CN114965587A - 三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统 - Google Patents

三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统 Download PDF

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CN114965587A CN202210924241.XA CN202210924241A CN114965587A CN 114965587 A CN114965587 A CN 114965587A CN 202210924241 A CN202210924241 A CN 202210924241A CN 114965587 A CN114965587 A CN 114965587A
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马德良
常建梅
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张启亮
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张燕宁
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Abstract

本发明提供了一种三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统，属于测试技术领域，其中三轴压力室内土样电阻率分布测试装置包括依次连接的电阻率测试膜、电路转接板、传输电缆以及航空插头；电阻率测试膜为柔性PCB；电阻率测试膜包括顶端限位条带、底端限位条带、导线排线条带，以及若干个连接顶端限位条带和底端限位条带的电极条带，电极条带沿其高度方向具有若干个间隔设置的电极片；电极片上连接有导线。本发明提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，有效避免了电极脱落、电极片和导线排线断裂的问题，同时避免了手工裁切粘贴电极片；有效减少因电阻率测试膜自身强度与土样力学特性测试过程中的影响。

Description

三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统
技术领域
本发明属于测试技术领域，更具体地说，是涉及一种三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统。
背景技术
土体电阻率是土体的重要属性之一，其能够反映土体的含水率、压实度、含盐量等多种物理性质，因此电阻率测试成为土工测试技术中的重要一项。中国发明申请CN103743787A将电测领域较为先进的范德堡原理引用到三轴土样电阻率测量中，提出了“一种三轴土样含水率分布测试装置”，将四电极片等间距对称布置于三轴土样表面，进行两次输入电流和采集电压操作，将数据代入范德堡公式中，以反映土样含水率分布及电阻率的变化。测试系统将电极片等间距粘贴在乳胶三轴膜上，所述电极片作为测试传感器与三轴土样接触，实践中发现它存在着一些弊端：电极片人工裁切粘贴于乳胶三轴膜，电极片大小与相对位置不准确，使测试误差增大。电极片在使用期间容易从乳胶三轴膜上脱落，且在装样过程中，电线容易受到拉力，使电极片与电线在连接处撕裂断路。与电极片连接的电线需要在乳胶三轴膜上打孔穿过，但此举造成乳胶三轴膜防水功能丧失。若将电极片应用到三轴压力室内，需要再套一个完整的乳胶三轴膜用以防水，但套样过程困难，且压力室内水分极易沿着水中电线渗入到三轴膜内，影响试验的准确性。与电极连接的电线需要从三轴压力室内延伸到压力室外，延伸方法与压力室密封没有完善的解决方法。因此，业内需要开发一种与上述电阻率测试系统配套的、使用方便、防水密封效果好、测试稳定性高的新型测试装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统，旨在解决电极片在使用期间容易从乳胶三轴膜上脱落、电极片与电线在连接处撕裂断路的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，包括：依次连接的电阻率测试膜、电路转接板、传输电缆以及航空插头；所述航空插头用于连接测试仪器；
