CN112985972B - 一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，属于土工试验技术领域。首先，由12个激光位移传感器、1个色标传感器和外接固定圆环等完成圆盘式激光位移测量装置的组装，再安装轴向位移控制装置，完成激光式位移控制装置的安装。其次，将组激光式位移控制装置与外罩进行组装。最后，利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程，获取三轴试样在各状态下各测段轴向变形和径向变形的实际值，测量结果经相关处理计算三轴试样膜嵌入量。本发明可以实现对于三轴试样全表面膜嵌入的精准测量，使用范围广泛。该测量方法是非接触式测量，试验过程中不会对三轴试样的变形不会产生干扰。且测量的精准度高，具有良好的推广价值。

Description

一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法。
技术背景
三轴剪切试验是测量土体抗剪强度的一种方法，在对砂砾料进行试验时，围压通过橡皮膜传递到土试样上。由于土颗粒的粒径、级配的影响，造成试样表面凹凸不平，施加围压时会使橡皮膜嵌入到试样表面颗粒的间隙中，并且膜嵌入随着围压的不同而改变。因此，在进行固结排水试验时，橡皮膜的嵌入会导致排水过多，是影响体变量测的重要原因；在进行固结不排水和不固结不排水试验时，膜嵌入是影响孔隙水压力量测的重要原因。
目前为了减少膜嵌入对试验的影响，主要有两种方法：一是测量膜嵌入量并量化其对实验结果影响；二是通过相关补偿手段减少膜嵌入的程度从而减少其对试验结果的影响。
第一种在试样中心埋置与试样等高但直径不同的铜棒来测定膜嵌入量。但容易存在试样总体变与铜棒直径之间并非呈线性关系，同样在使用铜管的时候，会引起周围土受到的垂直应力小于径向应力，导致此时试样并非是等向固结状态，与假设条件相悖。
第二种是用不同壁厚的空心柱试样对不同粒径的材料作等向加荷排水试验，然后通过测定体积应变之间的关系来确定膜嵌入量。但是由于试样的膜接触面积均不同，量测出的体积应变也会有所差异。
第三种是通过减少膜嵌入量的方法来减少对试验造成的误差。通过在膜上贴铜片或者涂抹液体橡胶的方法可以减少85％的膜嵌入量。但是涂抹液体容易与试样融为一体影响进一步的研究。
到目前为止，三轴试验中膜嵌入对体变的测量以及孔隙水压力的影响是不容忽略的，但是现有方法还存在诸多不足，必须给予矫正或者改进。由此可见，目前急需一种可以实时测量三轴试验中膜嵌入变化的装置，从而利用相对应的补偿措施减少其对试验结果的影响，提高试验结果的精确度和准确性。
发明内容
为了减少膜嵌入对试验结果的影响，本发明的目的是提供一种装置简单、操作方便、能够减小试验过程中对试样干扰的装置，用来实现准确测量三轴试样轴向-径向位移的装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，该方法能够通过控制步进电机驱动单轴直线滑台联动激光位移传感器对三轴试样进行整体扫描，实现试验加载过程中的实时监测三轴试样变形情况，测量三轴试样轴向变形及径向变形，包括以下步骤：
第一步，组装激光式位移控制装置，该装置包含单轴直线滑台16，光栅尺17，步进电机18，色标传感器11、激光位移传感器12A-12L、外接固定圆环13、L型钢片14及台座15。
1.1)组装圆盘式激光位移测量装置，包括色标传感器11、激光位移传感器12A-12L及外接固定圆环13，组装步骤如下：
组装并安装第一激光位移传感器12A：所述激光位移传感器12A包括激光传感器12A1、槽形钢12A2、底板12A3。将激光传感器12A1嵌入槽形钢12A2，并用螺栓进行固定，螺纹间灌入高强速干胶水进行密封，再将槽形钢12A2与底板12A3进行锚固连接形成一个整体。激光位移传感器12A组装后，将其安装在外接固定圆环13的内环上：将底板12A3的通孔与圆环13的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并处于半紧状态。
其他激光位移传感器12B-12L的组装、安装方式与激光位移传感器12A相同。当激光位移传感器12A-12L安装完成，同时激活激光位移传感器12A-12L，微调激光位移传感器的位置使激光束通过空间内同一点，且所有激光束位于同一水平面上，该水平面与外接固定圆环13所在的平面平行，最后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定。
