CN110132463A - 一种无线信号传输球型土压力传感器 - Google Patents

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夏元友
杨俊超
黄建
刘夕奇
严敏嘉
陈晨
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges

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Abstract

本发明公开了一种无线信号传输球型土压力传感器，包括球型外壁、半导体应变片、重力感应模块、无线信号发射模块、无线充电电源，半导体应变片通过激光雕刻技术粘贴在球型外壁内侧，重力感应模块确定半导体应变片各个测点的坐标方位信息,重力感应模块所获取的坐标方位信息和半导体应变片获取的应变信息都输入微型处理器，并通过无线信号发射模块将信号进行调制，传递到计算机，无线充电电源通过AC‑DC变换模块对土压力传感器进行无线充电，无线充电电源的充电磁线圈围绕在球型外壁的内侧。本发明无线信号传输球型土压力传感器，实现对复杂应力、复杂环境以及复杂工况情况下的土体结构测量，并提高了测量精度。

Description

一种无线信号传输球型土压力传感器
技术领域
本发明属于岩土工程检测技术领域，尤其涉及一种无线信号传输球型土压力传感器。
背景技术
土压力传感器在岩土工程领域应用十分广泛，常见的传感器主要有三类：电阻应变式、正弦式、光纤式，其中电阻应变式应用最为广泛。电阻应变式是以电阻应变片为力学传感元件，可分为半导体应变片、金属应变片及金属或金属氧化物浆料三类。相比其他类型的电阻应变片，半导体应变片有着尺寸小、构造简单、灵敏系数大、横向效应小、机械滞后小等优点。
常规的土压力盒为圆饼状，能测得与土压力盒圆形受力面垂直方向的土压力。由于工程检测或模型试验的需要，土压力盒通常被垂直或水平的埋设在土体的测点中，但由于埋设误差、土体结构变形以及传感器与土体接触面存在的摩擦力，使得受力面并非完全水平，而且土体中最大主应力并非垂直于水平面。因此，常规土压力盒不能真实的反映该测点实际存在的最大主应力及其方向，降低了检测数据的可靠性。同时，常规土压力盒只能测得单方向的土压力，无法对测点其它方向的土压力进行测量，与土体实际受力形式严重不符。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种无线信号传输球型土压力传感器，实现对复杂应力、复杂环境以及复杂工况情况下的土体结构测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种无线信号传输球型土压力传感器，包括球型外壁、半导体应变片、重力感应模块、无线信号发射模块、无线充电电源，半导体应变片通过激光雕刻技术粘贴在球型外壁内侧，重力感应模块确定半导体应变片各个测点的坐标方位信息,重力感应模块所获取的坐标方位信息和半导体应变片获取的应变信息都输入微型处理器，并通过无线信号发射模块将信号进行调制，传递到计算机，无线充电电源通过AC-DC变换模块对土压力传感器进行无线充电，无线充电电源的充电磁线圈围绕在球型外壁的内侧。
按上述技术方案，球型外壁为直径为5cm的金属球体，由336个六边形受力膜平面组成，受力膜材质为磷青铜合金。
按上述技术方案，半导体应变片选用长度为250um、厚度为80um的聚酰亚胺基底，经过光刻、刻蚀和转接技术将半导体应变片粘贴在336个六边形受力膜平面内，且各六边形受力膜平面内的硅体采用45°应变花方式布置。
按上述技术方案，重力感应模块内置3轴(X、Y、Z轴)加速计，通过任意2轴所构成角度来计算物体的倾斜角度。当传感器发生转动(相对设定的初始水平角度)，其产生的加速度会转换成电信号，并传入到单片机中。因此，土压力传感器可以以任何角度自由放置于土体，不会影响其336个方向力的坐标和定位。
本发明产生的有益效果是：打破了传统土压力传感器只能对测点单方向土压力进行监测的局限性,并且解决了传统土压力传感器无法定位测点最大主应力的难题。本发明采用336组半导体应变片和重力传感器技术的结合,对土体内测点全方向土压力进行监测，能够准确定位测点最大、小点主应力大小及方向，提高了测量精度，为科研试验和工程监测提供了宝贵的监测数据；同时,本发明采用无线信号传输和无线充电功能,也解决了以往有线传输数据线形成的测量盲区的问题,进一步提高了测量精度和可靠度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例无线信号传输球型土压力传感器的结构示意图；
图2是半导体应变片示意图；
图3是45度应变花示意图；