所述电阻率测试膜为柔性PCB，使用时夹在三轴土样与乳胶三轴膜之间；所述电阻率测试膜包括顶端限位条带、底端限位条带、设于所述顶端限位条带上的导线排线条带，以及若干个连接所述顶端限位条带和所述底端限位条带的电极条带，所述电极条带沿其高度方向具有若干个间隔设置的电极片；所述电极片上连接有导线，所述导线依次贯穿所述电极条带、所述顶端限位条带以及所述导线排线条带；若干个所述电极条带上位于同一高度所述电极片为一个电极层。
作为本申请另一实施例，所述电极条带为四个，四个所述电极条带等间距设置，且当所述电阻率测试膜围设在土样侧面时，相邻两个所述电极条带对应的圆心角为90度。
作为本申请另一实施例，所述导线贯穿所述导线排线条带并与所述导线排线条带端部的FPC插头连接。
作为本申请另一实施例，所述电路转接板包括依次连接的FPC插口、连接电线和过孔焊盘，所述FPC插口用于连接所述FPC插头；所述过孔焊盘与所述传输电缆连接；完成电路连接的所述电路转接板外侧设置环氧树脂密封壳。
作为本申请另一实施例，所述电阻率测试膜的边缘拐角处均设置有倒角部。
作为本申请另一实施例，所述电极片的宽度大于2mm小于5mm。
作为本申请另一实施例，所述航空插头位于三轴仪的外侧，安装完成后位于所述三轴仪内侧的传输电缆贯穿所述三轴仪侧壁上的防水卡套螺丝和变径螺栓后连接所述航空插头；所述航空插头的端部具有与所述电极层一一对应的连接头。
作为本申请另一实施例，所述导线排线条带与所述乳胶三轴膜之间涂抹防水材料。
作为本申请另一实施例，所述顶端限位条带和所述底端限位条带的端部均设有延长部，所述延长部用于卡接套有所述乳胶三轴膜外侧的承膜桶上，以便于所述电阻率测试膜的安装。
本发明提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，通过采用柔性电路板制成的电阻率测试膜，在电阻率测试膜上镀有惰性金属电极，形成间隔的多个电极片，有效避免了电极脱落、电极片和导线排线断裂的问题，同时避免了手工裁切粘贴电极片，保证了电极片形状相同，以及电机片在三轴土样表面等间距对称分布；此外，相邻两个电极条带间隔设置，有效减少电阻率测试膜与土样的接触面积，有效减少因电阻率测试膜自身强度与土样力学特性测试过程中的影响。
本发明还提供一种三轴压力室内土样电阻率分布测试系统，采用了上述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，还包括恒流交流电源、动态电压测试仪，所述恒流交流电源交替连接每个电极层的距离最远的第一电极片a与第四电极片d、位于中间的第二电极片b与第三电极片c，同时所述动态电压测试仪交替测量的每个电极层位于中间的第二电极片b与第三电极片c之间的电压和距离最远的第一电极片a与第四电极片d之间的电压。
本发明提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明三轴压力室内土样电阻率分布测试系统，采用了上述三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，除了具有上述三轴压力室内土样电阻率分布测试装置具有的所有的有益效果之外，还具有使用方便、防水密封效果好、测试稳定性高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电阻率测试膜的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电路转接板的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电阻率测试薄膜包裹土样后电极布置情况俯视图；
图5为本发明实施例提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试系统的连接示意图。
