CN116499638A - 土压力传感器颗粒敏感性测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器测试技术领域，特别是一种土压力传感器颗粒敏感性测试系统及测试方法。包括土压力传感器颗粒敏感性测试模块，该模块包括冲击承载组件，位于冲击测量组件的上方，对土样施加荷载；冲击测量组件，包括压力传感器；法兰环形围压桶，桶内盛装有土样和土压力传感器，内壁固定有柔性吸波挡板和信号滑轨，底部连接有多向激振器通过该系统及方法可以明确的测得土压力传感器适用的土颗粒粒径范围以及在不同粒径范围下土压力传感器的最优布置问题。

Description

土压力传感器颗粒敏感性测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及传感器测试技术领域，特别是一种土压力传感器颗粒敏感性测试系统及测试方法。

背景技术

现有土压力传感器测试技术仅有对土压力传感器的压力数值大小进行标定的装置，没有针对土压力传感器在不同粒径土颗粒环境下的敏感程度的测试装置与完善的测试体系。对多个土压力传感器在使用过程中彼此之间的最佳间距问题尚不明确。

目前国内外大量的机构已经研制了土压力传感器在不同环境下的标定装置与方法，但是目前尚未出现土压力传感器土颗粒敏感性的测试装置，其中土颗粒敏感性是指：土压力传感器对于不同粒径土颗粒产生的土压力的测量准确性；不同埋深下不同上覆荷载类型下(动荷载、静荷载)的土拱效应问题；同一水平面下的相邻土压力传感器相互影响问题；同一纵断面下不同高度相邻的传感器的互相影响问题。综上所述，土颗粒敏感性问题通常可以归结于土颗粒粒径大小对土压力传感器的影响问题。

现有的商用土压力传感器出厂的性能参数仅给出测量压力范围、分辨率、阻抗、适用温度、等基本信息，但土颗粒粒径大小对土压力传感器的影响问题尚不明确。另外，众所周知的，在土压力传感器的周围通常不会布置其他传感器，因为其他传感器会影响该土压力传感器的测量准确程度，但是在超重力缩尺模型上，会出现由于传感器布置过于密集而导致超重力试验传感器测量失败的问题。现有的土压力传感器的出厂参数中无法给出土压力传感器测量区域的保护范围，例如是否可以在土压力传感器周围布置其他传感器，或者在该土压力传感器的具体安全距离外设置其他传感器才不会影响该土压力传感器的检测精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种土压力传感器颗粒敏感性测试系统及测试方法，通过该系统及方法可以明确的测得土压力传感器适用的土颗粒粒径范围以及在不同粒径范围下土压力传感器的最优布置问题。

本发明的技术方案是：一种土压力传感器颗粒敏感性测试系统，其特征在于，包括土压力传感器颗粒敏感性测试模块，该模块包括

冲击承载组件，位于冲击测量组件的上方，对土样施加荷载；

冲击测量组件，包括压力传感器；

法兰环形围压桶，桶内盛装有土样和土压力传感器，内壁固定有柔性吸波挡板和信号滑轨，底部连接有多向激振器。

本发明中，还包括电磁控制模块、数据采集模块、激振频率控制器和低压直流电力模块；

法兰环形围压桶内壁的信号滑轨与数据采集模块连接，多向激振器与激振频率控制器连接。

信号滑块滑动设置在信号滑轨的凹槽内，信号滑块正面上设有与土压力传感器上的信号端子连接的信号插头，背面上设置有和信号导轨相连接的信号弹片，信号导轨通过线缆与数据采集模块连接。

所述土压力传感器颗粒敏感性测试模块还包括支架，支架包括水平支架和竖向支架，竖向支架固定在水平支架上；

所述水平支架上设有第三导轨，第三导轨上滑动设有第三直线滑块，法兰底座托盘的底部与第三直线滑块固定连接，法兰底座托盘的顶部表面与法兰环形围压桶的底部固定连接；

所述法兰底座托盘的底部固定有多向激振器。

所述法兰底座托盘的中心设有出水口，法兰底座托盘的侧面设有与法兰环形围压桶连通的进水口。

所述冲击承载组件包括

底托钢板；

第一压板，与底托钢板的中部的上表面固定连接；

第一滑块，与底托钢板的侧面固定连接，第一滑块滑动设置在第一直线导轨内，第一直线导轨的下部与法兰环形围压桶的内表面固定连接。

所述冲击测量组件包括

第二压板；

第三压板；

压力传感器，位于第二压板和第三压板之间，压力传感器的顶端与第二压板固定连接，压力传感器的底端与第三压板固定连接；

第二滑块，固定在第三压板上，第二滑块滑动设置在第二直线导轨内，第二直线导轨的下部与法兰环形围压桶的内表面固定连接。

所述柔性吸波挡板的底部表面设有数个沿法兰环形围压桶的轴向延伸的凸起，凸起沿法兰环形围压桶的内壁设置，凸起的截面形状为半圆形、等边三角形或者直角三角形。

本申请还包括一种利用上述测试系统进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将土压力传感器放置于待测土样中；

