CN202110172U - 基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪，包括封闭式结构的套筒和固定在套筒顶部内壁上的超声波传感器以及绕置在套筒外围上的电磁铁，套筒下缘吸合有超声波反射板，超声波反射板下表面上固定有锥体，超声波传感器发射超声波通过超声波反射板反射到超声波传感器上进行反馈。本实用新型的基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪，采用高频超声波传感器，实现无接触、无摩擦测量；利用一次完整的测量包括测量基准零点，测量实际锥入深度，可以完全消除由于温度、湿度、气压等因素引起的测量误差；将超声波波束运行在封闭环境中，大大减小空气流动(风)对测量精度的影响，提高测量值的稳定性。

Description

基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪

技术领域

本实用新型涉及土工试验中，通过液、塑限联合测定法测量试样界限含水率的领域，尤其是一种基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪。 

背景技术

现有的液、塑限联合测定法一般采用光电式测量、差动变压器传感器式测量等方法。 

光电式测量是采用光学投影方式，将沉降距离投影到带刻度的标尺上，然后通过人工读取锥入深度，其生产效率低下。 

差动变压器式(LVDT)传感器测量方式(如图2所示)，LVDT传感器测量方式需要一个测量杆作为LVDT位移传感器的活动部件，将锥体(锥入深度测量部件)和一个测量杆固定联动，测量杆和差动变压器线圈构成一个LVDT位移传感器，锥入深度测量部件的沉降带动测量杆移动，再通过LVDT传感器测量出锥入深度，由于测量杆较长，使锥体容易失去自稳，另外根据差动变压器式位移传感器的特性，测量杆和测量线圈部件很难做到无接触，如果测量杆和测量线圈部件有接触，则产生摩擦，从而影响测量精度。 

根据土工试验规范，液、塑限联合测定法要求使用特定质量，锥尖角度的锥体在测量试样中保持自稳，无摩擦，自行在试样中沉降特定时间后测量锥体锥入深度，理想测量方式(如图1所示)。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了克服上述中存在的有接触、有摩擦的测量，提供一种测量精度高、盲区小并且实现了真正的无接触、无摩擦的基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪，包括封闭式结构的套筒和固定在套筒顶部内壁上的超声波传感器以及绕置在套筒外围上的电磁铁，套筒是超声波发射和接收的行走路线，可以消除超声波传感器的测量盲区；超声波运行于密封容器中，可以减小空气流动对测量精度的影响；套筒下缘又是测量的基准零点；还作为电磁铁铁芯，所述的套筒下缘吸合有超声波反射板，超声波反射板下表面上固定有锥体，当对电磁铁加电时，套筒吸合锥体；当对电磁铁断电后，锥体下落从而进行测量，所述的超声波传感器发射超声波通过超声波反射板反射到超声波传感器上进行反馈。 

锥体两侧设置有用于配重和平衡的球体。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪，采用高频超声波传感器，实现无接触、无摩擦测量；利用一次完整的测量包括测量基准零点，测量实际锥入深度，可以完全消除由于温度、湿度、气压等因素引起的测量误差；将超声波波束运行在封闭环境中，大大减小空气流动(风)对测量精度的影响，提高测量值的稳定性。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1是本实用新型背景技术中理想测量的结构示意图； 

图2是本实用新型背景技术中差动变压器式(LVDT)传感器测量的结构示意图； 

图3是本实用新型的结构示意图。 

图中1.套筒，2.超声波传感器，3.电磁铁，4.超声波反射板，5.锥体，6.球体。 

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仪以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。 

如图3所示的基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪，包括圆柱形封闭式结构的套筒1，在套筒1顶部内壁上固定有超声波传感器2，在套筒1外围上绕置有电磁铁3，套筒1下缘吸合有超声波反射板4，超声波反射板4下表面上固定有锥体5，锥体5两侧有用于配重和平衡的球体6，超声波传感器2发射超声波通过超声波反射板4反射到超声波传感器2上进行反馈。 

本实用新型的基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪的测量原理：超声波速度在空气中是固定的，超声波传感器2发射超声波后，遇到超声波反射板4返回到超声波传感器2上，从发射超声波到接收到超声波时间差， 可以计算出超声波传感器2到超声波反射板4的距离，从而实现锥体5锥入深度的测量。 

