CN112798400A - 一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置 - Google Patents

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张佳晨
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周晨光
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Abstract

一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置，属于土工试验技术领域。包括激光式动态跟踪装置、外置轮辐式力传感器、外置局部位移传感器、外置力轴承、激光位移传感器组装内外环、激光式动态跟踪装置等。激光式动态跟踪装置中的可旋转式激光位移传感器测量装置包括12个结构、功能相同的激光位移传感器和1个色标传感器，12个激光位移传感器沿内环周向均匀设于圆环上，设于压力室外壳外围一圈，色标传感器位于任意两个激光位移传感器之间。本发明装置可实现对三轴试样全表面不同部位进行扫描，实现轴向‑径向位移的精准测量，不受加载条件的约束；不会对三轴试样试验过程中的变形产生干扰；安装方法简单，操作简便，测量精度高。

Description

一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置。
技术背景
在常规三轴试验过程中，三轴试样上下端部分别与试样帽和试样底座接触，由于摩擦力的约束，在试验加载过程中，试样端部受力与试样中段受力情况有所不同。即使常规测量为三轴试验提供了足够的精度，但也无法在较小的应变水平下准确地测量土壤变形，在应变水平下可能会出现峰值强度和刚度，或者是代表原位土壤响应的剪切带。
目前，为了更好地对三轴试样的应变发展进行精准地测量，大量的学者提出了相对可行的方法，主要有以下几个方法：
(1)电解质液位移传感器
该方法是一种由电解质水平仪制成的倾角仪，密封在玻璃胶囊中，容纳三个部分浸没在电解质中的共面电极。该系统通过将三轴试样的轴向变形转换为电解质液面的倾斜进而测量。但即使电解质液位正常工作，它也会响应其所附着的刚体转动。
(2)霍尔效应传感器测量法
该方法是将霍尔效应传感器粘贴在三轴试样表面上，并连接铰链的一端。当试样发生变形时，使铰链另一端发生旋转，从而测量三轴试样径向变形。该方法设备安装难度极大，对环境要求高，固定鞘会刺破乳胶膜，不利于试验进行，且该方法只能测量三轴试样径向变形。
(3)线性变形传感器(LDT)
该方法的主要原理是：在三轴试样外表面垂直安装应变仪，并通过铰链连接。试样的变形会引起两者之间距离的改变，可以通过应变仪检测该变化并将其记录为轴向应变。该方法由于LDT的滞后，机械缺陷以及电压输入的变化削弱了该传感器的性能，而且膜片和铰链之间的接触力往往随着变形的增加而导致错误。
(4)光纤布拉格光栅线性变形传感器
该方法是利用光纤技术代替原有LDT的电子技术，传感器全部布置在试样表面。该方法的基本原理与LDT传感器原理类似，不作赘述。该方法的精度主要取决于光纤布拉格光栅线性变形传感器的分辨率和校准系数。由于该方法安装过程中使用大量粘合剂，粘合剂的蠕变误差将导致测量的准确性得不到保证。且该方法只用于测量试样轴向变形。
由此可见，目前急需一种可以全表面测量三轴试样轴向-径向变形的测量装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备装置简单、试验操作方便并能够减小试验过程中对试样的干扰，同时又能够准确测量三轴试样轴向-径向位移的装置，并通过扫描试样整体的方法实现对试样变形的实时监测，解决了试样在加载过程中的变形测量问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置，能够通过控制电机对试样进行整体扫描，实现试验过程中对试样变形全方位采集，用于三轴试验中试样表面轴向-径向位移测量。所述的装置包括激光式动态跟踪装置、外置轮辐式力传感器100、外置局部位移传感器101、垫板102、外置力轴承103、下孔压力传感器104A、上孔压力传感器104B、三轴压力室腔体围压传感器105、三轴压力室上盘106、激光位移传感器组装圆环109、三轴压力室下盘110、台座113、L型钢片连接板115、内置轮辐式力传感器117、三轴试验试样118、试样底座119。所述的激光式动态跟踪装置包括有机玻璃三轴压力室外壳107、滑台111、光栅尺112、电机116、可旋转式激光位移传感器测量装置108。