安装色标传感器11，其安装位置位于激光位移传感器12A与激光位移传感器12B中间中心位置，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，待位置确定后，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定，完成安装。
1.2)安装轴向位移控制装置，包括单轴直线滑台16，光栅尺17，步进电机18，L型钢片14及台座15，组装过程如下：
台座15由长方形带孔薄板及长方形凹槽方盒组成，长方形凹槽方盒长边侧壁与长方形带孔薄板板面由螺栓连接，在长方形凹槽方盒内安装单轴直线滑台16及步进电机18，单轴直线滑台16底端齿轮与步进电机端部齿轮由橡胶齿轮带相连。步进电机18位于单轴直线滑台一侧，另一侧设置光栅尺17，光栅尺17与单轴直线滑台16平行设置，其端部设置在长方形凹槽内部，光栅尺17刷头与单轴直线滑台16台面通过螺栓相连，完成轴向位移控制装置安装。
1.3)将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置，组装过程如下：
外接固定圆环13分为内环和外环，内环与外环间由环形轴承相连，本发明中内环与外环的相对位置固定，由固定螺栓固定；内环上均布激光位移传感器12A-12L和色标传感器11，在激光位移传感器12E与激光位移传感器12F两者内部对应的外环区域由固定螺栓与L型钢片14一端面固接，L型钢片14另一端面与单轴直线滑台16台面用固定螺栓固接，完成上述步骤，将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置组装成激光式位移控制装置。
完成上述三个步骤即完成激光式位移控制装置的安装，如图1所示。
第二步，将组装完成的激光式位移控制装置与在三轴压力室有机玻璃外罩进行组装，将圆盘式激光位移测量装置嵌套在三轴有机玻璃外罩外围，两者中心同轴；而后，利用连接板将台座15与三轴压力室有机玻璃外罩下端法兰相连，并用螺栓进行固结；完成组装，如图2所示。
利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程及计算过程如下：
1)利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程：
激光式位移控制装置安装完成时，三轴试样07处于初始状态，未发生任何方向上的位移。激光位移传感器12A-12L与三轴试样07的轴线保持垂直状态，控制步进电机18驱动单轴直线滑台16，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台16台面上下移动，当激光位移传感器12A-12L光束与三轴试样07底端透水石下边缘相交时，调停步进电机18。此时，激光位移传感器12A-12L激光束对应的点位即为测点A-L；此时，测点A-L沿三轴试样07表面轴向方向线段为测段A-L。
首先，在三轴试样07固结完成时，对光栅尺17读数进行清零，同时开始记录激光位移传感器12A-12L数据、光栅尺17读数及色标传感器11读数；控制步进电机18驱动单轴直线滑台16，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台16台面自下而上移动，待激光位移传感器12A-12L光束与与三轴试样07顶端透水石上边缘相交时，调停步进电机18，并停止记录激光位移传感器12A-12L数据、光栅尺17读数及色标传感器11读数；完成上述步骤即完成三轴试样07初始状态体积测量。激光位移传感器12A-12L的数据分别对应测段A-L初始位移，进行换算得三轴试样07在测段A-L上沿轴向的径向长度值；色标传感器11的读数对应为三轴试样07外表面乳胶膜上喷镀颜色的灰度值，黑色部分为0，乳白色为1，该数据用于划定三轴试样07测量范围分段；光栅尺17的读数对应于三轴试样07的轴向长度值。当对三轴试样07初始状态测量完成后，控制步进电机18驱动单轴直线滑台16，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台16台面自上而下移动，当激光位移传感器12A-12L光束与三轴试样07底端透水石下边缘相交时，调停步进电机18，回到初始位置，等待下一测量过程。
