CN201368786Y - 三向振弦式压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种三向振弦式压力传感器，属于土木工程测试仪器领域。本实用新型外形为立方体结构，内部由金属隔板分割为三个空间几何尺寸相同的工作腔室和一个导线电缆腔室。三个腔室内设置有制造、参数及工作原理相同的结构。立方体外壳膜片与待测量压力直接接触。当压力变化时，膜片即感受作用力而发生挠曲变形，从而带动两个支架向两侧拉开，振弦被拉紧，于是振弦的频率发生改变。根据振弦的频率变化量可测得压力的大小。本实用新型可以同时测量三个相互垂直方向上的外部压力，可用于测试岩土体、结构物等工程对象中的三向应力变化，也可用于机械、地震、矿业等部门，并且加工方便，结构简单，造价低廉。

Description

三向振弦式压力传感器

技术领域

本实用新型属于土木工程测试仪器领域，涉及测量三个相互垂直方向上的外部岩土压力及水压力的大小。

背景技术

目前，利用谐振原理设计的振弦传感器只能测出单个方向的外部压力。较常见的是土木工程中用于测量地层压力及水压力的振弦式压力传感器(欧智勇，詹金林.关于接触土压力观测的探讨.企业科技与发展，2007，14，73-75；巴里塞勒斯，振弦式传感器在大坝安全监测中的应用，水利水电快报，2001，22(19)，19-21)。这类传感器设计简单，能够满足一定的工程测量需要。但是也有如下不足之处：

(1)由于这类传感器只有一根振弦，只能测出单个方向的压力，即膜片法线方向的压力值，所以，无法同时测定地层中观测点其它方向的压力值，即无法得到地层中观测点的真实应力状态。

(2)这类压力传感器只有水平放置时才能精确测量上覆土层的垂直压力。当埋设在土层中的土压力传感器由于外界因素产生倾斜时，不能准确测定上覆土层垂直方向的土压力值。

(3)此类传感器在非填土状态下埋设时，比如采用钻孔方式埋设时，无论是水平、垂直或倾斜钻孔，准确地把传感器水平放置在钻孔中将十分困难，导致测量上覆土层压力或水压力值时产生较大误差。

(4)这类传感器无法同时测定土压力和孔隙水压力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有传感器的不足，根据谐振原理设计出能够测量三个相互垂直方向上外部压力大小的传感器，并且加工方便，结构简单，造价低廉。

本实用新型三向振弦式压力传感器主要特征在于：

(1)外形为立方体结构，内部由金属隔板分割为三个空间几何尺寸相同的工作腔室C1、C2、C3和一个导线电缆腔室C4。

(2)立方体外表面共有6个金属膜片，其中3个膜片安装有导线连接件10和线圈2，作为工作膜片，另外3个膜片仅作为构成立方体结构，为非工作膜片。工作膜片8与要测量的作用力直接接触。工作腔室C1内，振弦支架6的底侧与振弦1相连，顶端与膜片8相连。当作用力变化时，膜片即感受作用力而发生挠曲变形，从而带动两个振弦支架向两侧拉开，振弦被拉紧，于是振弦的频率发生改变。根据振弦频率的变化量可测量作用力的大小。

(3)线圈2与支架6共同固定在立方体的受力膜片内部，线圈2一侧位于膜片8的中心，振弦1沿膜片平面对角线方向对称布置。

(4)带有导线连接件10的横梁9固定在盒体内部，并引出两根电流线4和一根屏蔽线3，屏蔽线3与金属盒体相连，可以屏蔽外部磁场干扰和内部磁场的相互干扰。

(5)线圈2通过导线连接件10与电流线4连接，当线圈2中通过一个脉冲电流时，线圈2中的永久磁铁吸住振弦1，当脉冲电流消失后，振弦1即被松开产生振动，产生的感应电流从线圈中输出。

工作腔室C2、C3与C1中的设置相同，即有制造、参数及工作原理相同的结构。

三向振弦式传感器为六片金属膜片包围的立方体，其中三片用于接受外部压力，另三片用于固定其它构件并形成传感器整体。传感器的内部结构图如图2，由金属隔板分隔为三个工作腔室和一个导线电缆腔室，其中每个工作腔室中主要包括以下部分：用于接受外界压力的金属膜片；沿膜片内侧对角线方向布置的一个线圈和二只支架，支架上均装有振弦夹紧装置，线圈位于膜片的中心位置，支架位于线圈二侧；连接二个振弦夹紧装置间的振弦，振弦与线圈间隔0.5～2mm；一根用于固定导线连接件的横梁，横梁两端分别固定于金属隔板和外壳膜片(非工作膜片)；导线连接件安装于横梁上；二根电流线接于导线连接件上，一根屏蔽线连接在横梁上，三根线组合为一根电缆，穿过工作腔室与导线电缆腔室之间的金属隔板，延接至导线电缆腔室。三个工作腔室的电缆在导线电缆腔室合并，将电流信号传至传感器外部。

在测量时，立方体外壳膜片与待测量压力直接接触。当压力变化时，膜片即感受压力而发生挠曲变形，从而带动两个振弦支架向两侧拉开，振弦被拉紧，于是振弦的频率发生改变，根据振弦频率的变化量可测量作用力的大小。

该振弦式传感器采用间歇激励方式，永久磁芯上绕有一个电磁线圈。线圈中无电流时，永久磁芯对振弦无吸引力。如果在线圈中通过一个脉冲电流，永久磁铁吸住振弦，当脉冲电流消失后，振弦就被松开，这样一吸一放，振弦产生振动，同时产生的感应电流从线圈中输出。