S2、对待测土样施加荷载；

S3、施加荷载的同时，对土压力传感器进行实时检测，改变待测土样的颗粒粒径、或者相邻土压力传感器之间的距离，获得同一土样深度处土压力传感器的力电响应曲线，得到土压力传感器的对不同土颗粒粒径大小的敏感程度、或者土压力传感器在竖直方向和水平方向的保护范围。

上述步骤S1中，将一个土压力传感器放置于土样中；

上述步骤S3中，通过改变单一土颗粒粒径、土压力传感器的埋藏深度、土样的饱和程度、以及荷载的状态，得到不同变量环境下土压力传感器真实的力电响应信号，判断土压力传感器在不同环境下对不同土颗粒粒径大小的敏感程度，明确土压力传感器对不同土颗粒粒径大小的敏感程度。此时实现了单一测试方法。

上述步骤S1中，将数个土压力传感器间隔放置在同一水平面内或同一竖直剖面内；

上述步骤S3中，改变土压力传感器周围放置传感器的个数和距离，对各个土压力传感器进行实时检测，获得同一土样深度处土压力传感器的力电响应曲线，通过与单一土压力传感器测试获得的土压力传感器的力电响应曲线进行比对，进而判断不同工况下土压力传感器在水平方向与垂直方向范围内的保护范围，获得土压力传感器的使用间隔，此时实现了平行测试方法；

通过步骤S3获得土压力传感器在水平方向的保护范围和竖直方向的保护范围后，在不小于保护范围的水平距离和竖直距离上分别布置土压力传感器，通过改变相邻两土压力传感器之间的距离，进一步缩小和精确压力传感器的保护范围，此时实现了混合测试方法。

针对单一土颗粒粒径的条件下，设其最小粒径为A_min，最大粒径为A_max，平均粒径为A_average，单一土颗粒粒径计算的经验调节系数为k₁₁；

针对混合土颗粒粒径的条件下，使用土的不均匀系数d₁₀，d₆₀进行求解，混合土颗粒粒径计算的经验调节系数为k₁₂，k₁₅为吸波的经验调节性系数，

无孔隙水压力条件下波速v_em的计算公式为

其中k₁₃为无孔隙水压力条件下的实际经验调节系数，E为测试土样的弹性模量，ρ为测试土样的密度，σ为测试土样的应力；

含有液体饱和土样条件下波速v_cl的计算公式为

其中k₁₄为孔隙水压力条件下波速计算的实际经验调节系数，K_e为测试土样的等效体积模量，G_e为测试土样的等效剪切模量，ρ₁为饱和测试土样的密度；

设冲击波作用在吸波材料上的原始压力为Φ_be，原始波速v_be的取值范围为v_be＝(v_em，v_cl)，吸波材料的密度为ρ₂；

冲击波在已经穿过吸波材料之后的压力为Φ_af，穿越之后的波速为v_af，k₁₅为吸波的经验调节性系数，与土颗粒粒径大小及范围有关；γ为冲击波的压缩系数，k₁₆为波在吸波材料内部的衰减系数，与材料性质有关；v_bl为不同几何结构的波阵面运移速度，为不同结构形状的材料特有属性；P_so为有效土压力平均值，与土样的性质和粒径有关；k₁₇为波速衰减调节系数，与法兰环形围压桶的材料性质有关，则

三种结构形状的吸波材料的衰减数值区间ΔΦ的计算公式为，

其中k₁₈、k₁₉、k₂₀分别为半圆形凸起结构、三棱柱形凸起结构、直角三棱柱形凸起结构的调整系数；

冲击波在穿越吸波材料后的衰减量ΔΦ′的计算公式为：

将计算得到的冲击波穿越吸波材料之后的ΔΦ，的数值，与三种不同结构形状的吸波材料的衰减数值ΔΦ进行比较，判断与ΔΦ′最接近的衰减数值区间ΔΦ，选择与该衰减数值区间ΔΦ对应的结构形式的吸波材料。本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的测试系统既可以模拟动态冲击荷载，也可以模拟静态荷载，实现了对待测土压力传感器的真实静荷载和动荷载；