激活三轴仪加载装置，开始对三轴试样07进行加载，随着加载过程的进行，三轴试样07产生轴向变形和径向变形，在加载过程中的某些关键节点，此处的关键节点即为下一步使用激光式位移控制装置测量三轴试样07轴向变形和径向变形的时刻，该节点由不同的试验方案等因素决定。当加载至某一关键节点，调停加载程序，继而开始使用激光式位移控制装置进行测量，测量方式与对三轴试样07初始状态测量过程一致，控制步进电机18驱动单轴直线滑台16，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台16台面自下而上移动，待激光位移传感器12A-12L光束与与三轴试样07顶端透水石上边缘相交时，调停步进电机18，并停止记录激光位移传感器12A-12L数据、光栅尺17读数及色标传感器11读数；完成测量过程后，控制步进电机18，驱动单轴直线滑台16，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台16台面自上而下移动，当激光位移传感器12A-12L光束与三轴试样07底端透水石下边缘相交时，调停步进电机18，回到初始位置，等待下一测量过程。后续各节点测量过程与上述过程完全一致，不再一一赘述。
2)利用测量结果计算三轴试样膜嵌入量：
上述测量过程，获取三轴试样07初始状态及加载过程中各关键节点变形状态，即获取三轴试样07在各状态下各测段轴向变形和径向变形的实际值，经相关处理过程得到三轴试样07膜嵌入量，具体计算过程如下：
首先，由三轴试样07初始状态测得量计算三轴试样07初始体积；由色标传感器11读数对三轴试样07进行分段初始，三轴试样07沿轴向自上而下分为N段，N由试样制备时乳胶膜喷涂分层决定，该分层由事先试验工况等决定，与研究的测量区域有关，与本发明方法无关，在此不再赘述；由光栅尺17读数，比对同一时刻色标传感器11读数，确定各分段轴向长度，色标传感器11的读数均为0或1，全部为0或者全部为1即为同一分段，间隔出现，由此确定N段各自的轴向长度；由激光位移传感器12A-12L的数据，比对同一时刻色标传感器11读数，确定各分段各方向上径向长度，以第1分段为例，计算三轴试样07该分段初始体积：
Figure GDA0003318939800000041
其中，
Figure GDA0003318939800000042
是初始状态三轴试样07第1分段体积；
Figure GDA0003318939800000043
是初始状态由色标传感器11读数所对应的激光位移传感器12i的读数，i值为A-L；
Figure GDA0003318939800000044
是初始状态由色标传感器11读数所对应的光栅尺读数。
计算三轴试样07初始状态体积：
Figure GDA0003318939800000045
其中，
Figure GDA0003318939800000046
是初始状态三轴试样07每个分段体积，j值为1-N，N为实际分段数，VS0是三轴试样07初始状态体积。
根据后续节点采集的三轴试样07变形后的数据，计算该节点时刻三轴试样07体积，共M个节点，每个节点时刻三轴试样07的计算方法完全一致，以节点I为例：
Figure GDA0003318939800000051
Figure GDA0003318939800000052
其中，
Figure GDA0003318939800000053
是节点I时刻三轴试样07第1分段体积；
Figure GDA0003318939800000054
是节点I时刻由色标传感器11读数所对应的激光位移传感器12i的读数，i值为A-L；
Figure GDA0003318939800000055
是节点I时刻由色标传感器11读数所对应的光栅尺读数，
Figure GDA0003318939800000056
是节点I时刻三轴试样07每个分段体积，j值为1-N，N为实际分段数，VSI是三轴试样07在节点I时刻的体积。
由上述测量及计算过程获得的三轴试样07的体积为骨架体积，实际的骨架体积变化为：
Figure GDA0003318939800000057
其中，VS0是三轴试样07初始状态体积，VSI是三轴试样07在节点I时刻体积，
Figure GDA0003318939800000058
是三轴试样07在节点I时刻骨架体积变化。
在节点I时刻，三轴试样07的膜嵌入量为：
Figure GDA0003318939800000059
其中，
Figure GDA00033189398000000510
