而变化，记录电信号值，由此得到受力板转动角度与测试数据的对应关系k；重复上述操作，依次将受力板顺时针拨动A1、A2、A3、A4、…多个角度，将对应产生的多个个负电信号μ1、μ2、μ3、μ4…；再依次将受力板逆时针拨动B1、B2、B3、B3、…多个角度，将对应产生多个正电信号η1、η2、η3、η4、..，将角度值与测得的对应数据建立标定表；

3)选择待测点并建立理论空间坐标系：设置角度测量装置埋置在理论最大变形方向垂直处，即内芯与最大变形方向垂直或在竖直、水平与地表夹角45度方向各埋置一个测量装置；

4)放置角度测量装置：将角度测量装置依据步骤3)建立的坐标系选取测试角度放入待测试土体中，用土覆盖住测试装置并轻轻压实，将导线与外部的静态应变数据采集装置相连接，在外部的静态应变数据采集装置的补偿通道连接补偿应变片，外部的静态应变数据采集装置与电脑连接，并在电脑对应软件界面中做调零设置，在软件输入界面中将电阻环阻值输入应变阻值一栏；

5)测量：当土体产生变形时，土对角度测量装置的受力板施加压力，使内杆的接触端与电阻环产生位移，进而产生电信号变化，当受力板受力发生顺时针转动，接触端相对电阻环发生逆时针转动，装置阻值变大，电信号变小，电脑端显示数值为负值；当受力板受力发生逆时针转动，接触端相对电阻环发生顺时针转动，装置阻值变小，电信号变大，电脑端显示数值为正值；

6)计算测量结果：根据外部的静态应变数据采集装置采集的数据，根据下述公式求解出标定系数k，计算时负电信号值取绝对值：

A＝μk (1)

式中A为需要测试的变形角度，μ为电信号值，为变形角度均值，为电信号值均值，k为变形角度与电信号值之间的对应关系，即标定系数；

对应步骤2)的标定表找出角度变化值，具体原理公式如下所示：

公式中，本发明中0°≤n≤180°；r为1cm；R为电阻环电阻，阻值为120Ω-350Ω；R₁为接触端与电阻环相对转动时的阻值；I_A为通过该装置的电流；电压U为外部的静态应变数据采集装置提供；通过外部的静态应变数据采集装置可转化为电信号，并根据公式(1)输入电脑软件中转化为测试数据；

依据测试所得角度变化值，代入如下公式(5)，计算该变形土体的剪应变值：

式中，γ为剪应变值，ω为受力板面与圆柱形外壳体下方半圆柱体平面夹角锐角值，本装置取值90度，即π/2，Δω为测得的土体角度变形值。