所述的外置轮辐式力传感器100上表面连接口与加载作动装置的油缸活塞轴下端相连，其下表面连接口与加载轴上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置轮辐式力传感器100与下部的外置力轴承103同心相连，并保持垂直。
所述的垫板102平面与三轴压力室上盘106平行，垫板102一端与轴承103连接，另一端上侧与外置局部位移传感器101端点相接。
所述的三轴压力室上盘106上侧位置处装配下孔压力传感器104A、上孔压力传感器104B、三轴压力室腔体围压传感器105，外置力作动装置及相应的连接构件。
所述的有机玻璃三轴压力室外壳107装配在三轴压力室上盘106和三轴压力室下盘110之间，并通过螺栓固定。
所述的激光式动态跟踪装置中的光栅尺112侧面紧贴L型钢片连接板115，其底部固定在台座113上；所述的滑台111与电机116相邻布置，使其底部嵌入台座113，并用螺栓进行调平固定。所述的滑台111上滑块外侧与十字型钢片内侧相连，并位于钢片正中心。在十字型钢片外边缘设置锚固孔两个，用于锁紧光栅尺112上的滑块。所述的激光位移传感器组装圆环109在圆环外环109A的外边缘设置通孔，与L型钢片连接板115通过螺栓相连。所述激光位移传感器组装圆环109包括外环109A、内环109B。
所述的可旋转式激光位移传感器测量装置108包括12个结构、功能相同的激光位移传感器和1个色标传感器108M；12个激光位移传感器沿内环109B周向均匀设于圆环上，且设于有机玻璃三轴压力室外壳107外围一圈，并通过调平处理，使得12个激光位移传感器的激光处于同一轴线处并与三轴压力室上盘106和三轴压力室下盘110平行。所述12个激光位移传感器包括激光位移传感器108A、激光位移传感器108B、激光位移传感器108C、激光位移传感器108D、激光位移传感器108E、激光位移传感器108F、激光位移传感器108G、激光位移传感器108H、激光位移传感器108I、激光位移传感器108J、激光位移传感器108K、激光位移传感器108L。所述的色标传感器108M位于任意两个激光位移传感器之间的中心位置，其投射光束与激光位移传感器激光束汇集一点且与激光束位于同一水平面。
所述12个激光位移传感器108-1的结构和功能相同，以其中一个进行说明：所述的激光位移传感器108A为该装置主要的测量装置，包括激光传感器108A1、螺栓108A2、矩形钢片108A3、槽型钢片108A4、螺母108A5。所述矩形钢片108A3上设有两个螺纹孔。所述激光传感器108A1侧面与槽型钢片108A4垂向设置的侧壁通过高强速干胶水相连；在槽型钢片108A4下侧设置通孔，在槽型钢片108A4水平设置的侧壁上覆盖矩形钢片108A3，矩形钢片108A3与槽型钢片108A4之间并通过螺栓108A2进行锚固。在内环109B上设置24个螺纹孔，间隔布置激光位移传感器108A(每个激光位移传感器108A矩形钢片108A3上的两个螺纹孔与内环109B上的两个螺纹孔通过螺栓108A2和螺母108A5进行连接)，并进行对中和调平处理，通过螺栓108A2和螺母108A5进行锚固，在两者间隙处灌入高强速干胶水进行固结。