是三轴试样07在节点I时刻骨架体积变化，
Figure GDA00033189398000000511
是三轴试样07在节点I时刻总排水体积，该值是三轴仪上排水管读数，
Figure GDA00033189398000000512
是三轴试样07在节点I时膜嵌入量。
本发明的有益效果是：
本发明可以实现对于三轴试样全表面膜嵌入的精准测量，不仅适用于常规静力三轴试样，同样适用于常规循环三轴试验及常规动力三轴试验，使用范围广泛。该装置的测量方法是非接触式测量，在试验过程中不会对三轴试样的变形不会产生干扰，且设置有机玻璃外罩，可以更好的观测试样变形的全过程。该装置体积较小，不需要对现有的三轴压力室进行额外的改造，成本较低，且可以循环使用。该装置的安装方法简便，操作难度低，且测量的精准度高，对于实验室环境要求低，为室内土工试样及相关土工材料的本构关系研究发展提供了便利且有效的测量手段，具有良好的推广价值。
附图说明
图1激光式位移控制装置示意图；
图2装配有激光式位移控制装置三轴仪压力室剖切示意图；
图3三轴试样在第I个节点时刻轴向变形示意图；
图4三轴试样在第I个节点时刻径向变形示意图；
图1中：11色标传感器、12A激光位移传感器、12B激光位移传感器、12C激光位移传感器、12D激光位移传感器、12E激光位移传感器、12F激光位移传感器、12G激光位移传感器、12H激光位移传感器、12I激光位移传感器、12J激光位移传感器、12K激光位移传感器、12L激光位移传感器、12A1激光传感器、12A2槽形钢、12A3底板、13外接固定圆环；14L型钢片；15台座；16单轴直线滑台；17光栅尺；18步进电机。
图2中：01外置轮辐式力传感器；02外置局部位移传感器；03A下孔压力传感器；03B上孔压力传感器；04三轴压力室腔体围压传感器；05三轴压力室上盘；06内置轮辐式力传感器及试样帽组合体；07试样；08试样底座；09A三轴压力室腔体支座；09B三轴压力室腔体支座；09C三轴压力室腔体支座；10三轴压力室下盘；11色标传感器；12A激光位移传感器；13外接固定圆环；14L型钢片；15台座；16单轴直线滑台；17光栅尺；18步进电机。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
在本发明的具体实施例中，应当注意的是，在下述附图中，部分构件功能相同，但使用了不同的编号，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”、“中心”、“侧面”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例，并不代表实际实施工程中不一定被严格限定，可以根据各构件尺寸等实际信息加以改动。
现以砂砾料固结排水剪切试验为例，具体阐述如何利用本发明装置对三轴试样07全局膜嵌入进行准确测量：
首先，按照《土工试验规程SL237-1999》制备砂砾料三轴试样07，根据试验测量需求喷制黑白色乳胶膜，将砂砾料三轴试样07安置在试样底座08上，将砂砾料三轴试样07上端与内置轮辐式力传感器及试样帽组合体06相连，并在砂砾料三轴试样07外套装预先喷制好的黑白色乳胶膜，并进行绑扎，防止漏气，完成砂砾料三轴试样07安装。
进一步，组装激光式位移控制装置，该装置包含单轴直线滑台16，光栅尺17，步进电机18，色标传感器11、激光位移传感器12A-12L、外接固定圆环13、L型钢片14及台座15。
1.1)组装圆盘式激光位移测量装置，包括色标传感器11、激光位移传感器12A-12L及外接固定圆环13，组装步骤如下：
组装并安装激光位移传感器12A：所述激光位移传感器12A包括激光传感器12A1、槽形钢12A2、底板12A3。将激光传感器12A1嵌入槽形钢12A2，并用螺栓进行固定，螺纹间灌入高强速干胶水进行密封，再将槽形钢12A2与底板12A3进行锚固连接形成一个整体。激光位移传感器12A组装后，将其安装在外接固定圆环13的内环上：将底板12A3的通孔与圆环13的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并处于半紧状态。
其他激光位移传感器12B-12L的组装、安装方式与激光位移传感器12A相同。当激光位移传感器12A-12L安装完成，同时激活激光位移传感器12A-12L，微调激光位移传感器的位置使激光束通过空间内同一点，且所有激光束位于同一水平面上，该水平面与外接固定圆环13所在的平面平行，最后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定。