图4是无线信号传输球型土压力传感器工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，为克服传统土压力传感器采集数据单一，无法反应真实最大主应力，以及无法适应封闭条件等复杂工况的问题，提供一种无线信号传输球型土压力传感器，如图1所示，包括球型外壁1、半导体应变片2、重力感应模块3、无线信号发射模块4、无线充电电9，半导体应变片通过激光雕刻技术粘贴在球型外壁内侧，重力感应模块确定半导体应变片各个测点的坐标方位信息,重力感应模块所获取的坐标方位信息和半导体应变片获取的应变信息都输入微型处理器6，并通过无线信号发射模块将信号进行调制，传递到计算机，无线充电电源通过AC-DC变换模块8对土压力传感器进行无线充电，无线充电电源的充电磁线圈围绕在球型外壁的内侧。
进一步地，球型外壁为直径为5cm的金属球体，由336个六边形受力膜平面组成，受力膜材质为磷青铜合金。
进一步地，半导体应变片选用长度为250um、厚度为80um的聚酰亚胺基底，经过光刻、刻蚀和转接技术将半导体应变片粘贴在336个六边形受力膜平面内，且各六边形受力膜平面内的硅体采用45°应变花方式布置。
进一步地，重力感应模块内置3轴(X、Y、Z轴)加速计，通过任意2轴所构成角度来计算物体的倾斜角度。当传感器发生转动(相对设定的初始水平角度)，其产生的加速度会转换成电信号，并传入到单片机5中。因此，土压力传感器可以以任何角度自由放置于土体，不会影响其336个方向力的坐标和定位。
无线信号传输球型土压力传感器通过无线充电技术，摆脱了传统土压力传感器有线供电的约束，同样提高了传感器布设的灵活性，为在复杂地质条件或复杂工况条件下的布设提供了新的思路。同时，充电电池无需更换，且采用防水密封，进一步保证了传感器在复杂条件下(饱和土体)中的使用。
半导体应变片主要由电极、内引线、基底、硅条以及外引线构成。硅条是半导体应变片的核心部分，其受力后引起自身几何尺寸形状的改变从而改变自身电阻阻值的变化。基底起到固定硅条形状以及绝缘的作用。
半导体应变片的粘贴主要过程为：将硅条通过光刻、刻蚀、离子注入、电子束蒸镀等工序，预先制作45°应变花列阵，如图3所示，再将列阵硅条(长度L＝250um、厚度d＝25um硅体)转接到80um厚的聚酰亚胺薄膜基板上，基板粘贴在六边形受力膜内壁。
球形外壁划分为336个六边形受力面，每个六边形中硅体采用三轴45°应变花测线方式，如图2所示。由式(1)求出σx、σy和τxy，然后根据式(2)、(3)求出其主应力和方向。
重力感应模块所接受的坐标信息和半导体应变片产生应变的都将以电信号方式存入微型处理器，并通过无线信号传输模块将信号进行调制以数字信号的方式传递到接受端，再通过PC进行数据分析。
图4是无线信号传输球型土压力传感器工作流程示意图。
无线充电器由接收模块7、AC-DC转换模块8、控制模块和电池9组成。接受模块主要由磁线圈构成，磁线圈在接受到外部交变磁场后接受电能，经过电容转化(整流、滤波)后，将电能储存到电池中。AC-DC模块是将磁线圈接受到的高频交流电转化为直流电。控制模块是较为重要的一环，用于对电池充电状态进行控制。通过AC-DC变换模块，将接收近层充电装置发射的交变磁场，转换成电能并储存，为土压力传感器的工作提供稳定的电能。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线信号传输球型土压力传感器，其特征在于，包括球型外壁、半导体应变片、重力感应模块、无线信号发射模块、无线充电电源，半导体应变片通过激光雕刻技术粘贴在球型外壁内侧，重力感应模块确定半导体应变片各个测点的坐标方位信息,重力感应模块所获取的坐标方位信息和半导体应变片获取的应变信息都输入微型处理器，并通过无线信号发射模块将信号进行调制，传递到计算机，无线充电电源通过AC-DC变换模块对土压力传感器进行无线充电，无线充电电源的充电磁线圈围绕在球型外壁的内侧。
2.根据权利要求1所述的无线信号传输球型土压力传感器，其特征在于，球型外壁为直径为5cm的金属球体，由336个六边形受力膜平面组成，受力膜材质为磷青铜合金。
3.根据权利要求2所述的无线信号传输球型土压力传感器，其特征在于，半导体应变片选用长度为250um、厚度为80um的聚酰亚胺基底，经过光刻、刻蚀和转接技术将半导体应变片粘贴在336个六边形受力膜平面内，且各六边形受力膜平面内的硅体采用45°应变花方式布置。
4.根据权利要求1或2所述的无线信号传输球型土压力传感器，其特征在于，重力感应模块内置3轴加速计，通过任意2轴所构成角度来计算物体的倾斜角度。
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