进一步的，所述的滑台111俯视为凸字形结构，中间设置一根通长的螺纹轴承111B，作为滑块111D的轨道；外壳111A上顶面和下底面设有与螺纹轴承111B上下端面相配合的凹槽；滑块111D外侧设置四个螺纹孔，用于固定十字型钢板111C；十字型钢板111C左右两边设置通孔四个，通孔外侧连接L型钢片连接板115，在通孔内壁用高强速干胶水进行固结，并用螺栓进行锚固；外壳111A下底面与钢片111E相接，并嵌入到台座113中。钢片111E另一边设置四个通孔，目的在于固定电机116。所述的光栅尺112B一侧与L型支撑钢板113C相连，将光栅尺112的高度与滑台111调至齐平，并在光栅尺112B和L型支撑钢板113C外侧通过卡槽固定，并用螺栓进行锚固。滑块112A上设置两个螺纹孔，用来锁紧十字型钢板111C，在滑台111上下移动的同时，保证滑块112A同步前进。
进一步的，所述的台座113为一个矩形空心块113A，在其外侧与薄板113D相对，并且保证下面对齐。具体的在薄板113D外表面开设螺纹孔用于将其锚固在矩形空心块113A侧表面。待锚固完成后，将角钢113B与矩形空心块113A对齐，并用螺栓将其与薄板113D连接，孔壁内用高强速干胶水进行固结。在角钢113B水平台座上设置两个螺纹孔，目的用于连接L型支撑钢板113C，待其与薄板113D垂直并与滑台111相平行时，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固结，保证在电机控制位移移动时不会产生变形或滑动。
上述激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置的组装及使用过程，包括以下步骤：
第一步，组装有机玻璃三轴压力室外壳107、光栅尺112，滑台111，电机116，可旋转式激光位移传感器测量装置108：将有机玻璃三轴压力室外壳107套于三轴压力室外侧；将激光传感器108A1嵌入槽型钢片108A4，并用螺栓进行固定，螺纹间灌入高强速干胶水进行密封，紧接着将槽型钢片108A4与矩形钢片108A3进行锚固连接形成一个整体，将激光位移传感器108A、激光位移传感器108B、激光位移传感器108C、激光位移传感器108D、激光位移传感器108E、激光位移传感器108F、激光-位移传感器108G、激光位移传感器108H、激光位移传感器108I、激光位移传感器108J、激光位移传感器108K、激光位移传感器108L通过相同的方式安装在内环109B上，紧接着就是整体安装和对中。将矩形钢片108A3的一个通孔与内环109B的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并处于半紧状态，按照同样的方式，在内环109B上一个间隔一个圆孔进行安装激光位移传感器108A，待十二个激光位移传感器安装完成之后并进行对齐；同时打开十二个激光传感器，使其打到轴线并齐平，然后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行密封。接着将1个色标传感器108M安装在激光位移传感器108A和激光位移传感器108L之间，使其对准试样并灌入高强速干胶水。待高强速干胶水固结之后，在内环109B外圈安装轴承和外环109A，使其可以进行相对转动。完成上述步骤即可获得可旋转式激光位移传感器测量装置108。将钢片111E固定在台座113上，在两者缝隙中灌入高强速干胶水进行固结，待两者完全固定完成时，将薄板113D一侧紧贴台座113侧面，使其下棱边相齐进行装配，并用螺栓进行锁紧，灌入高强速干胶水进行密封；紧接着将角钢113B通过高强螺栓装配到薄板113D边缘处，与矩形空心块113A对齐；接着将滑台111和电机116装配在钢片111E上，在四个角上通过拧紧螺栓进行固定，在螺纹孔中灌入高强速干胶水进行固结，同时使滑台111位于内测，便于连接光栅尺112；上述角钢113B水平台座上设置两个螺纹孔，与L型支撑钢板113C的螺纹孔相对应，并用螺栓进行连接；将光栅尺112的顶部与滑台111尽量相齐，紧接着通过在光栅尺112B和L型支撑钢板113C外侧装配卡槽固定，并用螺栓进行锚固；将十字型钢板111C通过螺栓与滑块112A和滑块111D相连接，保持同步上下移动。上述构件组合完成后，将组装好的可旋转式激光位移传感器测量装置108搭在L型支撑钢板113C上，并进行调平处理，灌入高强速干胶水进行密封，拧紧螺栓。紧接着将L型支撑钢板113C一侧的螺纹孔与十字型钢板111C上左右两边缘的螺纹孔对齐，拧紧螺栓，并用高强速干胶水进行密封。在此安装过程中，所有安装方式均为锚接。完成上述两个步骤即完成激光式全方位测量三轴试样径向-轴向位移装置的安装。