安装色标传感器11，其安装位置位于激光位移传感器12A与激光位移传感器12B中间中心位置，其投射光束穿越与激光位移传感器激光束汇集点且与激光束位于同一水平面，待位置确定后，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定，完成安装。
1.2)安装轴向位移控制装置，包括单轴直线滑台16，光栅尺17，步进电机18，L型钢片14及台座15，组装过程如下：
台座15由长方形带孔薄板及长方形凹槽方盒组成，长方形凹槽方盒长边侧壁与长方形带孔薄板板面由螺栓连接，在长方形凹槽方盒内安装单轴直线滑台16及步进电机18，单轴直线滑台16底端齿轮与步进电机端部齿轮由橡胶齿轮带相连。步进电机18位于单轴直线滑台16一侧，另一侧设置光栅尺17，光栅尺17与单轴直线滑台16平行设置，其端部设置在长方形凹槽内部，光栅尺17刷头与单轴直线滑台16台面通过螺栓相连，完成轴向位移控制装置安装。
1.3)将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置，组装过程如下：
外接固定圆环13分为内环和外环，内环与外环间由环形轴承相连，本发明中内环与外环的相对位置固定，由固定螺栓固定；内环上均布激光位移传感器12A-12L和色标传感器11，在激光位移传感器12E与激光位移传感器12F两者内部对应的外环区域由固定螺栓与L型钢片14一端面固接，L型钢片14另一端面与单轴直线滑台16台面用固定螺栓固接，完成上述步骤，将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置组装成激光式位移控制装置。
完成上述三个步骤即完成激光式位移控制装置的安装，如图1所示。
第二步，将组装完成的激光式位移控制装置与在三轴压力室有机玻璃外罩进行组装，将圆盘式激光位移测量装置嵌套在三轴有机玻璃外罩外围，两者中心同轴；而后，利用连接板将台座15与三轴压力室有机玻璃外罩下端法兰相连，并用螺栓进行固结；完成组装，如图2所示。
进一步，将三轴压力室腔体支座09A、09B、09C下端与三轴压力室下盘10锚固，其上端与三轴压力室上盘05锚固；然后，将装配有激光式位移控制装置三轴仪压力罩安装到三轴仪压力室上，该压力罩上边缘法兰与三轴压力室上盘05紧密接触，防止漏气；该压力罩下边缘法兰与三轴压力室下盘10紧密接触，防止漏气；完成压力室的整体安装。然后检查三轴压力室气密性；并进行压力室加压，由三轴压力室腔体围压传感器04监测加压情况。由上孔压传感器03A输出端排水口及下孔压传感器04A输出端排水口外接排水管至三轴仪排水体变管，用于采集砂砾料三轴试样07试验过程的排水量。最后，将三轴压力室中心加载轴与外置轮辐式力传感器01相连，用于力控加载反馈，并实时采集加载过程中压力室外部加载轴端受力情况，并将外置局部位移传感器安装在三轴压力室上盘上表面，用于实时采集砂砾料三轴试样07在加载过程中的轴向变形。完成上述步骤，即完成三轴试验全部安装准备工作。
进一步，对砂砾料三轴试样07进行通CO2，通无气水，并进行固结，等待试验开始。
进一步，由砂砾料三轴试样07初始状态测得量计算砂砾料三轴试样07初始体积；由色标传感器11读数对砂砾料三轴试样07进行初始分段，砂砾料三轴试样07沿轴向自上而下分为N段，N由试样制备时乳胶膜喷涂分层决定，该分层由事先试验工况等决定，与研究的测量区域有关，与本发明方法无关，在此不再赘述；由光栅尺17读数，比对同一时刻色标传感器11读数，确定各分段轴向长度，色标传感器11的读数均为0或1，全部为0或者全部为1即为同一分段，间隔出现，由此确定N段各自的轴向长度；由激光位移传感器12A-12L的数据，比对同一时刻色标传感器11读数，确定各分段各方向上径向长度，以第1分段为例，计算三轴试样07该分段初始体积：
Figure GDA0003318939800000081
其中，
Figure GDA0003318939800000082
是初始状态砂砾料三轴试样07第1分段体积；
Figure GDA0003318939800000083
是初始状态由色标传感器11读数所对应的激光位移传感器12i的读数，i值为A-L；
Figure GDA0003318939800000084
是初始状态由色标传感器11读数所对应的光栅尺读数。
计算砂砾料三轴试样07初始状态体积：