(2)通过该测试系统进行单一测试的过程中，可以明确土压力传感器对不同土颗粒粒径大小的敏感程度，也就是具体的土压力传感器对土颗粒粒径的适用范围；

(3)通过该测试系统进行平行测试的过程中，可以明确试验过程中，尤其是超重力缩尺模型试验过程中，土压力传感器的使用间隔，也就是土压力传感器与其相邻传感器之间的最佳工作范围。

附图说明

图1是土压力传感器颗粒敏感性测试模块的立体结构示意图；

图2是土压力传感器颗粒敏感性测试模块的剖视立体结构示意图；

图3是第三直线导轨和第三直线滑块的结构示意图；

图4(a)是冲击承载组件的分解示意图；

图4(b)是冲击承载组件的结构示意图；

图5(a)是冲击测量组件的分解示意图；

图5(b)是冲击测量组件的结构示意图；

图6(a)是法兰底座托盘的剖视立体结构示意图；

图6(b)是法兰底座托盘的结构示意图；

图7是法兰环形围压桶的内部结构示意图；

图8是信号滑轨的结构示意图；

图9(a)是信号滑块的正面结构示意图；

图9(b)是信号滑块的反面结构示意图；

图10是该测试系统的连接机构示意图；

图11是实施例6中柔性吸波挡板的剖面图；

图12是实施例7中柔性吸波挡板的剖面图；

图13是实施例8中柔性吸波挡板的剖面图；

图14是测试方法的流程图；

图15(a)是利用该测试系统进行水平测试时土压力传感器的初始状态；

图15(b)是利用该测试系统进行水平测试的过程中土压力传感器的分布状态；

图16(a)是利用该测试系统进行垂直测试时土压力传感器的初始状态；

图16(b)是利用该测试系统进行垂直测试的过程中土压力传感器的分布状态。

图中：1第一直线导轨；101冲击承载组件；102冲击测量组件；2第一滑块；3第二直线导轨；4第二滑块；5第一压板；6第二压板；7第三压板；8 X型底托钢板；9 L型钢制连接块；10压力传感器；11法兰环形围压桶；12信号滑轨；1201信号滑块；1202滑块凹槽；1203信号导轨；1204信号弹片；1205信号插头；13法兰底座托盘；14支架；15重型静音橡胶滚轮；16单向回流球阀；18多向激振器；19激振频率调制器；20马氏瓶；21数据采集模块；22低压直流电力模块；23强磁电磁铁；24电磁铁控制模块；25柔性吸波挡板；26第三直线导轨；27第三直线滑块；28土样；29土压力传感器。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

实施例1

如图10所示，本发明所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统包括土压力传感器颗粒敏感性测试模块、电磁铁控制模块24、数据采集模块21、激振频率调制器19和低压直流电力模块22，电磁铁控制模块24、激振频率调制器19和低压直流电力模块22分别与土压力传感器颗粒敏感性测试模块连接，同时，土压力传感器颗粒敏感性测试模块、电磁铁控制模块24、激振频率调制器19、低压直流电力模块22分别与数据采集模块21连接。低压直流电力模块22为整个测试系统提供稳定的电力。数据采集模块21与激振频率调制器19可以通过电脑进行控制。

如图1至图3所示，土压力传感器颗粒敏感性测试模块包括支架14、冲击承载组件101、冲击测量组件102和法兰环形围压桶11，法兰环形围压桶11内设有土压力传感器和土样。如图3所示，支架14包括竖向支架和水平支架，其中竖直支架固定设置在水平支架上。法兰环形围压桶11设置在水平支架上，竖向支架对冲击承载组件101和冲击测量组件102起到了支撑和导向的作用。

水平支架的底部设有数个重型静音橡胶滚轮15，日常使用过程中，通过重型静音橡胶滚轮15可以带动并实现整个土压力传感器颗粒敏感性测试模块的移动和搬运；同时重型静音橡胶滚轮15上设有紧固夹板，当土压力传感器颗粒敏感性测试模块移动至指定位置后，通过紧固夹板可以将重型静音橡胶滚轮15夹紧固定，防止滚轮的随意窜动，从而使土压力传感器颗粒敏感性测试模块的位置固定。

水平支架的顶部表面设有数根平行设置的第三直线导轨26，每个第三直线导轨26上分别滑动设置有数个第三直线滑块27。本申请中，法兰环形围压桶11与第三直线滑块27固定连接。当第三直线滑块27沿第三直线导轨26往复移动过程中，可以带动法兰环形围压桶11做直线往复移动，方便更换法兰环形围压桶11内的土压力传感器和铺设土样。

