CN112240813B - 一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，包括支撑体，支撑体上设置有安装槽，安装槽内均设置有传感单元，传感单元包括压头，压头一端设置有拉头，另一端设置有传力头，传力头与弹性梁一侧中部连接，弹性梁另一对侧中部设置有感应线圈且两端设置有夹头，两个夹头分别通过钢弦与感应线圈连接。本发明实现了传统压力传感器由单向压力测量向三维应力状态测量的转变，使得岩土体应力测量更加科学、全面。不仅可以测量受压状态下的正应力，而且可以测量受拉状态下的正应力。密封性好，测量精度高。

Description

一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器
技术领域
本发明属于岩土应力监测领域，具体地涉及一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器。
背景技术
获取准确的岩土体应力监测数据是确定工程岩体、土体力学性质，进行岩土工程稳定性分析评价以及实现岩土工程开挖设计和决策科学化的重要前提。
目前，岩土工程中常见的应力传感器主要有振弦式、光纤光栅式、电阻应变式、液压式等，它们在土压力监测、隧道衬砌结构受力监测、锚杆锚索受力监测、矿压监测等领域中得到了广泛的应用。然而受技术水平的限制，目前岩土工程应力监测中使用的传感器大多为单向压力传感，即只能获取某一个方向的压应力。如需获取岩土体的三维应力状态，只能在监测位置埋设六个呈不同测量方向的传感器，实施起来非常麻烦，而且在很多情况下根本无法实施。另外，由于岩土体中的应力状态复杂多变，很多时候会出现又压应力转为拉应力的情况，而目前的传感器无法实现岩土体的拉应力的监测。
为解决上述难题，本发明设计了一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，以实现深孔岩土体三维应力的实时监测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于岩土工程深孔应力监测的振弦式三维应力传感器，可以实现岩土工程开挖全过程三维压应力或拉应力的长期监测。该传感器具有量程大、灵敏度高、长期稳定性好、安装使用方便等特点，而且在实际的制造过程中具备零部件安装方便、加工成本低的优势。
一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，包括支撑体，支撑体上设置有安装槽，安装槽内均设置有传感单元，
传感单元包括压头，压头一端设置有拉头，另一端设置有传力头，传力头与弹性梁一侧中部连接，弹性梁另一对侧中部设置有感应线圈且两端设置有夹头，两个夹头分别通过钢弦与感应线圈连接。
如上所述的安装槽的槽壁设置有弹性梁安装槽，弹性梁两端安装在弹性梁安装槽内，压头周向开设有密封圈安装槽，密封圈安装槽内安装有密封圈和防水软胶圈。
如上所述的安装槽和传感单元均为六个，各个传感单元的空间法向量n1-1-1、n1-1-2、n1-1-3、n1-1-4、n1-1-5、n1-1-6分别为：
Figure BDA0002723275420000021
。
一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，还包括定向器，定向器包括前滚轮导向件、后滑轮导向件和定向杆，定向杆分别与后滑轮导向件、前滚轮导向件和支撑体连接。
如上所述的前滚轮导向件包括前滚轮架和周向设置在前滚轮架的多个前滚轮和多个安全柱，安全柱与前滚轮间隔设置，前滚轮架中心设置有前滑轮固定孔；后滚轮导向件包括后滚轮架和周向设置在后滚轮架的多个后滚轮和多个安全柱，安全柱与后滚轮间隔设置，后滚轮架中心设置有后滑轮固定孔。