Figure GDA0003318939800000085
其中，
Figure GDA0003318939800000086
是初始状态砂砾料三轴试样07每个分段体积，j值为1-N，N为实际分段数，VS0是砂砾料三轴试样07初始状态体积。
根据后续节点采集的砂砾料三轴试样07变形后的数据，计算该节点时刻砂砾料三轴试样07体积，共M个节点，每个节点时刻砂砾料三轴试样07的计算方法完全一致，以节点I为例：
Figure GDA0003318939800000087
Figure GDA0003318939800000091
其中，
Figure GDA0003318939800000092
是节点I时刻砂砾料三轴试样07第1分段体积；
Figure GDA0003318939800000093
是节点I时刻由色标传感器11读数所对应的激光位移传感器12i的读数，i值为A-L；
Figure GDA0003318939800000094
是节点I时刻由色标传感器11读数所对应的光栅尺读数，
Figure GDA0003318939800000095
是节点I时刻砂砾料三轴试样07每个分段体积，j值为1-N，N为实际分段数，VSI是砂砾料三轴试样07在节点I时刻的体积。该节点I时刻，砂砾料三轴试样07轴向变形如图3所示，砂砾料三轴试样07径向变形如图4所示。
由上述测量及计算过程获得的砂砾料三轴试样07的体积为骨架体积，实际的骨架体积变化为：
Figure GDA0003318939800000096
其中，VS0是砂砾料三轴试样07初始状态体积，VSI是砂砾料三轴试样07在节点I时刻体积，
Figure GDA0003318939800000097
是砂砾料三轴试样07在节点I时刻骨架体积变化。
在节点I时刻，砂砾料三轴试样07的膜嵌入量为：
Figure GDA0003318939800000098
其中，
Figure GDA0003318939800000099
是砂砾料三轴试样07在节点I时刻骨架体积变化，
Figure GDA00033189398000000910
是砂砾料三轴试样07在节点I时刻总排水体积，该值是三轴仪上排水管读数，
Figure GDA00033189398000000911
是砂砾料三轴试样07在节点I时膜嵌入量。
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 (2)

1.一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，其特征在于，该方法能够通过控制步进电机驱动单轴直线滑台联动激光位移传感器对三轴试样进行整体扫描，实现试验加载过程中的实时监测三轴试样变形情况，测量三轴试样轴向变形及径向变形，包括以下步骤：
第一步，组装激光式位移控制装置；
1.1)组装圆盘式激光位移测量装置，包括色标传感器(11)、激光位移传感器(12A-12L)及外接固定圆环(13)，组装步骤如下：
组装并安装第一激光位移传感器(12A)：所述第一 激光位移传感器(12A)包括激光传感器(12A1)、槽形钢(12A2)、底板(12A3)；将激光传感器(12A1)嵌入槽形钢(12A2)固定后，将槽形钢(12A2)与底板(12A3)进行锚固连接形成一个整体；第一 激光位移传感器(12A)组装后，将其安装在外接固定圆环(13)的内环上：将底板(12A3)的通孔与圆环(13)的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并使其处于半紧状态；
其他激光位移传感器(12B-12L)的组装、安装方式与第一 激光位移传感器(12A)相同，十二个激光位移传感器沿周向均匀设于圆环(13)上，且设于三轴压力室外壳外围一圈；当十二个激光位移传感器安装完成后，同时激活十二个激光位移传感器，微调激光位移传感器的位置使激光束通过空间内同一点，且所有激光束位于同一水平面上，该水平面与外接固定圆环(13)所在的平面平行，最后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定；
安装色标传感器(11)，其安装位置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，待位置确定后，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定，完成安装；