图中：1、电阻率测试膜；2、底端限位条带；3、顶端限位条带；4、电极条带；5、电极片；6、导线排线条带；7、FPC插头；8、延伸部；9、电路转接板；10、FPC插口；11、过孔焊盘；12、环氧树脂密封壳；13、传输电缆；14、防水卡套螺丝；15、变径螺栓；16、航空插头；17、土样；18、计算机；19、动态电压测试仪；20、控制仪；21、恒流交流电源。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至图5，现对本发明提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统进行说明。所述三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，包括依次连接的电阻率测试膜1、电路转接板9、传输电缆13以及航空插头16；航空插头16用于连接测试仪器；电阻率测试膜1为柔性PCB，使用时夹在三轴土样17与乳胶三轴膜之间；电阻率测试膜1包括顶端限位条带3、底端限位条带2、设于顶端限位条带3上的导线排线条带6，以及若干个连接顶端限位条带3和底端限位条带2的电极条带4，电极条带4沿其高度方向具有若干个间隔设置的电极片5；电极片5上连接有导线，导线依次贯穿电极条带4、顶端限位条带3以及导线排线条带6；若干个电极条带4上位于同一高度电极片5为一个电极层。
本发明提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，与现有技术相比，电阻率测试装置包括分别对应设于土样17的顶部和底部的顶端限位条带3和底端限位条带2，在顶端限位条带3和底端限位条带2之间设置若干条电极条带4，电极条带4上设置有若干个电极片5。自顶端限位条带3处数，各个电极条带4上第n个电极片5距离顶端限位条带3的距离一致，多个电极条带4上形成n层电极层。
采用柔性PCB制作电阻率测试膜1，柔性PCB为柔性电路板，在其表面镀有惰性金属电极，惰性金属电极与柔性PCB内部的导线连接，导线延伸至导线排线条带6，并与导线排线条带6尾部的FPC插头7相连接，提升了电阻率测试膜1的一体性，有效避免了在使用过程中电极脱落、电极片5和导线断裂的问题。
本发明提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，通过采用柔性电路板制成的电阻率测试膜1，在电阻率测试膜1上镀有惰性金属电极，形成间隔的多个电极片5，有效避免了电极脱落、电极片5和导线断裂的问题，同时避免了手工裁切粘贴电极片5，保证了电极片5形状相同，以及电机片在三轴土样17表面等间距对称分布；此外，相邻两个电极条带4间隔设置，有效减少电阻率测试膜1与土样17的接触面积，有效减少因电阻率测试膜1自身强度与土样力学特性测试过程中的影响。
在一些可能的实施例中，请参阅图1及图3，电极条带4为四个，四个电极条带4等间距设置，且当电阻率测试膜1围设在土样17侧面时，相邻两个电极条带4对应的圆心角为90度。
在顶端限位条带3和底端限位条带2之间设置有等间距的四个电极条带4，当电阻率测试膜1围设在土样17的外侧时，顶端限位条带3围设在土样17的顶端，底端限位条带2围设在土样17的底端，四个电极条带4贴合在土样17的侧面，且相邻两个电极条带4围设出的土样17部分所对应的圆心角为90度。
在顶端限位条带3和底端限位条带2的作用下，四个电极条带4被拉伸并完全贴合在土样17的外侧壁上。
电极条带4等间距设置，在相邻两个电极条带4之间为镂空状态，减少因电阻率测试膜自身强度与土样17力学特性测试过程中的影响。
可选的，在顶端限位条带3和底端限位条带2的两端均具有自最边缘的电极条带4的边缘向外侧延伸的延伸部8，延伸部8可卡在承膜桶的上下端，使电阻率测试膜和承膜桶的相对位置保持不变，以方便土样17装样。
可选的，顶端限位条带3和底端限位条带2的长度不超过土工试验规程中规定的三轴土样17周长。电极条带4的长度与土工试验规程中规定的三轴土样17高度一致。可选的，电极条带4的长度为80mm。
电极层的数量可自由设计，为减少电极片5尺寸对范德堡法电阻率测试结果的影响，电极片5宽度小于5mm，高度可随电极片5设计层数自由设计。当土样17发生轴向应变时，因电极条带4无法收缩，局部会脱离土样17鼓起，为保证电极片5与土样17接触良好，电极片5的宽度大于2mm。
为防止应力集中导致电阻率测试膜撕裂，在电阻率测试膜的边缘的直角处均设置有防撕裂倒角部。
在一些可能的实施例中，请参阅图1，导线贯穿导线排线条带6内并与导线排线条带6尾部的FPC插头7连接。