第二步，将组装完成的激光式全方位测量三轴试样径向-轴向位移装置安装在有机玻璃三轴压力室外壳107上，使得外环109A、内环109B、可旋转式激光位移传感器测量装置108在三轴压力室上盘106和三轴压力室下盘110之间移动，光栅尺112、滑台111、电机116则均位于压力室外侧。
第三步，打开可旋转式激光位移传感器测量装置108，调整内环109B，使激光均与试样轴心线相交，及与有机玻璃三轴压力室外壳107同心，此时激光投射的平面与试样轴线保证垂直。待内环109B位置确定好，通过十字型钢板111C将其锚固在滑台111，完成激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置的安装。
激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置的安装数量及量程范围选择等根据实际试验需求确定。
本发明的有益效果是：本发明装置可以实现对三轴试样全表面不同部位进行扫描，实现轴向-径向位移的精准测量，可以用于静力试验，也可用于动力试验，不受加载条件的约束，且设备装置简单；该装置属于外部测量，设置有机玻璃外罩即可实现，不会对三轴试样试验过程中的变形产生干扰。该测量装置安装方法简单，操作简便，且测量精度高，为土工试验和砂砾料本构关系研究的发展提供了更便利、更有效的试验手段，具有良好的推广价值。
附图说明
图1为激光式位移控制全表面轴向-径向变形测量装置剖视图；
图2为可旋转式激光位移传感器测量装置侧视图；
图3为激光传感器侧视图；
图4为可旋转式圆盘侧视图；
图5为光栅尺、滑台、电机侧视图；
图6为三轴试样一个测点在每个时间段的变形曲线；
图中：100外置轮辐式力传感器；101外置局部位移传感器；102垫板；103外置力轴承；104A下孔压力传感器；104B上孔压力传感器；105三轴压力室腔体围压传感器；106三轴压力室上盘；107有机玻璃三轴压力室外壳；108可旋转式激光位移传感器测量装置；109激光位移传感器组装圆环；110三轴压力室下盘；111滑台；112光栅尺；113台座；115L型钢片连接板；116电机；117内置轮辐式力传感器；118三轴试验试样；119试样底座；108A1激光传感器；108A2螺栓；108A3矩形钢片；108A4槽型钢片；109A外环；109B内环；111B螺纹轴承；111C十字型钢板；111D滑块；111E钢片；113A矩形空心块；113B角钢；113C L型支撑钢板；113D薄板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细且清晰地描述。所描述的具体实施例仅是本发明众多实施例中的一部分，并不代表全部实施例。一般地，附图中所展示的本发明实施例的组件可以按照不同位置或组装方式进行安装并实施。基于本发明所描述的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的具体实施例中，应当注意的是在下述附图中，部分构件功能以及组装行式相同，但不属于同一时刻的所述内容，且使用了不同的编号，在进行文字描述时，在名称后用大写英文字母A.B.C加以区分，在具体实施过程中则不需要区别对待，因其功能及使用方法是完全相同的。
在本发明的具体实施例中，应该明确说明的是，一些表示相对方向或者相对位置的术语，例如“上端”、“下端”、“正面”、“反面”“中心位置”等，都是为了描述某一具体构件相对其他构件所处的方位或者位置关系。该方位或者位置的描述，仅仅是为了方便且清晰的描述具体实施案例，并不代表实际实施工程中被严格限定，可根据各构件尺寸等实际信息加以改动。
一种激光式位移控制全表面轴向-径向变形测量装置，能够全方位测量三轴试样轴向-径向位移，用于常规静动三轴试验中试样全表面轴向-径向位移测量。