传感器中的屏蔽线与金属外壳相连，这样，金属外壳将盒体内产生电磁波的区域与外界隔离开来，可以屏蔽外界电磁场对传感器内部电磁场的干扰，因为振弦振荡切割磁感线产生的感应电动势很微弱，必须对外界磁场干扰进行屏蔽，这样才能保证测量的精度。电缆内部信号线外侧也用铜丝包裹，同样发挥屏蔽外界干扰电磁场的作用。信号线芯在内，屏蔽层(铁丝)在外并通过金属盒体接地，有效地隔离外界杂波干扰，保证有效信号的传递质量。本发明中的三套传感结构均放置在独立的腔室中，并用屏蔽线对外部磁场进行屏蔽，可以减小外部磁场的干扰和传感器内部磁场的相互干扰。

本实用新型的优点在于能够同时独立测量作用在金属立方盒体振弦膜片上的三个相互垂直方向上的外部压力。当该传感器应用于测量土层中的压力时，可以不受传感器位置的影响，测量出土层中观测点位置作用于传感器表面三个垂直方向上的正应力，从而了解观测点处岩土体或结构物的应力状态。另外，本传感器也可同时测定土压力和水压力。

附图说明

图1-立方盒体内部腔室结构及振弦布置方向图

图2-C1-C3腔室剖面图。三向振弦式压力传感器包括振弦1、线圈2、屏蔽线3、电流线4、电缆5、支架6、振弦夹紧装置7、膜片8、横梁9、导线连接件10、金属隔板11。

图3-C1腔室剖面俯视图

图4-C1腔室剖面顶盖(膜片及钢弦)仰视图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

图1所示三向振弦式压力传感器由三个工作腔室C1、C2、C3及一个导线电缆腔室C4组成；图2、图3、图4所示三向振弦式压力传感器三个腔室结构大小及内部设计完全相同，内部设置有物理参数相同的振弦1。在测量时，立方体外壳膜片8与需要测量的压力直接接触。当压力变化时，膜片8即感受压力而发生挠曲变形，从而带动两个支架6向两侧拉开，振弦1被拉紧，于是振弦1的频率发生改变。根据振弦1频率的变化量可测量压力的大小。

图3为C1腔室剖面俯视图，表明屏蔽线3、电流线4、横梁9、导线连接件10与导线电缆腔室C4的相对位置关系。

图4为C1腔室剖面顶盖仰视图，表明振弦1、线圈2、支架6与工作膜片8的相对位置关系。

在三向振弦式压力传感器的制造中，首先制作立方盒体内部分割腔室的金属隔板11，由于设计盒体内部分割各个腔室的隔板结构的空间复杂性，可以把隔板结构按平面分别按设计尺寸制成单块隔板，有通线孔的隔板先打孔。然后把做好的各个单块隔板通过焊接连接在一起，形成一个整体。

立方体外壳的六个膜片8可以分割成六个单块平面膜片，其中三个工作膜8安装有振弦1。固定振弦1的振弦夹紧装置7的三个膜片8可以按设计制作好，将其中两个通过焊接或者在结合处通过打孔用螺栓连接并用粘结剂黏合，形成整体。另外三个不带振弦1的膜片8可以与事先做好的盒体内部隔板结构通过焊接连接在一起，亦或是在结合处通过打孔用螺栓连接并用粘结剂黏合。然后把三个带有导线连接10的横梁9通过螺丝或焊接固定在盒体内部设计位置处，并连接电缆。最后把上述两部分及剩余的一个带支架6的膜片8通过焊接或者在膜片8端部结合处通过打孔用螺栓连接在一起，并用粘结剂黏合。制作好的三向振弦式压力传感器可用于测试岩土体、结构物等工程对象中的三向应力变化，还可用于机械、地震、矿业等部门。本实用新型加工方便，结构简单，造价低廉。

Claims (2)

1、三向振弦式压力传感器，包括振弦(1)、线圈(2)、屏蔽线(3)、电流线(4)、电缆(5)、支架(6)、振弦夹紧装置(7)、膜片(8)、横梁(9)、导线连接件(10)、金属隔板(11)，其特征在于：

外形为立方体结构，内部由金属隔板分割为三个空间几何尺寸相同的工作腔室C1、C2、C3和一个导线电缆腔室C4；

立方体外表面共有六个金属膜片(8)，其中三个膜片作为工作膜片，安装有导线连接件(10)和线圈(2)，工作膜片(8)与要测量的作用力直接接触，工作腔室C1内，振弦支架(6)的底侧与振弦(1)相连，顶端与膜片(8)相连；

线圈(2)与支架(6)共同固定在立方体的受力膜片内部，线圈(2)一侧位于膜片(8)的中心，振弦(1)沿膜片平面对角线方向对称布置；

带有导线连接件(10)的横梁(9)固定在盒体内部，并引出两根电流线(4)和一根屏蔽线(3)，屏蔽线(3)与金属盒体相连，可以屏蔽外部磁场干扰和内部磁场的相互干扰；

线圈(2)通过导线连接件(10)与电流线(4)连接，当线圈(2)中通过一个脉冲电流时，线圈(2)中的永久磁铁吸住振弦(1)，当脉冲电流消失后，振弦(1)即被松开产生振动，产生的感应电流从线圈中输出。

2、如权利要求1所述的三向振弦式压力传感器，其特征在于：工作腔室C2、C3与C1中设置有相同的结构。

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