顶端限位条带3上设置有向外侧延伸的导线排线条带6，导线排线条带6用于容纳导线，多个导线并排设置且多个导线与多个电极片5一一对应连接，导线另一端借助导线排线条带6连接在FPC插头7上。FPC指的是柔性电路板。柔性电路板是以聚酰亚胺或聚脂薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性、绝佳的可挠性印刷电路板，简称软板或FPC，具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点。
电阻率测试膜1的导线均位于电阻率测试膜1的内部，与外界隔离。为保证导线与外界隔离绝缘，导线距离电极片5边缘不应小于1mm，距离电阻率测试膜1的边缘不应小于1mm，相邻两个导线之间的距离不小于0.5mm。
在一些可能的实施例中，请参阅图2及图3，电路转接板9包括依次连接的FPC插口10、连接电线和过孔焊盘11，FPC插口10用于连接FPC插头7；过孔焊盘11与传输电缆13连接；完成电路连接的电路转接板9外侧设置环氧树脂密封壳12。
电路转接板9为普通PCB电路板，PCB电路板为印制电路板，又称为印刷电路板。使用时，将导线条带端部的FPC插头7连接在电路转接板9上的FPC插口10上，再将传输电缆13内部电线与过孔焊盘11依次焊接。在电路转接板9内，FPC插口10与过孔焊盘11电连接。
在连接完成后，需要对电路转接板9进行密封处理。首先将电路转接板9放入硅胶模具中，倒入环氧树脂进行防水密封，待环氧树脂凝固硬化后，脱模取下；进而在电路转接板9的外侧形成环氧树脂密封壳12。为保证环氧树脂密封壳12的密封性，其长宽至少应大于电路转接板9的长宽2mm，厚度至少大于传输电缆13直径2mm，电路转接板9应位于环氧树脂密封壳12中心位置。
在一些可能的实施例中，请参阅图3及图5，航空插头16位于三轴仪的外侧，安装完成后位于三轴仪内侧的传输电缆13贯穿三轴仪侧壁上的防水卡套螺丝14和变径螺栓15后连接航空插头16；航空插头16的端部具有与电极层一一对应的连接头。
在三轴仪的侧壁上设置防水卡套螺丝14和变径螺栓15，传输电缆13依次贯穿所述防水卡套螺丝14和变径螺栓15后连接三轴仪外侧的航空插头16。变径螺栓15安装在三轴仪的外侧壁上，且与防水卡套螺丝14配合，在实现传输电缆13贯穿的基础上，保证了三轴仪内室的密封性。
在一些可能的实施例中，请参阅图3，导线排线条带6与乳胶三轴膜之间涂抹防水材料。
防水材料选用凡士林。在三轴土样17制备完成后，将电阻率测试膜1放入套有乳胶三轴膜的承膜桶内，将顶端限位条带3和底端限位条带2的延伸部8卡在承膜桶的上下端，将电阻率测试膜1与承膜桶相对位置固定。将电阻率测试膜1与乳胶三轴膜整体套到在土样17的侧面，在电阻率测试膜1的顶端限位条带3、底端限位条带2、导线排线条带6等部分涂抹凡士林密封防水，再将土样17安装到三轴仪上。三轴压力室内施加围压后，电极片5等间距紧贴于试样表面。
可选的，在电阻率测试膜1的导线排线条带6部分涂抹凡士林，可有效防止压力室内水分入渗到乳胶三轴膜的内部。
可选的，电阻率测试膜1选用厚度为0.1mm的柔性PCB，且表面光滑，易于乳胶三轴膜的安装。
请参阅图1至图5，所述三轴压力室内土样电阻率分布测试系统，采用了上述三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，还包括恒流交流电源21和动态电压测试仪19。恒流交流电源21交替连接每个电极层的距离最远的第一电极片a与第四电极片d、位于中间的第二电极片b与第三电极片c，同时动态电压测试仪19交替测量的每个电极层位于中间的第二电极片b与第三电极片c之间的电压和距离最远的第一电极片a与第四电极片d之间的电压。
具体地，在测试时，将计算机18、动态电压测试仪19、恒流交流电源21以及控制仪20进行组装，将航空插头16与控制仪20连接，对三轴压力室内土样的电阻率分布进行分布测量。
电阻率测试膜1上的每个电极层的四个电极片依次为第一电极片a、第二电极片b、第三电极片c、第四电极片d，位于电极层距离最远的两个电极片为第一电极片a和第四电极片d；中间的两个电极片为第二电极片b和第三电极片c。
在测量时，对于同一电极层上电极片，首先将距离最远的两个电极片（第一电极片a和第四电极片d）与恒流交流电源21连接，并提供外恒定交流电流Iad，计算机18通过动态电压测试仪19测试中间两个电极片（第二电极片b和第三电极片c）上的电压Ubc，然后改变连线方式，在中间两个电极片（第二电极片b和第三电极片c）上施加恒定交流电流Ibc，测试距离最远的两个电极片（第一电极片a和第四电极片d）上的电压Uad。
计算内测试电阻