如附图1，所述激光式位移控制全表面轴向-径向变形测量装置主要包括外置轮辐式力传感器100、外置局部位移传感器101、垫板102、外置力轴承103、下孔压力传感器104A、上孔压力传感器104B、三轴压力室腔体围压传感器105、三轴压力室上盘106、有机玻璃三轴压力室外壳107、可旋转式激光位移传感器测量装置108、激光位移传感器组装圆环109、三轴压力室下盘110、滑台111、光栅尺112、台座113、L型钢片连接板115、电机116、内置轮辐式力传感器117、三轴试验试样118、试样底座119。所述的外置轮辐式力传感器100上表面连接口与加载作动装置的油缸活塞轴下端相连，其下表面连接口与加载轴上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置轮辐式力传感器下表面与轴承103连接，所述的垫板102一端设有通孔与轴承103连接，垫板102平面与三轴压力室上盘106平行。所述的三轴压力室上盘106上侧位置处装配下孔压力传感器104A、上孔压力传感器104B以及三轴压力室腔体围压传感器105。所述的有机玻璃三轴压力室外壳107装配在三轴压力室上盘106和三轴压力室下盘110外侧的中心位置，并通过螺栓固定。所述的可旋转式激光位移传感器测量装置108位于有机玻璃三轴压力室外壳107外围一圈，并通过调平处理，使得激光处于同一轴线处以及与三轴压力室上盘106和三轴压力室下盘110平行。可旋转式激光位移传感器测量装置108一侧通过螺栓与L型钢片连接板115相连接。所述的滑台111、光栅尺112和电机116嵌入台座113并进行调平固定。
如附图1，所述的激光式动态跟踪装置是在常规三轴压缩装置上进行改进，包括有机玻璃三轴压力室外壳107、滑台111、光栅尺112、电机116、可旋转式激光位移传感器测量装置108；所述的光栅尺112一侧紧贴L型钢板并固定在台座113上，滑台111与电机116相邻布置，使其底部嵌入台座113，并用螺栓进行调平固定。所述的滑台111上滑块外侧与十字型钢片一侧相连，并位于钢片正中心。在十字型钢片外边缘设置锚固孔两个，用于锁紧光栅尺112上滑块。所述的可旋转式激光位移传感器测量装置108在圆环外边缘设置通孔，与L型钢片115通过螺栓相连。
如附图5，所述的滑台111俯视为凸字形结构，中间设置一根通长的螺纹轴承111B，作为滑块111D的轨道；外壳111A上顶面和下底面设有与螺纹轴承111B上下端面相配合的凹槽；滑块111D外侧设置四个螺纹孔，用于固定十字型钢板111C；十字型钢板111C左右两边设置通孔四个，通孔外侧连接L型钢片连接板115，在通孔内壁用高强速干胶水进行固结，并用螺栓进行锚固；外壳111A下底面与钢片111E相接，并嵌入到台座113中。钢片111E另一边设置四个通孔，目的在于固定电机116。
如附图5，所述的光栅尺112B一侧与L型支撑钢板113C相连，将光栅尺112的高度与滑台111调至齐平，并在光栅尺112B和L型支撑钢板113C外侧通过卡槽固定，并用螺栓进行锚固。滑块112A上设置两个螺纹孔，用来锁紧十字型钢板111C，在滑台111上下移动的同时，保证滑块112A同步前进。
如附图5，所述的台座113为一个矩形空心块113A，在其外侧与薄板113D相对，并且保证下面对齐。具体的在薄板113D外表面开设螺纹孔用于将其锚固在矩形空心块113A侧表面。待锚固完成后，将角钢113B与矩形空心块113A对齐，并用螺栓将其与薄板113D连接，孔壁内用高强速干胶水进行固结。在角钢113B水平台座上设置两个螺纹孔，目的用于连接L型支撑钢板113C，待其与薄板113D垂直并与滑台111相平行时，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固结，保证在电机控制位移移动时不会产生变形或滑动。
一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置的安装及使用过程如下：