如上所述的定向杆包括杆件，杆件分别与后滑轮固定孔、前滑轮固定孔、以及支撑体上的电线通道连接，杆件靠近后滑轮固定孔的外端设置有十字卡头，杆件位于后滑轮固定孔和前滑轮固定孔之间的部分设置有罗盘安装板。
本发明相对于现有技术，具有以下优点：
1、本发明包含六个独立方向的正应力传感单元，可以监测被测试地点三维应力状态，实现了传统压力传感器由单向压力测量向三维应力状态测量的转变，使得岩土体应力测量更加科学、全面。
2、传感单元采用可分离的拉压头设计，使得传感单元不仅可以测量受压状态下的正应力，而且可以测量受拉状态下的正应力，这是传统压力传感器无法实现的。
3、传感单元采用密封软胶和密封圈的组合设计，不仅保证了传感器的防水效果，而且能够实现传感单元压头的自由伸缩。
4、定向器采用双三向滑轮和定向杆的组合设计，使得本发明在深孔应力监测中不仅安装方便、固定牢靠，而且能够精确确定传感器在钻孔中的三维姿态，进而保证了传感器的测量精度。
5、采用钢弦式传感元件，有效缩小了应力传感单元安装所需的内部空间，进而保证整个应力传感器的外径不超过100mm，满足了深部工程对传感器的小型化要求。
6、长期稳定性好，量程大，精度高，密封性能好，耐压，耐腐蚀。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为传感探头的正视和后视示意图，其中，(a)为正视示意图；(b)为后视示意图；
图3为支撑体正视、后视、俯视和仰视示意图，其中(a)为正视示意图；(b)为后视示意图；(c)为俯视示意图；(d)为仰视示意图；
图4为传感单元与支撑体位置关系示意图；
图5为传感单元正视示意图；
图6为拉头结构示意图；
图7为压头正视和立体结构示意图，其中，(a)为正视示意图；(b)为立体结构示意图；
图8为防水软胶圈和密封圈结构示意图；
图9为应变机芯结构示意图；
图10为连接杆结构示意图；
图11为定向器结构示意图；
图12为前滑轮正视和立体结构示意图，其中，(a)为正视示意图；(b)为立体结构示意图；
图13为后滑轮正视和立体结构示意图，其中，(a)为正视示意图；(b)为立体结构示意图；
图14为定向杆结构示意图。
图中：1、传感探头；1-1-1、第一传感单元；1-1-2、第二传感单元；1-1-3、第三传感单元；1-1-4、第四传感单元；1-1-5、第五传感单元；1-1-6、第六传感单元；1-2、支撑体；1-2-1、第一安装槽、1-2-2、第二安装槽、1-2-3、第三安装槽；1-2-4、第四安装槽；1-2-5、第五安装槽；1-2-6、第六安装槽；1-2-7、电线通道；1-2-8、弹性梁安装槽；C-1、拉头；C-2、压头；C-2-1、承压板；C-2-2、密封圈安装槽；C-2-3、传力头；C-3、防水软胶圈；C-4、密封圈；C-5、应变机芯；C-5-1、弹性梁；C-5-2、夹头；C-5-3、感应线圈；C-5-4、钢弦；C-5-5、电线；2、连接杆；3、定向器；3-1、前滑轮导向件；3-1-1、前滑轮架；3-1-2、前滑轮固定孔；；3-1-3、第一前滚轮；3-1-4、第二前滚轮；3-1-5、第三前滚轮；3-2、后滑轮导向件；3-2-1、后滑轮架；3-2-2、后滑轮固定孔；3-2-3、第一后滚轮；3-2-4、第二后滚轮；3-2-5、第三后滚轮；3-2-6、第一安全柱；3-2-7、第二安全柱；3-2-8、第三安全柱；3-3、定向杆；3-3-1、杆件；3-3-2、罗盘安装板；3-3-3、十字卡头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，包括支撑体1-2，支撑体1-2上设置有安装槽，安装槽内均设置有传感单元，