Figure 62741DEST_PATH_IMAGE001
和外测试电阻
Figure 979881DEST_PATH_IMAGE002
，并利用公式：
Figure 494039DEST_PATH_IMAGE003
式中：h为土样的高度，根据上式可计算出对应土层的电阻率
Figure 685986DEST_PATH_IMAGE005
；
利用上述方法依次计算出每个电极层所对应的柱状三轴样中土样的电阻率；根据预先标定的电阻率与含水率的对应关系确定各层土样17的含水率，从而获得土样17含水量分布变化曲线。
本发明提供的三轴压力室内土样电阻率分布测试系统，与现有技术相比，采用了上述三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，除了具有上述三轴压力室内土样电阻率分布测试装置所具有的所有的有益效果，还具有使用方便、防水密封效果好、测试稳定性高的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，包括：依次连接的电阻率测试膜、电路转接板、传输电缆以及航空插头；所述航空插头用于连接测试仪器；
所述电阻率测试膜为柔性PCB，使用时夹在三轴土样与乳胶三轴膜之间；所述电阻率测试膜包括顶端限位条带、底端限位条带、设于所述顶端限位条带上的导线排线条带，以及若干个连接所述顶端限位条带和所述底端限位条带的电极条带，所述电极条带沿其高度方向具有若干个间隔设置的电极片；所述电极片上连接有导线，所述导线依次贯穿所述电极条带、所述顶端限位条带以及所述导线排线条带；若干个所述电极条带上位于同一高度所述电极片为一个电极层。
2.如权利要求1所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述电极条带为四个，四个所述电极条带等间距设置，且当所述电阻率测试膜围设在土样侧面时，相邻两个所述电极条带对应的圆心角为90度。
3.如权利要求1所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述导线贯穿所述导线排线条带并与所述导线排线条带端部的FPC插头连接。
4.如权利要求3所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述电路转接板包括依次连接的FPC插口、连接电线和过孔焊盘，所述FPC插口用于连接所述FPC插头；所述过孔焊盘与所述传输电缆连接；完成电路连接的所述电路转接板外侧设置环氧树脂密封壳。
5.如权利要求2所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述电阻率测试膜的边缘拐角处均设置有倒角部。
6.如权利要求5所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述电极片的宽度大于2mm小于5mm。
7.如权利要求5所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述航空插头位于三轴仪的外侧，安装完成后位于所述三轴仪内侧的传输电缆贯穿所述三轴仪侧壁上的防水卡套螺丝和变径螺栓后连接所述航空插头；所述航空插头的端部具有与所述电极层一一对应的连接头。
8.如权利要求1所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述导线排线条带与所述乳胶三轴膜之间涂抹防水材料。
9.如权利要求8所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，所述顶端限位条带和所述底端限位条带的端部均设有延长部，所述延长部用于卡接套有所述乳胶三轴膜外侧的承膜桶上，以便于所述电阻率测试膜的安装。
10.三轴压力室内土样电阻率分布测试系统，采用了权利要求1-9中任意一项所述的三轴压力室内土样电阻率分布测试装置，其特征在于，还包括恒流交流电源、动态电压测试仪，所述恒流交流电源交替连接每个电极层的距离最远的第一电极片a与第四电极片d、位于中间的第二电极片b与第三电极片c，同时所述动态电压测试仪交替测量的每个电极层位于中间的第二电极片b与第三电极片c之间的电压和距离最远的第一电极片a与第四电极片d之间的电压。
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