本申请中，法兰环形围压桶11通过其底部的法兰底座托盘13与第三直线滑块27固定连接，本实施例中，法兰环形围压桶11通过粘合剂与第三直线滑块27粘合固定。如图6(a)和图6(b)所示，法兰底座托盘13呈方形，其中心设有圆形的凹槽，法兰环形围压桶11的底部设置在该圆形凹槽内，法兰环形围压桶11的底部通过螺栓与法兰底座托盘13固定连接。法兰底座托盘13的中心设有出水口，法兰底座托盘13的侧面设有进水口，该进水口与法兰环形围压桶11的内部连通。

法兰底座托盘13的底部表面设有多向激振器18，本实施例中，多向激振器18通过粘合剂粘合固定在法兰底座托盘13的底部表面。多向激振器18与激振频率调制器19连接，通过多向激振器18，使法兰环形围压桶11产生振动，此时法兰环形围压桶11内部填充的土样被振捣并紧实。通过激振频率调制器19对多向激振器18的控制信号和振动频率进行控制和调节。

本实施例中，法兰环形围压桶11呈筒状，该法兰环形围压桶11的内壁上固定设有第一直线导轨1和第二直线导轨3，本实施例中包括两根对称设置的第一直线导轨1和两根对称设置的第二直线导轨3。冲击承载组件101沿第一直线导轨1做竖直方向的往复移动，冲击测量组件102沿第二直线导轨3做竖直方向的往复移动。第一直线导轨1和第二直线导轨3的上端分别通过螺栓与竖向支架固定连接，其下端分别通过螺栓与法兰环形围压桶11的内壁固定连接。

如图7所示，法兰环形围压桶11的内壁设有柔性吸波挡板25和信号滑轨12，信号滑轨12内滑动设有信号滑块。柔性吸波挡板25沿法兰环形围压桶11的环形内壁设置。通过柔性吸波挡板25，将传递至围压桶边缘的冲击波进行吸附，防止围压桶的侧壁对冲击波产生反射，从而有效的减少了反射波对土压力传感器的二次影响，尽可能的还原土压力传感器真实的使用场景。

如图7和图8所示，信号滑轨12固定在法兰环形围压桶11的内壁，且沿法兰环形围压桶11的轴向设置。信号滑轨12的底部设有信号导轨1203，信号导轨由数根金属片平行铺设组成。信号滑块1201滑动设置在信号滑轨12内，如图9(a)和图9(b)所示，信号滑块1201朝向信号滑轨的一侧即信号滑轨1202的内侧面固定有数个信号弹片1204，信号弹片1204采用刚度较大、导电性较好的金属材料制成，信号弹片1204与信号导轨1203的金属片贴合并传输信号。信号滑块1201朝向土样的一侧即信号滑轨1201的外侧面设有数个信号插头1205，信号插头1205与土压力传感器上的信号端子连接。信号滑轨12的两侧侧壁上分别设有滑块凹槽1202，对应的信号滑轨1201的两侧端面设有凸起，凸起滑动设置在滑块凹槽1202内，实现了信号滑轨12和信号滑块1201之间的滑动连接。

信号滑轨12与信号滑块1201的作用是将土压力传感器的信号向外传输，信号滑轨12内可以设置多个信号滑轨滑块1201，目的是有效地将信号向外传输，避免大量的线缆对测试结果的影响。信号滑块12产生的信号通过线缆，从法兰环形围压桶11侧壁设置的孔洞向外传输到数据采集模块21。

冲击承载组件101位于冲击测量组件102的上方。如图4(a)和图4(b)所示，冲击承载组件101包括第一压板5、X形底托钢板8和第一滑块2，X形底托钢板8的中部上方固定连接有第一压板5，X形底托钢板8的两外侧分别固定有第一滑块2。本实施例中，X形底托钢板8的两侧对称设有竖向折板，第一滑块2分别固定设置在竖向折板的外侧面。两个第一滑块2分别滑动设置在第一直线导轨1内，第一直线导轨1对第一滑块2起到了导向作用，保证第一滑块2沿第一直线导轨1做上下运动。第一压板5上承载有质量块，通过强磁电磁铁释放或者手动释放，使第一滑块沿第一直线导轨直线运动，第一滑块向下运动的过程中，带动冲击承载组件向下运动，并对冲击测量组件102进行冲击。通过冲击承载组件，可以人为产生动荷载或静荷载。

本实施例中，支架14的顶部设置有强磁电磁铁23，用于释放冲击承载组件101，其原理是利用强磁电磁铁23通电后产生的强磁吸附第一滑块2，断电后强磁消失，释放冲击承载组件101。支架14的顶部设置有电磁铁控制模块24，电磁铁控制模块24通过无线信号控制强磁电磁铁23的开启与闭合，用于遥控操作，避免了大量线缆布置的难题。