1.2)安装轴向位移控制装置，包括单轴直线滑台(16)、光栅尺(17)、步进电机(18)、L型钢片(14)及台座(15)，组装过程如下：
所述台座(15)由长方形带孔薄板及长方形凹槽方盒组成，凹槽方盒长边侧壁与带孔薄板板面通过螺栓连接，在凹槽方盒内安装单轴直线滑台(16)及步进电机(18)，单轴直线滑台(16)底端齿轮与步进电机端部齿轮由橡胶齿轮带相连；步进电机(18)位于单轴直线滑台(16)一侧，另一侧设置光栅尺(17)，光栅尺(17)与单轴直线滑台(16)平行设置，其端部设置在长方形凹槽内部，光栅尺(17)刷头与单轴直线滑台(16)台面通过螺栓相连，完成轴向位移控制装置安装；
1.3)将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置，组装过程如下：
外接固定圆环(13)分为内环和外环，内环与外环间由环形轴承相连；内环上均布激光位移传感器(12A-12L)和色标传感器(11)，在其中两个激光位移传感器对应的外环区域与L型钢片(14)一端面固接，L型钢片(14)另一端面与单轴直线滑台(16)台面固接，完成上述步骤，将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置组装成激光式位移控制装置；
第二步，将组装完成的激光式位移控制装置与在三轴压力室有机玻璃外罩进行组装，将圆盘式激光位移测量装置嵌套在三轴有机玻璃外罩外围，两者中心同轴；再利用连接板将台座(15)与三轴压力室有机玻璃外罩下端法兰相连，完成组装；
利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程及计算过程如下：
1)利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程：
激光式位移控制装置安装完成时，三轴试样(07)处于初始状态，未发生任何方向上的位移；激光位移传感器(12A-12L)与三轴试样(07)的轴线保持垂直状态，控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面上下移动，当激光位移传感器(12A-12L)光束与三轴试样(07)底端透水石下边缘相交时，调停步进电机(18)；此时，激光位移传感器(12A-12L)激光束对应的点位即为测点A-L；测点A-L沿三轴试样(07)表面轴向方向线段为测段A-L；
在三轴试样(07)固结完成时，对光栅尺(17)读数进行清零，同时开始记录激光位移传感器(12A-12L)数据、光栅尺(17)读数及色标传感器(11)读数；控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面自下而上移动，待激光位移传感器(12A-12L)光束与三轴试样(07)顶端透水石上边缘相交时，调停步进电机(18)，并停止记录激光位移传感器(12A-12L)数据、光栅尺(17)读数及色标传感器(11)读数；完成上述步骤即完成三轴试样(07)初始状态体积测量；所述激光位移传感器(12A-12L)的数据分别对应测段A-L初始位移，进行换算得三轴试样(07)在测段A-L上沿轴向的径向长度值；所述色标传感器(11)的读数对应为三轴试样(07)外表面乳胶膜上喷镀颜色的灰度值，黑色部分为0，乳白色为1，该数据用于划定三轴试样(07)测量范围分段；所述光栅尺(17)的读数对应于三轴试样(07)的轴向长度值；当对三轴试样(07)初始状态测量完成后，控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面自上而下移动，当激光位移传感器(12A-12L)光束与三轴试样(07)底端透水石下边缘相交时，调停步进电机(18)，回到初始位置，等待下一测量过程；
激活三轴仪加载装置对三轴试样(07)进行加载，随着加载过程的进行，三轴试样(07)产生轴向变形和径向变形；当加载至某一关键节点，关键节点即为下一步使用激光式位移控制装置测量三轴试样(07)轴向变形和径向变形的时刻，该节点由不同的试验方案决定：首先，调停加载程序，继而开始使用激光式位移控制装置进行测量，测量方式与对三轴试样(07)初始状态测量过程一致，控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面自下而上移动，待激光位移传感器(12A-12L)光束与三轴试样(07)顶端透水石上边缘相交时，调停步进电机(18)，并停止记录激光位移传感器(12A-12L)数据、光栅尺(17)读数及色标传感器(11)读数；完成测量过程后，控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面自上而下移动，当激光位移传感器(12A-12L)光束与三轴试样(07)底端透水石下边缘相交时，调停步进电机(18)，回到初始位置，等待下一测量过程；后续各节点测量过程与上述过程完全一致；
