CN202403844U - 利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器 - Google Patents

利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器 Download PDF

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李川
陈尔阔
曹敏
王达达
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Abstract

本实用新型提供了一种利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器，采用了双层膜片结构；一次膜片通过边缘的环状膜片与壳体的外环粘接在一起，二次膜片焊接在壳体的内环上，通过油嘴向一次膜片和二次膜片之间形成的传压油腔注满液压油，二次膜片通过圆球1与等强度悬臂梁的自由端紧密接触，圆球固定在等强度悬臂梁的自由端，圆球的顶部与二次膜片的下表面紧密接触，接触点为二次膜片的圆心；等强度悬臂梁的固定端用扇形固定块固定在壳体的内部，应变片粘贴在等强度悬臂梁上表面的中心轴线上，应变片通过引出孔与外接电缆相连接，使用环氧树脂对引出孔进行密封，最后壳体与底盖螺纹连接，构成利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器。本实用新型解决了土压力分布不均和土质种类不同的影响，适应性强，标定简单。

Description

利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器
技术领域
本实用新型涉及一种测量边界土压力的利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器，属于光电子测量技术领域。
背景技术
土压力是指挡土结构物背后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力，土压力的大小直接决定着挡土构筑物及被挡土体的稳定和安全。现实中影响土压力的因素很多，如土体介质的物理力学性质及结构组成，挡土墙的变形和位移，填土表面荷载，地下水的情况，被挡土体的回填工艺等。众多的实践证明，观测土中的土压力结果相对比较准确，但观测土与构筑物的接触土压力效果尚不是十分理想，往往难以反应地基土的真实受力情况，即使在受力边界十分明显的条件下，接触土压力的监测也不是十分理想，监测值常远远小于理论计算值（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年）。
与本实用新型接近的技术是光纤光栅封装土压力传感器（参见文献：周智，“光纤光栅封装土压力传感器”，实用新型专利说明书，2007年10月，授权公告号：CN200962061）。该技术采用承压板加光纤光栅的结构对土压力进行测量。由于采用的是单膜板，易受土质种类和土压力偏心的影响，对各种环境的适应性较差；标定时，不同的土质对单膜板式传感器的标定曲线有较明显的影响，标定过程较复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器，通过采用双层膜片结构，解决了土压力分布不均和土质种类不同的影响，适应性强，标定简单。
本实用新型采取的技术方案是：包括一次膜片3、二次膜片4、传压油腔5、油嘴2、密封螺钉6、壳体7、底盖8、引出孔9、应变片10、外接电缆11、扇形固定块13和等强度度悬臂梁14；土压力传感器采用了双层膜片结构；一次膜片3通过边缘的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起，二次膜片4焊接在壳体7的内环上，通过油嘴2向一次膜片3和二次膜片4之间形成的传压油腔5注满液压油，二次膜片4通过圆球12与等强度悬臂梁14的自由端紧密接触，圆球12固定在等强度悬臂梁14的自由端，圆球12的顶部与二次膜片4的下表面紧密接触，接触点为二次膜片4的圆心；等强度悬臂梁14的固定端用扇形固定块13固定在壳体7的内部，应变片10粘贴在等强度悬臂梁14上表面的中心轴线上，应变片10通过引出孔9与外接电缆11相连接，使用环氧树脂对引出孔9进行密封，最后壳体7与底盖8螺纹连接，构成利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器。
其中，所述的二次膜片4的直径小于一次膜片3的直径；所述的传压油腔5可以通过内部的液压油把一次膜片3受的均布土压力等值传递到二次膜片4上；所述的一次膜片3通过粘接在一次膜片3外环的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起；所述的等强度悬臂梁（14）的自由端有直径小于圆球（12）直径的通孔；所述的液压油具有适宜的粘度和良好的抗压性；所述的引出孔9为壳体7内部沿直径方向为引线预留的细孔。
其中，环状膜片1、油嘴2、一次膜片3、二次膜片4、密封螺钉6、壳体7、底盖8、引出孔9、应变片10、外接电缆11、圆球12、扇形固定块13、等强度悬臂梁14都是市场普通的元件。
本实用新型的有益效果是：
1、适应性强，由于采用双膜结构，撇开了土压力分布不均和土质种类不同的影响,对不同性质和粒径的土质有良好的适应性；
2、准确度高，由于一次膜片的边缘为环状膜片，作用在一次膜片表面的介质压力部分地消除了环状膜片在传压油腔液体压力作用下可能产生的隆起，从而提高了传压油腔的传压效能，提高了测量的准确性；
3、标定简单，本实用新型采用双膜结构，使传感器的标定曲线不因所接触的土质种类不同而有明显差异，从而大大简化了土压力传感器的标定。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图中：1-环状膜片、2-油嘴、3-承压板、4-二次膜片、5-传压油腔、6-密封螺钉、7-壳体、8-底盖、9-引出孔、10-应变片、11-外接电缆、12-圆球、13-扇形固定块、14-等强度悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步说明：
如图1所示：为利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器结构示意图，其中，环状膜片1粘接在一次膜片3的边缘，一次膜片通过边缘的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起，二次膜片4焊接在壳体7的内环上，一次膜片3和二次膜片4之间形成的传压油腔5通过油嘴2注满液压油，最后壳体7与底盖8螺纹连接，二次膜片4通过圆球12与等强度悬臂梁14的自由端紧密接触，圆球12固定在等强度悬臂梁14的自由端，圆球12的顶部与二次膜片4的下表面紧密接触，接触点为二次膜片4的圆心；等强度悬臂梁14的固定端用扇形固定块13固定在壳体7的内部，应变片10粘贴在等强度悬臂梁14上表面的中心轴线上，应变片10通过引出孔9与外接电缆11相连接，使用环氧树脂对引出孔9进行密封，最后壳体7与底盖8螺纹连接，构成利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器。
本实例的传感模型：
当一次膜片受到一个均布压力                                                
Figure 2011205022371100002DEST_PATH_IMAGE001
并达到稳定时，根据静止流体力学中静压强的等值性，二次膜片也受到来自油体的均布压力
Figure 532076DEST_PATH_IMAGE002
。根据圆形薄板小挠度变形理论，二次膜片产生的挠度为：
                            