第一步，组装有机玻璃三轴压力室外壳107、光栅尺112，滑台111，电机116，可旋转式激光位移传感器测量装置108：将有机玻璃三轴压力室外壳107套于三轴压力室外侧；将激光传感器108A1嵌入槽型钢片108A4，并用螺栓进行固定，螺纹间灌入高强速干胶水进行密封，紧接着将槽型钢片108A4与矩形钢片108A3进行锚固连接形成一个整体，将激光位移传感器108A、激光位移传感器108B、激光位移传感器108C、激光位移传感器108D、激光位移传感器108E、激光位移传感器108F、激光-位移传感器108G、激光位移传感器108H、激光位移传感器108I、激光位移传感器108J、激光位移传感器108K、激光位移传感器108L用相同的方式进行安装，紧接着就是整体安装和对中。将矩形钢片108A3的一个通孔与内环109B的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并处于半紧状态，按照同样的方式，在内环109B上一个间隔一个圆孔进行安装激光位移传感器108A，待十二个激光位移传感器安装完成之后并进行对齐；同时打开十二个激光传感器，使其打到轴线并齐平，然后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行密封。然后将色标传感器108M进行安装，使其对准试样。待高强速干胶水固结之后，在内环109B外圈安装轴承和外环109A，使其可以进行相对转动。完成上述步骤即可获得可旋转式激光位移传感器测量装置108。将钢片111E固定在台座113上，在两者缝隙中灌入高强速干胶水进行固结，待两者完全固定完成时，将薄板113D一侧紧贴台座113侧面，使其下棱边相齐进行装配，并用螺栓进行锁紧，灌入高强速干胶水进行密封；紧接着将角钢113B通过高强螺栓装配到薄板113D边缘处，与矩形空心块113A对齐；接着将滑台111和电机116装配在钢片111E上，在四个角上通过拧紧螺栓进行固定，在螺纹孔中灌入高强速干胶水进行固结，同时使滑台111位于内测，便于连接光栅尺112；上述角钢113B水平台座上设置两个螺纹孔，与L型支撑钢板113C的螺纹孔相对应，并用螺栓进行连接；将光栅尺112的顶部与滑台111尽量相齐，紧接着通过在光栅尺112B和L型支撑钢板113C外侧装配卡槽固定，并用螺栓进行锚固；将十字型钢板111C通过螺栓与滑块112A和滑块111D相连接，保持同步上下移动。上述构件组合完成后，将组装好的可旋转式激光位移传感器测量装置108搭在L型支撑钢板113C上，并进行调平处理，灌入高强速干胶水进行密封，拧紧螺栓。紧接着将L型支撑钢板113C一侧的螺纹孔与十字型钢板111C上左右两边缘的螺纹孔对齐，拧紧螺栓，并用高强速干胶水进行密封。在此安装过程中，所有安装方式均为锚接。完成上述两个步骤即完成激光式全方位测量三轴试样径向-轴向位移装置的安装。
第二步，将组装完成的激光式全方位测量三轴试样径向-轴向位移装置安装在有机玻璃三轴压力室外壳107上，使得外环109A、内环109B、可旋转式激光位移传感器测量装置108在三轴压力室上盘106和三轴压力室下盘110之间移动，光栅尺112，滑台111，电机116则均位于压力室外侧。
第三步，打开可旋转式激光位移传感器测量装置108，调整内环109B，使激光均与试样轴心线相交，及与有机玻璃三轴压力室外壳107同心，此时激光投射的平面与试样轴线保证垂直。待内环109B位置确定好，通过十字型钢板111C将其锚固在滑台111，完成激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置的安装。
进一步的，激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置的安装数量及量程范围选择等根据实际试验需求确定。
一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置的测量原理如下，现根据附图6，详细描述：