2)利用测量结果计算三轴试样膜嵌入量：
上述测量过程，获取三轴试样(07)初始状态及加载过程中各关键节点变形状态，即获取三轴试样(07)在各状态下各测段轴向变形和径向变形的实际值，经相关处理过程得到三轴试样(07)膜嵌入量。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，其特征在于，第二步所述步骤2)得到三轴试样(07)膜嵌入量的具体计算过程如下：
首先，由三轴试样(07)初始状态测得量计算三轴试样(07)初始体积；由色标传感器(11)读数对三轴试样(07)进行分段初始，三轴试样(07)沿轴向自上而下分为N段，N由试样制备时乳胶膜喷涂分层决定；由光栅尺(17)读数，比对同一时刻色标传感器(11)读数，确定各分段轴向长度，色标传感器(11)的读数均为0或1，全部为0或者全部为1即为同一分段，间隔出现，由此确定N段各自的轴向长度；由激光位移传感器(12A-12L)的数据，比对同一时刻色标传感器(11)读数，确定各分段各方向上径向长度；以第1分段进行说明，计算三轴试样(07)该分段初始体积：
Figure FDA0003318939790000031
其中，
Figure FDA0003318939790000032
是初始状态三轴试样(07)第1分段体积；
Figure FDA0003318939790000033
是初始状态由色标传感器(11)读数所对应的第12i个激光位移传感器的读数，i值为A-L；
Figure FDA0003318939790000034
是初始状态由色标传感器(11)读数所对应的光栅尺读数；
计算三轴试样(07)初始状态体积：
Figure FDA0003318939790000035
其中，
Figure FDA0003318939790000036
是初始状态三轴试样(07)每个分段体积，j值为1-N，N为实际分段数，VS0是三轴试样(07)初始状态体积；
根据后续节点采集的三轴试样(07)变形后的数据，计算该节点时刻三轴试样(07)体积，共M个节点，每个节点时刻三轴试样(07)的计算方法完全一致，以节点I进行说明：
Figure FDA0003318939790000037
Figure FDA0003318939790000041
其中，
Figure FDA0003318939790000042
是节点I时刻三轴试样(07)第1分段体积；
Figure FDA0003318939790000043
是节点I时刻由色标传感器(11)读数所对应的激光位移传感器12i的读数，i值为A-L；
Figure FDA0003318939790000044
是节点I时刻由色标传感器(11)读数所对应的光栅尺读数，
Figure FDA0003318939790000045
是节点I时刻三轴试样(07)每个分段体积，j值为1-N，N为实际分段数，VSI是三轴试样(07)在节点I时刻的体积；
由上述测量及计算过程获得的三轴试样(07)的体积为骨架体积，实际的骨架体积变化为：
Figure FDA0003318939790000046
其中，VS0是三轴试样(07)初始状态体积，VSI是三轴试样(07)在节点I时刻体积，
Figure FDA0003318939790000047
是三轴试样(07)在节点I时刻骨架体积变化；
在节点I时刻，三轴试样(07)的膜嵌入量为：
Figure FDA0003318939790000048
其中，
Figure FDA0003318939790000049
是三轴试样(07)在节点I时刻骨架体积变化，
Figure FDA00033189397900000410
是三轴试样(07)在节点I时刻总排水体积，该值是三轴仪上排水管读数，
Figure FDA00033189397900000411
是三轴试样(07)在节点I时膜嵌入量。
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