Figure DEST_PATH_IMAGE003
                     （1）
式（1）中，
Figure 546300DEST_PATH_IMAGE004
为二次膜片厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为二次膜片杨氏弹性模量，
Figure 565946DEST_PATH_IMAGE006
为二次膜片泊松比，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为二次膜片的半径，
Figure 18924DEST_PATH_IMAGE008
为从二次膜片中心沿半径方向的距离。
在二次膜片的中心处（
Figure DEST_PATH_IMAGE009
）,最大挠度为：
                              
Figure 676302DEST_PATH_IMAGE010
                      （2） 
如图1所示，二次膜片的变形推动其圆心下方的圆球向下移动，压迫等强度悬臂梁发生方向相当、大小相等的挠度变化，即等强度悬臂梁的挠度变化为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。
等强度悬臂梁上各点的轴向应变与自由端挠度的关系为：
                                   
Figure 923743DEST_PATH_IMAGE012
                            （3）
式（3）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为等强度悬臂梁厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为等强度悬臂梁长度。
把（2）式带入（3）式，则悬臂梁上的应变
Figure 433616DEST_PATH_IMAGE016
与匀布压力
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的关系为：
                          
Figure 424705DEST_PATH_IMAGE018
                      （4）
应变片电阻变化的公式为：
                                  
Figure DEST_PATH_IMAGE019
                           （5）
其中，
Figure 202168DEST_PATH_IMAGE020
为应变片原始电阻值；为伸长或压缩所引起的电阻变化量；
Figure 620511DEST_PATH_IMAGE022
为比例常数(应变片常数)；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为应变。
把（4）式带入（5）式，则电阻变化
Figure 178532DEST_PATH_IMAGE021
与匀布压力
Figure 206268DEST_PATH_IMAGE017
的关系为：
                                                （6）
由（6）式可知：当应变片、膜片和悬臂梁的材料尺寸选定后，电阻变化量
Figure 755378DEST_PATH_IMAGE021
与匀布压力成线性关系。
本实用新型是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型专利进行各种变换及等同代替，因此，本实用新型专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本实用新型专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (4)

1.一种利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器，其特征是：包括一次膜片（3）、二次膜片（4）、传压油腔（5）、油嘴（2）、密封螺钉（6）、壳体（7）、底盖（8）、引出孔（9）、应变片（10）、外接电缆（11）、扇形固定块（13）和等强度悬臂梁（14）；所述的土压力传感器采用了双层膜片结构；一次膜片（3）通过边缘的环状膜片（1）与壳体（7）的外环粘接在一起，二次膜片（4）焊接在壳体（7）的内环上，通过油嘴（2）向一次膜片（3）和二次膜片（4）之间形成的传压油腔（5）注满液压油，二次膜片（4）通过圆球（12）与等强度悬臂梁（14）的自由端紧密接触，圆球（12）固定在等强度悬臂梁（14）的自由端，圆球（12）的顶部与二次膜片（4）的下表面紧密接触，接触点为二次膜片（4）的圆心；等强度悬臂梁（14）的固定端用扇形固定块（13）固定在壳体（7）的内部，应变片（10）粘贴在等强度悬臂梁（14）上表面的中心轴线上，应变片（10）通过壳体（7）内部的引出孔（9）与外接电缆（11）相连接，使用环氧树脂对引出孔（9）进行密封，最后壳体（7）与底盖（8）螺纹连接，构成利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器。
2.根据权利要求1所述的利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器，其特征是：所述的一次膜片（3）通过粘接在一次膜片（3）外环的环状膜片（1）与壳体（7）的外环粘接在一起。
3.根据权利要求1所述的利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器，其特征是：所述的等强度悬臂梁（14）的自由端有直径小于圆球（12）直径的通孔。
4.根据权利要求2或者3所述的利用等强度悬臂梁的双膜式土压力传感器，其特征是：所述的二次膜片（4）的直径小于一次膜片（3）的直径。
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