如图5(a)和图5(b)所示，冲击测量组件102包括第二压板6、第三压板7和压力传感器10，压力传感器10位于第二压板6和第三压板7之间，压力传感器10的底部与第三压板7固定连接，压力传感器10的顶部通过螺栓与第二压板6固定连接。本实施例中，第二压板6和第三压板7之间设有四个压力传感器10。第三压板7的上表面固定设有两个对称设置的L型钢制连接块9，L型钢制连接块9的底部与第三压板7固定连接，L型钢制连接块9的外侧面与第二滑块4固定连接。两侧的第二滑块4分别滑动设置在第二直线导轨3内，第二直线导轨3对第二滑块4起到了导向作用，使第二滑块4只能沿第二直线导轨2上下滑动，不发生扭转偏心问题，避免在冲击荷载作用下产生偏心荷载，造成向土体内部传播的冲击波在不同截面上相差较大的问题。

冲击测量组件102位于土体的上方，用于承接冲击承载组件传递过来的压力。冲击承载组件101向下运动至与冲击测量组件102接触时，对冲击测量组件102产生向下的压力，第二滑块4沿第二直线导轨3向下滑动，第二压板6将荷载均匀的分担给四个压力传感器10，四个压力传感器在监测测量的数值的同时将力传递给第三压板7，第三压板7将压力均匀的分给所压土体的上表面。

支架14的中部设有马氏瓶20，马氏瓶20的底部安装有单向回流球阀，单向回流球阀与与法兰底座托盘的入水口之间通过软管连接，实现了向土样内注水。通过马氏瓶20控制法兰环形围压桶内部的水头高度。

实施例2

通过实施例1中所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统可以实现常规土压力测试。该测试方法包括以下步骤。

首先，将土压力传感器放置于土样中。

该测试方法中使用的土样是常规的土样即混合粒径的情况，原状土且未进行筛分操作。

其次，对土样施加荷载。

荷载的类型可以分为动态荷载和静态荷载。其中，动态荷载是指将冲击承载组件101上放置质量块后，控制强磁电磁铁23的开关，释放冲击承载组件101，第一滑块1带动冲击承载组件101沿第一直线导轨1向冲击测量组件102方向运动，模拟冲击荷载的作用。

静态荷载是直接将冲击承载组件101放置在冲击测量组件102上，并在冲击承载组件101上放置质量块，通过改变质量块的重量来模拟真实的上覆静荷载。

第三步，根据需要改变土压力传感器的深度。通过有限元软件模拟可以得到不同深度和不同荷载状况下的截面的土压力数值大小，利用静态荷载和动态荷载测试并得到不同深度的土压力传感器力电信号，检测标定后的传感器的出厂性能是否满足其标定参数，满足后进行后续测试；若不满足定义为不合格产品，不得进行后续试验操作。

其他同实施例1。

实施例3

通过实施例1中所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统可以实现土压力传感器的单一测试。该单一测试方法包括以下步骤。

首先，将土压力传感器放置于土样中。

单一测试方法中仅使用一个土压力传感器，将土压力传感器放置在选定的位置后，确定上覆土及下覆土的厚度即土压力传感器的埋置深度、土样种类、荷载的大小及类型，其中，土样的种类包括土样的颗粒粒径、以及土样的含水率大小即土样的饱和程度。

其次，对土样施加荷载。

荷载的类型可以分为动态荷载和静态荷载。其中，动态荷载是指将冲击承载组件101上放置质量块后，控制强磁电磁铁23的开关，释放冲击承载组件101，第一滑块1带动冲击承载组件101沿第一直线导轨1向冲击测量组件102方向运动，模拟冲击荷载的作用。

静态荷载是直接将冲击承载组件101放置在冲击测量组件102上，并在冲击承载组件101上放置质量块，通过改变质量块的重量来模拟真实的上覆静荷载。

第三步，通过改变单一土颗粒粒径、土压力传感器的埋藏深度、土样的饱和程度、以及荷载的状态，得到不同变量环境下土压力传感器真实的力电响应信号，以此判断土压力传感器在不同环境下对不同土颗粒粒径大小的敏感程度，明确土压力传感器对不同土颗粒粒径大小的敏感程度，从而确定该土压力传感器对土颗粒粒径大小的使用范围。

其他同实施例1。

实施例4

通过实施例1中所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统可以实现土压力传感器的平行测试。平行测试分为水平测试和垂直测试。该平行测试方法包括以下步骤。

首先，将土压力传感器放置于土样中。

单一测试方法中采用多个土压力传感器，其中水平测试指将多个土压力传感器间隔放置在同一个水平面，各个土压力传感器之间存在水平方向的间距，如图15(a)所示。垂直测试指将多个土压力传感器间隔放置在同一个剖面内，各土压力传感器之间存在竖直方向的间距，如图16(a)所示。土压力传感器的数量为发散个数。