激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置安装完成时，三轴试验试样118处于初始状态，局部测点未发生任何方向上的位移。可旋转式激光位移传感器测量装置108与三轴试样轴线保持垂直，并且使激光打在试样底端，此时处于平衡位置；滑台111和光栅尺112处于初始状态，对应的轴向位移数值为0；激光位移传感器108A数值处于测量范围平衡位置，对应的控制参考位移数值为0。
三轴仪作动装置开始加载，三轴试验试样118发生形变，局部测点在轴向和径向均发生位移，此处，不考虑试样体发生倾斜或转动；随着位移控制的进行，分别设置几个时间段，通过电机116带动滑台111轴承，使可旋转式激光位移传感器测量装置108上下移动，对三轴试验试样118进行全表面扫描，同时，激光位移传感器108A测得位移值即为该测点径向位移数值，激光位移传感器108A上下移动测量的差值即为该测点轴向位移数值。并且以光栅尺112的数据作为控制参考位移数值，用于控制可旋转式激光位移传感器测量装置108上下移动的速度和距离。根据测得的数据绘制每个测点在不同时间节点的变形曲线，如附图6，其余11个测点均相同，在此不做赘述。
上述测量过程在试验过程中反复进行，激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置控制采集算法不在本发明内容中详述。
首先，按照《土工试验规程SL237-1999》制备砂砾料三轴试样，并完成砂砾料三轴试样安装。
进一步地，按照上述装置组装置装过程完成激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置的组装，如附图1、附图2、附图3、附图4、附图5所示。并将组装完成的可旋转式激光位移传感器测量装置安装在三轴仪压力室有机玻璃壳外部。
进一步地，继续按照《土工试验规程SL237-1999》，对砂砾料三轴试样进行通气，饱和及固结。同时，将电位器控制动态跟踪双向同步位移测量装置的步进电机116控制线，激光位移传感器108数据线，光栅尺112数据线及色标传感器108M数据线与控制采集电控机上采集控制卡相连。完成试验加载前的所有准备工作。
进一步地，同时激活三轴加载控制程序和激光式位移控制动态跟踪轴向-径向变形测量装置控制采集程序，开始试验，记录激光位移传感器108A、激光位移传感器108B、激光位移传感器108C、激光位移传感器108D、激光位移传感器108E、激光位移传感器108F、激光-位移传感器108G、激光位移传感器108H、激光位移传感器108I、激光位移传感器108J、激光位移传感器108K、激光位移传感器108L数据。将可旋转式激光位移传感器测量装置108行走数据作为砂砾料三轴试样测点轴向位移；将可旋转式激光位移传感器测量装置108到试样距离数据作为砂砾料三轴试样测点径向位移；砂砾料三轴试样测点实际变形位移。将滑台111和光栅尺112数据作为该测量装置控制参数，实时调整设备，实现跟踪速度及测量区域；将激光位移传感器108A数据作为测量装置控制参数的参考数据，用于控制有效性地校核，激光位移传感器108A测得数据如附图6。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置，其特征在于，所述的装置能够通过控制电机对试样进行整体扫描，实现试验过程中对试样变形全方位采集，用于三轴试验中试样表面轴向-径向位移测量；所述的装置包括激光式动态跟踪装置、外置轮辐式力传感器(100)、外置局部位移传感器(101)、垫板(102)、外置力轴承(103)、下孔压力传感器(104A)、上孔压力传感器(104B)、三轴压力室腔体围压传感器(105)、三轴压力室上盘(106)、激光位移传感器组装圆环(109)、三轴压力室下盘(110)、台座(113)、L型钢片连接板(115)、三轴试验试样(118)、试样底座(119)；所述的激光式动态跟踪装置包括有机玻璃三轴压力室外壳(107)、滑台(111)、光栅尺(112)、电机(116)、可旋转式激光位移传感器测量装置(108)；压力室内置轮辐式力传感器(117)；