在测量过程中：首先，对电磁铁3加电后，将锥体5通过吸合超声波反射板4紧贴在套筒1的下缘；其次，测量基准零点时间间隔；再，对电磁铁3断电后，锥体5在试样中自由沉降(由于锥体5重心低于锥尖和试样的接触点，故锥体5仍能保持自稳直立)；然后，沉降时间到，测量当前锥入深度的时间间隔，软件根据基准零点、满量程标定值，当前基准零点测量值，锥入深度测量值，通过线性比例算法计算实际锥体锥入深度。 

由于标定是在很短的时间内完成的，可以认为基准零点和满量程标定是在相同的超声波综合环境系数(温度、湿度、气压等)下进行的，即在相同的超声波综合环境系数下超声波速度是完全相同的，即传感器标定的采样值(时间间隔)是和测量距离是完全线性的。 

超声波传感器2每次测量也是在很短时间内完成的(5S)，那么测量时的传感器采样值(时间间隔)和测量距离是完全线性的。 

每次标定的超声波综合环境系数是和测量时的综合环境系数是不一样的，可以通过基准零点在标定时的采样值、测量时的采样值的偏差计算出标定环境下和测量环境下超声波综合环境影响系数的偏差系数，然后再通过这个偏差系数修正出在测量环境下标定满量程的采样值。这样知道了在当前种环境下的基准零点采样值，基准距离，满量程采样值，满量程距离，当前测量采样，就可以计算出当前的测量值(沉降距离)。 

通过线性比例算法计算实际锥体锥入深度公式如下： 

设： 

标定基准零点采样：AS0(Adjust Sample 0)； 

标定满量程采样：AS1(Adjust Sample 1)； 

基准零点距离：D0(Adjust Distance 0)，本应用中固定为80mm； 

满量程距离：D1(Adjust Distance 1)，本应用中固定为110mm(有效测量行程为110-80＝30mm)； 

测量基准零点采样：TS0(Test Sample 0)； 

测量沉降采样：TSx(Test Sample x)； 

求测量沉降距离：Dx(Test Distance x)。 

第一步： 

根据当前测量的基准零点采样、标定时间的基准零点采样计算出当前综合环境下和标定环境下的偏差系数M(modulus)； 

M＝TS0/AS0； 

第二步骤： 

根据综合环境偏差系数计算出在当前环境下的满量程采样值(TS1)； 

TS1＝AS1*M； 

第三步： 

TS0，TS1，TSx，D0，D1，Dx有如下比例关系： 

(TS1-TS0)/(TSx-TS0)＝(D1-D0)/(Dx-D0)； 

因此Dx＝(TSx-TS0)*(D1-D0)/(TS1-TS0)+D0。 

在测量过程中需注意以下几点：1.在锥体5上面固定一个厚度为2mm的超声波反射板4，质量较小，并不使整个锥体5重心提高太多，锥体5仍容易保持 自稳(不倾倒)；2.超声波测距，实现真正的无接触、无摩擦锥入深度测量；3.一个完整的测量包括零点基准测量，沉降量测量，再根据传感器标定时的基准零点、满量程测量值计算实际锥入深度，这样可以完全消除由于温度、湿度、气压等因素造成的测量误差，达到规范要求的测量精度，实际测量，在0～30mm范围内，可以达到0.1mm综合测量精度；4.高频超声波传感器2波束角度很小，容易运行于较小的管状空间，这样就大大减小了空气流通(风)对测量精度的影响。 

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。 

Claims (2)

1.一种基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪，其特征是：包括封闭式结构的套筒(1)和固定在套筒(1)顶部内壁上的超声波传感器(2)以及绕置在套筒(1)外围上的电磁铁(3)，所述的套筒(1)下缘吸合有超声波反射板(4)，超声波反射板(4)下表面上固定有锥体(5)，所述的超声波传感器(2)发射超声波通过超声波反射板(4)反射到超声波传感器(2)上进行反馈。

2.根据权利要求1所述的基于高频超声波传感器测距技术的液塑限联合测定仪，其特征是：所述的锥体(5)两侧设置有用于配重和平衡的球体(6)。

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