其次，对土样施加荷载。

荷载的类型可以分为动态荷载和静态荷载。其中，动态荷载是指将冲击承载组件101上放置质量块后，控制强磁电磁铁23的开关，释放冲击承载组件101，第一滑块1带动冲击承载组件101沿第一直线导轨1向冲击测量组件102方向运动，模拟冲击荷载的作用。

静态荷载是直接将冲击承载组件101放置在冲击测量组件102上，并在冲击承载组件101上放置质量块，通过改变质量块的重量来模拟真实的上覆静荷载。

第三步，改变土压力传感器周围放置传感器的个数和距离，对各个土压力传感器进行实时检测，获得同一土样深度处土压力传感器的力电响应曲线，通过与单一测试获得的土压力传感器的力电响应曲线进行比对，进而精确的判断不同工况下土压力传感器在水平方向与垂直方向范围内的保护范围，获得土压力传感器的使用间隔即最佳工作距离。

水平测试过程中，不断改变相邻土压力传感器之间的水平距离和土压力传感器的发散个数，获得同一土样深度处土压力传感器的力电响应曲线，即该深度的压力数值，通过与单一测试获得的土压力传感器的力电响应曲线进行比对，判别在同一水平面内，土压力传感器工作的最小间距，从而得到土压力传感器在水平间隔放置时的最佳使用距离，如图15(b)所示。

垂直测试过程中，不断改变相邻土压力传感器之间的竖直距离和土压力传感器的发散个数，获得同一土样深度处土压力传感器的力电响应曲线，即该深度的压力数值，通过与单一测试获得的土压力传感器的力电响应曲线进行比对，判别在同一剖面内，土压力传感器工作的最小间距，从而得到土压力传感器在垂直间隔放置时的最佳使用距离，如图16(b)所示。

其他同实施例3。

实施例5

在通过实施例4所述的平行测试方法的基础上，根据已经得到的土压力传感器的水平方向的保护范围和垂直方向的保护范围，在不小于保护范围的水平距离和垂直距离上分别布置土压力传感器，通过改变相邻两传感器之间的距离，进一步缩小和精确土压力传感器的保护范围。

其他同实施例4。

实施例6

如图11所示，本实施例中的柔性吸波挡板25为在柔性吸波挡板的底面上设置数个相连接的半圆柱形凸起，半圆柱形凸起沿法兰环形围压桶的轴向延伸。半圆柱形凸起的轴截面与柔性吸波挡板的底面贴合，整体呈现规律性相连。凸起的截面形状半圆形。本实施例中，柔性吸波挡板的材料基底厚度为T₃.总高度为L₇，半圆柱形凸起的直径为L₈，尺寸调节系数为k₈，则半圆柱形凸起的直径为

L₈＝k₈×(D₁-D₂)

其他同实施例1。

实施例7

如图12所示，本实施例中的柔性吸波挡板25为在柔性吸波挡板的底面上间隔设置数个三棱柱形凸起，三棱柱形凸起沿法兰环形围压桶的轴向延伸。三棱柱形凸起的一侧侧面与柔性吸波挡板的底面贴合。三棱柱形凸起的截面形状为等边三角形。本实施例中，柔性吸波挡板的材料基底厚度为T₁，总高度为L₃，调节系数为k₉，三棱柱形凸起的高度为：

L₃-T₁＝k₉×(D₁-D₂)

相邻三棱柱形凸起之间的间隙L₄为

L₄≤L₃-T₁

其他同实施例1。

实施例8

如图13所示，本实施例中的柔性吸波挡板25为在柔性吸波挡板的底面上设置数个相邻的直角三棱柱形凸起，直角三棱柱形凸起沿法兰环形围压桶的轴向延伸。直角三棱柱形凸起的截面形状为直角三角形。直角三棱柱形凸起的一直角边所在的侧面与柔性吸波挡板的底面贴合，整体呈现规律性相连。本实施例中，柔性吸波挡板的材料基底的厚度为T₂，总高度为L₅，调节系数为k₁₀，整体为均布布置，直角三棱柱形凸起的边长为L₆的关系为：

L₆＝k₁₀×(D₁-D₂)

其他同实施例1。

实施例9

针对单一土颗粒粒径的条件下，指粒径大小范围控制在±0.2mm范围内的土颗粒。其最小粒径为A_min，最大粒径为A_max，平均粒径为A_average，单一土颗粒粒径计算的经验调节系数为k₁₁。

针对混合土颗粒粒径的条件下，指原状土样即未经过筛分进行试验的土样，粒径大小的极限范围不能有效的控制在±0.2mm范围内的土颗粒。使用土的不均匀系数d₁₀，d₆₀进行求解，混合土颗粒粒径计算的经验调节系数为k₁₂。k₁₅为吸波的经验调节性系数，与土颗粒粒径大小及范围有关：