所述的外置轮辐式力传感器(100)上表面连接口与加载作动装置的油缸活塞轴下端相连，其下表面连接口与加载轴上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置轮辐式力传感器(100)与下部的外置力轴承(103)同心相连，并保持垂直；
所述的垫板(102)平面与三轴压力室上盘(106)平行，垫板(102)一端与轴承103连接，另一端上侧与外置局部位移传感器(101)端点相接；
所述的三轴压力室上盘(106)上侧位置处装配下孔压力传感器(104A)、上孔压力传感器(104B)、三轴压力室腔体围压传感器(105)，外置力作动装置及相应的连接构件；
所述的有机玻璃三轴压力室外壳(107)装配在三轴压力室上盘(106)和三轴压力室下盘(110)之间；
所述的激光式动态跟踪装置中的光栅尺(112)侧面紧贴L型钢片连接板(115)，其底部固定在台座(113)上；所述的滑台(111)与电机(116)相邻布置，使其底部嵌入台座(113)；所述的滑台(111)上滑块外侧与十字型钢片内侧相连，并位于钢片正中心；在十字型钢片外边缘设置锚固孔，用于锁紧光栅尺(112)上的滑块；所述的激光位移传感器组装圆环(109)包括外环(109A)、内环(109B)，在外环(109A)的外边缘设置通孔，与L型钢片连接板(115)相连；
所述的可旋转式激光位移传感器测量装置(108)包括12个结构、功能相同的激光位移传感器和1个色标传感器(108M)；12个激光位移传感器沿内环(109B)周向均匀设于圆环上，且设于有机玻璃三轴压力室外壳(107)外围一圈，并通过调平处理，使12个激光位移传感器的激光处于同一轴线处，并与三轴压力室上盘(106)和三轴压力室下盘(110)平行；所述的色标传感器(108M)位于任意两个激光位移传感器之间；
所述的激光位移传感器(108A)包括激光传感器(108A1)、螺栓(108A2)、矩形钢片(108A3)、槽型钢片(108A4)、螺母(108A5)；所述矩形钢片(108A3)上设有两个螺纹孔；所述激光传感器(108A1)侧面与槽型钢片(108A4)垂向设置的侧壁相连；在槽型钢片(108A4)下侧设置通孔，在槽型钢片(108A4)水平设置的侧壁上覆盖矩形钢片(108A3)，矩形钢片(108A3)与槽型钢片(108A4)之间并通过螺栓(108A2)进行锚固；在内环(109B)上设置螺纹孔，用于布置激光位移传感器(108A)，并进行对中和调平处理，通过螺栓(108A2)和螺母(108A5)进行锚固。
2.根据权利要求1所述的一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置，其特征在于，所述的滑台(111)俯视为凸字形结构，中间设置螺纹轴承(111B)，作为滑块(111D)的轨道；外壳(111A)上顶面和下底面设有与螺纹轴承(111B)上下端面相配合的凹槽；所述滑块(111D)外侧设置螺纹孔，用于固定十字型钢板(111C)；所述十字型钢板(111C)与L型钢片连接板(115)连接；所述外壳(111A)下底面与钢片(111E)相接，并嵌入到台座(113)中；所述钢片(111E)另一边设置通孔，用于固定电机(116)；所述的光栅尺(112B)一侧与L型支撑钢板(113C)相连，将光栅尺(112)的高度与滑台(111)调至齐平，并在光栅尺(112B)和L型支撑钢板(113C)外侧通过卡槽固定，并用螺栓进行锚固；所述滑块(112A)上设置螺纹孔，用来锁紧十字型钢板(111C)，在滑台(111)上下移动的同时，保证滑块(112A)同步前进。
3.根据权利要求1或2所述的一种均布激光位移传感器全方位测量试样全局变形的装置，其特征在于，所述的台座(113)包括一个矩形空心块(113A)，在其外侧设有薄板(113D)，二者下底面平齐；所述矩形空心块(113A)上端面设有角钢(113B)的水平台座，在角钢(113B)水平台座上设置螺纹孔，用于连接L型支撑钢板(113C)。
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