传感单元包括压头C-2，压头C-2一端设置有拉头C-1，另一端设置有传力头C2-3，传力头C2-3与弹性梁C-5-1一侧中部连接，弹性梁C-5-1另一对侧中部设置有感应线圈C-5-3且两端设置有夹头C-5-2，两个夹头C-5-2分别通过钢弦C-5-4与感应线圈C-5-3连接。
拉头C-1将应力(拉应力或压应力)依次通过压头C-2、传力头C2-3传递到弹性梁C-5-1中部，弹性梁C-5-1发生形变，两端设置的夹头C-5-2通过钢弦C-5-4拉动感应线圈C-5-3，感应线圈C-5-3与线缆连接，监测弹性梁C-5-1的形变，进而获得应力的大小。拉头C-1、压头C-2、传力头C2-3共中心轴线且中心轴线过感应线圈C-5-3的中部和监测弹性梁C-5-1的中部，
安装槽的槽壁设置有弹性梁安装槽1-2-8，弹性梁C-5-1两端安装在弹性梁安装槽1-2-8内，压头C-2周向开设有密封圈安装槽C-2-2，密封圈安装槽C-2-2内安装有密封圈C-4和防水软胶圈C-3。
密封圈C-4外沿与安装槽的内壁贴合，实现安装槽的密封，防水软胶圈C-3进一步起到防水的作用。弹性梁安装槽1-2-8起到对传感单元限位固定的作用。
安装槽和传感单元均为六个，各个传感单元的空间法向量n1-1-1、n1-1-2、n1-1-3、n1-1-4、n1-1-5、n1-1-6分别为：
Figure BDA0002723275420000051
。
在实施例中，支撑体1-2以中间横剖面分为第一支撑体和第二支撑体，第一支撑体上开设有三个安装槽，分别为第一安装槽1-2-1、第二安装槽1-2-2和第三安装槽1-2-3，第二支撑体上开设有三个安装槽，分别为第四安装槽1-2-4、第五安装槽1-2-5和第六安装槽1-2-6，第一支撑体和第二支撑体均为三棱锥状，第一安装槽1-2-1、第二安装槽1-2-2和第三安装槽1-2-3分别开设在第一支撑体的三个侧面，第四安装槽1-2-4、第五安装槽1-2-5和第六安装槽1-2-6开设在第二支撑体的三个侧面。传感单元包括分别安装在第一安装槽1-2-1、第二安装槽1-2-2和第三安装槽1-2-3、第四安装槽1-2-4、第五安装槽1-2-5和第六安装槽1-2-6内的第一传感单元1-1-1、第二传感单元1-1-2、第三传感单元1-1-3、第四传感单元1-1-4、第五传感单元1-1-5和第六传感单元1-1-6，第一传感单元1-1-1、第二传感单元1-1-2、第三传感单元1-1-3、第四传感单元1-1-4、第五传感单元1-1-5和第六传感单元1-1-6的中心轴线所在方向为空间法向方向。第一传感单元1-1-1、第二传感单元1-1-2、第三传感单元1-1-3、第四传感单元1-1-4、第五传感单元1-1-5和第六传感单元1-1-6的空间法向量分别为n1-1-1、n1-1-2、n1-1-3、n1-1-4、n1-1-5、n1-1-6。
本实施例中，建立以下XYZ坐标系，支撑体1-2的中间横剖面所在的平面为XY平面，支撑体1-2的中间横剖面的中心为原点，X轴与中间横剖面的其中一个外边平行且与Y轴平行，Z轴与XY平面垂直。
一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，还包括定向器3，定向器3包括前滚轮导向件3-1、后滑轮导向件3-2和定向杆3-3，定向杆3-3分别与后滚轮导向件3-2、前滚轮导向件3-1和支撑体1-2连接。
前滚轮导向件3-1包括前滚轮架3-1-1和周向设置在前滚轮架3-1-1的多个前滚轮和多个安全柱，安全柱与前滚轮间隔设置，前滚轮架3-1-1中心设置有前滑轮固定孔3-1-2；后滚轮导向件3-2包括后滚轮架3-2-1和周向设置在后滚轮架3-2-1的多个后滚轮和多个安全柱，安全柱与后滚轮间隔设置，后滚轮架3-2-1中心设置有后滑轮固定孔3-2-2。