无孔隙水压力条件下波速v_em的计算公式如下，其中k₁₃为无孔隙水压力条件下的实际经验调节系数，E为测试土样的弹性模量，ρ为测试土样的密度，σ为测试土样的应力：

含有液体饱和土样条件下波速v_cl的计算公式如下，其中k₁₄为孔隙水压力条件下波速计算的实际经验调节系数，K_e为测试土样的的等效体积模量，G_e为测试土样的等效剪切模量，ρ₁为饱和测试土样的密度：

设冲击波衰减量为ΔΦ，冲击波作用在吸波材料上的原始压力为Φ_be，原始波速v_be的取值范围为v_be＝(v_em，v_cl)，吸波材料的密度为ρ₂，

冲击波在已经穿过吸波材料之后的压力为Φ_af，穿越之后的波速为v_af，k₁₅为吸波的经验调节性系数，与土颗粒粒径大小及范围有关；γ为冲击波的压缩系数，k₁₆为波在吸波材料内部的衰减系数，与材料性质有关；v_bl为不同几何结构的波阵面运移速度，为不同结构形状的材料特有属性；P_so为有效土压力平均值，与土样的性质和粒径有关；k₁₇为波速衰减调节系数，与法兰环形围压桶的材料性质有关，则

三种结构形状的吸波材料的衰减数值区间ΔΦ的计算公式如下，其中k₁₈、k₁₉、k₂₀分别为半圆形凸起结构、三棱柱形凸起结构、直角三棱柱形凸起结构的调整系数。

冲击波在穿越吸波材料后的衰减量ΔΦ′的计算公式为：

将计算得到的冲击波穿越吸波材料之后的ΔΦ′的数值，与三种不同结构形状的吸波材料的衰减数值ΔΦ进行比较，判断与ΔΦ′最接近的衰减数值区间ΔΦ，选择与该衰减数值区间ΔΦ对应的结构形式的吸波材料。例如：

计算得到的三种结构吸波材料的衰减数值区间ΔΦ分别为：ΔΦ_{半圆形凸起}≤10.21％，ΔΦ_{三棱柱形凸起}≤19.14％，ΔΦ_{直角三棱柱形凸起}≤26.37％，计算冲击波穿越吸波材料之后的衰减率为ΔΦ′＝6.51％，此时三种不同的吸波材料均可满足要求，但是半圆形凸起结构吸波材料的衰减数值区间值与ΔΦ′更接近，因此采用半圆形凸起结构的吸波材料的效果最佳。若冲击波穿越吸波材料之后的衰减率为ΔΦ＝21.51％，只能选择直角三棱柱凸起结构才能满足要求，试验效果最好。

以上对本发明所提供的土压力传感器颗粒敏感性测试系统及测试方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种土压力传感器颗粒敏感性测试系统，其特征在于，包括土压力传感器颗粒敏感性测试模块，该模块包括

冲击承载组件，位于冲击测量组件的上方，对土样施加荷载；

冲击测量组件，包括压力传感器；

法兰环形围压桶，桶内盛装有土样和土压力传感器，内壁设有柔性吸波挡板和信号滑轨，底部连接有多向激振器。

2.根据权利要求1所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统，其特征在于，

还包括电磁控制模块、数据采集模块、激振频率控制器和低压直流电力模块；

法兰环形围压桶内壁的信号滑轨与数据采集模块连接，多向激振器与激振频率控制器连接；

信号滑块滑动设置在信号滑轨的凹槽内，信号滑块上设有与土压力传感器上的信号端子连接的信号插头，信号滑块的背面设置有信号弹片，信号弹片与信号滑轨滑动接触，信号滑轨通过线缆与数据采集模块连接。

3.根据权利要求1所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统，其特征在于，

所述土压力传感器颗粒敏感性测试模块还包括支架，支架包括水平支架和竖向支架，竖向支架固定在水平支架上；

所述水平支架上设有第三导轨，第三导轨上滑动设有第三直线滑块，法兰底座托盘的底部与第三直线滑块固定连接，法兰底座托盘的顶部表面与法兰环形围压桶的底部固定连接；

所述法兰底座托盘的底部固定有多向激振器。

4.根据权利要求1所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统，其特征在于，所述冲击承载组件包括

底托钢板；

第一压板，与底托钢板的中部的上表面固定连接；

第一滑块，与底托钢板的侧面固定连接，第一滑块滑动设置在第一直线导轨内，第一直线导轨的下部与法兰环形围压桶的内表面固定连接。

5.根据权利要求1所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统，其特征在于，所述冲击测量组件包括