在本实施例中，前滚轮架3-1-1周向设置有3个前滚轮和3个安全柱，3个前滚轮分别为第一前滚轮3-1-3、第二前滚轮3-1-4、和第三前滚轮3-1-5，第一前滚轮3-1-3、第二前滚轮3-1-4、和第三前滚轮3-1-5的滚动方向为定向杆3-3的延伸方向。
后滚轮架3-2-1周向设置有3个后滚轮和3个安全柱，3个后滚轮分别为第一后滚轮3-2-3、第二后滚轮3-2-4、和第三后滚轮3-2-5，第一后滚轮3-2-3、第二后滚轮3-2-4、和第三后滚轮3-2-5的滚动方向为定向杆3-3的延伸方向。
定向杆3-3包括杆件3-3-1，杆件3-3-1分别与后滑轮固定孔3-2-2、前滑轮固定孔3-1-2、以及支撑体1-2上的电线通道1-2-7连接，杆件3-3-1靠近后滑轮固定孔3-2-2的外端设置有十字卡头3-3-3，杆件3-3-1位于后滑轮固定孔3-2-2和前滑轮固定孔3-1-2之间的部分设置有罗盘安装板3-3-2。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，包括支撑体(1-2)，其特征在于，支撑体(1-2)上设置有安装槽，安装槽内均设置有传感单元，
传感单元包括压头(C-2)，压头(C-2)一端设置有拉头(C-1)，另一端设置有传力头(C2-3)，传力头(C2-3)与弹性梁(C-5-1)一侧中部连接，弹性梁(C-5-1)另一对侧中部设置有感应线圈(C-5-3)且两端设置有夹头(C-5-2)，两个夹头(C-5-2)分别通过钢弦(C-5-4)与感应线圈(C-5-3)连接，
所述的安装槽和传感单元均为六个，各个传感单元的空间法向量n1-1-1、n1-1-2、n1-1-3、n1-1-4、n1-1-5、n1-1-6分别为：
Figure FDA0003292367360000011
。
2.根据权利要求1所述的一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，其特征在于，所述的安装槽的槽壁设置有弹性梁安装槽(1-2-8)，弹性梁(C-5-1)两端安装在弹性梁安装槽(1-2-8)内，压头(C-2)周向开设有密封圈安装槽(C-2-2)，密封圈安装槽(C-2-2)内安装有密封圈(C-4)和防水软胶圈(C-3)。
3.根据权利要求1所述的一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，其特征在于，还包括定向器(3)，定向器(3)包括前滚轮导向件(3-1)、后滑轮导向件(3-2)和定向杆(3-3)，定向杆(3-3)分别与后滑轮导向件(3-2)、前滚轮导向件(3-1)和支撑体(1-2)连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，其特征在于，所述的前滚轮导向件(3-1)包括前滚轮架(3-1-1)和周向设置在前滚轮架(3-1-1)的多个前滚轮和多个安全柱，安全柱与前滚轮间隔设置，前滚轮架(3-1-1)中心设置有前滑轮固定孔(3-1-2)；后滑轮导向件(3-2)包括后滚轮架(3-2-1)和周向设置在后滚轮架(3-2-1)的多个后滚轮和多个安全柱，安全柱与后滚轮间隔设置，后滚轮架(3-2-1)中心设置有后滑轮固定孔(3-2-2)。
5.根据权利要求4所述的一种用于深孔地应力测量的振弦式三维应力传感器，其特征在于，所述的定向杆(3-3)包括杆件(3-3-1)，杆件(3-3-1)分别与后滑轮固定孔(3-2-2)、前滑轮固定孔(3-1-2)、以及支撑体(1-2)上的电线通道(1-2-7)连接，杆件(3-3-1)靠近后滑轮固定孔(3-2-2)的外端设置有十字卡头(3-3-3)，杆件(3-3-1)位于后滑轮固定孔(3-2-2)和前滑轮固定孔(3-1-2)之间的部分设置有罗盘安装板(3-3-2)。
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