第二压板；

第三压板；

压力传感器，位于第二压板和第三压板之间，压力传感器的顶端与第二压板固定连接，压力传感器的底端与第三压板固定连接；

第二滑块，固定在第三压板上，第二滑块滑动设置在第二直线导轨内，第二直线导轨的下部与法兰环形围压桶的内表面固定连接。

6.根据权利要求1所述的土压力传感器颗粒敏感性测试系统，其特征在于，

所述柔性吸波挡板的底部表面设有数个沿法兰环形围压桶的轴向延伸的凸起，凸起沿法兰环形围压桶的内壁设置，凸起的截面形状为半圆形、等边三角形或者直角三角形。

7.一种利用权利要求1-6任一所述土压力传感器颗粒敏感性测试系统进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将土压力传感器放置于待测土样中；

S2、对待测土样施加荷载；

S3、施加荷载的同时，改变待测土样的颗粒粒径、或者相邻土压力传感器之间的距离，对土压力传感器进行实时检测，获得同一土样深度处土压力传感器的力电响应曲线，得到土压力传感器的对不同土颗粒粒径大小的敏感程度、或者土压力传感器在竖直方向和水平方向的保护范围。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

上述步骤S1中，将一个土压力传感器放置于土样中；

上述步骤S3中，通过改变单一土颗粒粒径、土压力传感器的埋藏深度、土样的饱和程度、以及荷载的状态，得到不同变量环境下土压力传感器真实的力电响应信号，判断土压力传感器在不同环境下对不同土颗粒粒径大小的敏感程度，明确土压力传感器对不同土颗粒粒径大小的敏感程度。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

上述步骤S1中，将数个土压力传感器间隔放置在同一水平面内或同一竖直剖面内；

上述步骤S3中，改变土压力传感器周围放置传感器的个数和距离，对各个土压力传感器进行实时检测，获得同一土样深度处土压力传感器的力电响应曲线，通过与单一土压力传感器测试获得的土压力传感器的力电响应曲线进行比对，进而判断不同工况下土压力传感器在水平方向与垂直方向范围内的保护范围，获得土压力传感器的使用间隔；

通过步骤S3获得土压力传感器在水平方向的保护范围和竖直方向的保护范围后，在不小于保护范围的水平距离和竖直距离上分别布置土压力传感器，通过改变相邻两土压力传感器之间的距离，进一步缩小和精确土压力传感器的保护范围。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

针对单一土颗粒粒径的条件下，设其最小粒径为A_min，最大粒径为A_max，平均粒径为A_average，单一土颗粒粒径计算的经验调节系数为k₁₁；

针对混合土颗粒粒径的条件下，使用土的不均匀系数d₁₀，d₆₀进行求解，混合土颗粒粒径计算的经验调节系数为k₁₂，k₁₅为吸波的经验调节性系数，

无孔隙水压力条件下波速υ_em的计算公式为

其中k₁₃为无孔隙水压力条件下的实际经验调节系数，E为测试土样的弹性模量，为测试土样的密度，σ为测试土样的应力；

含有液体饱和土样条件下波速υ_cl的计算公式为

其中k₁₄为孔隙水压力条件下波速计算的实际经验调节系数，K_e为测试土样的的等效体积模量，G_e为测试土样的等效剪切模量，ρ₁为饱和测试土样的密度；

设冲击波作用在吸波材料上的原始压力为Φ_be，原始波速υ_be的取值范围为υ_be＝(υ_em，υ_cl)，吸波材料的密度为ρ₂，冲击波在已经穿过吸波材料之后的压力为Φ_af，穿越之后的波速为υ_af，k₁₅为吸波的经验调节性系数，与土颗粒粒径大小及范围有关；γ为冲击波的压缩系数，k₁₆为波在吸波材料内部的衰减系数，与材料性质有关；υ_bl为不同几何结构的波阵面运移速度，为不同结构形状的材料特有属性；P_so为有效土压力平均值，与土样的性质和粒径有关；k₁₇为波速衰减调节系数，与法兰环形围压桶的材料性质有关，则

三种结构形状的吸波材料的衰减数值区间ΔΦ的计算公式为，

其中k₁₈、k₁₉、k₂₀分别为半圆柱形凸起结构、三棱柱形凸起结构、直角三棱柱形凸起结构的调整系数；

冲击波在穿越吸波材料后的衰减量ΔΦ′的计算公式为：

将计算得到的冲击波穿越吸波材料之后的ΔΦ′的数值，与三种不同结构形状的吸波材料的衰减数值ΔΦ进行比较，选择与ΔΦ′最接近的衰减数值区间ΔΦ所对应的结构形式的吸波材料。