CN203249720U - 一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒，包括立方壳体、超声波测距传感器、工作腔和立方形的信号处理箱，信号处理箱安装在立方壳体内部的一个角落，信号处理箱与立方壳体不接触的三条相互垂直的棱与其相对应的立方壳体的三条相对应的三条相互垂直的棱之间分别通过隔板隔开，隔板把立方壳体除信号处理单元占据的空间外的剩余空间分隔为三个相同的工作腔，在工作时处于正上方的一个工作腔的表面安装有超声波测距传感器。本压力盒能够同时的测量作用在立方体结构三个方向上的土压力以及实时深度；采用二次膜结构，使压力盒对不同介质都有很强的适应性，这不仅简化了埋设工作，还能保证足够的测量精度，扩大使用范围。

Description

一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒

技术领域

本实用新型属于土壤测试仪器领域，涉及土压力盒，具体涉及一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒。

背景技术

根据《GB4478-1984振动压路机性能试验方法》的规定，在一款新型压路机试制成功后，需要对其各个性能指标进行检测。其中，压路机性能试验中最重要的一项检测项目是压实度的测试。该项试验一般在底部和侧面用混凝土筑好的室内土槽内进行。为了研究压路机不同振幅压实作业过程中激振力的传播过程，需要在预压两遍的土中埋入压力盒。压力盒的埋布深度一般在距离土表20～70cm的范围内。然后使压路机在埋布土压力盒的土表进行多遍振动压实。当压路机从埋布压力盒的土表振动压实经过时，压力盒能够感知其所在深度处的振动参数，并将各信号传入数据采集仪，从而达到研究不同深度下压路机激振力的传播效果的目的。

然而，由于压实过程中，土壤在压路机的振动压实作用下不断产生沉降，埋入土壤内的压力盒在每遍压实过后的实际埋入深度也发生了变化，这一变化一方面是由于压力盒上部的土壤在振动压实作用下产生了体积上的压缩引起的，另一方面是由于压力盒下部的土壤被压缩引起的。也就是说，每遍压实过后，压力盒采集的信号所在的深度已经发生了变化。在现有的技术条件下，若想测得压力盒每遍压实后的实际深度，需要将压力盒挖出，测量其所在位置距离土表的深度。然后再将其埋入，继续进行下一遍的压实试验。但是在压力盒挖出与埋入的过程中，压力盒埋入处的土壤压实结构遭到了破坏，进行下一遍压实的过程中，压力盒测得的信号便不太准确了，这影响了压路机振动压实作业过程中土压力的传播实验结果的准确性。

另外，振动压路机的振动压实作用在土壤中的传播是呈扩散状的，为了更好的研究压路机振动波在土壤中的传播过程，需要在振动压路机作业过程中对不同深度下的平行于压路机前进方向，垂直于压路机前进方向以及与竖直方向上的振动波进行连续的检测和记录。这就要求土压力盒本身具有同时检测并记录三向土压力的功能。

但是，目前市场上现有的土压力盒一次只能测试一个方向的振动波，虽然自制三方向支架能够保证三向土压力的测量，但往往可靠性程度不高，且容易在压路机的振动压实作用下产生倾斜。专利《三向振弦式压力传感器》（专利号：ZL200920106234.9）提出了一种三方向的压力传感器，但是一方面采用的是一次膜板结构，传感器本身的精度不够，另一方面不具备实时测量所在深度的功能，因此并不能满足实验研究的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒，解决当前压路机性能试验过程中出现的无法同时测量三方向土压力以及无法测量压力盒深度的问题。

为了实现上述任务，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒，包括立方壳体、超声波测距传感器、工作腔和立方形的信号处理箱，信号处理箱安装在立方壳体内部的一个角落，信号处理箱与立方壳体不接触的三条相互垂直的棱与相平行的立方壳体的三条相互垂直的棱之间分别通过隔板隔开，隔板把立方壳体除信号处理箱占据的空间外的剩余空间分隔为三个相同的工作腔，在工作时处于正上方的一个工作腔的表面安装有超声波测距传感器；

所述的立方壳体与信号处理箱不接触的三个面设置为一次膜片；

所述的工作腔中包括二次膜片、传力轴、电磁线圈、钢弦、弦夹和横梁，钢梁的一端固定在立方壳体的竖直内壁上，钢梁的另一端固定在隔板上，横梁与一次膜片平行安置用于支撑二次膜片，二次膜片的一端卡在隔板和一次膜片形成的夹角中，二次膜片的另一端支撑在横梁上，传力轴设置在二次膜片的中间位置用于传递外界土层施加在一次膜片上的压力，传力轴下端安装有电磁线圈，电磁线圈下方安置有钢弦，钢弦通过两个弦夹固定在二次膜片上；

所述的信号处理箱内部安装有单片机，电磁线圈通过输电线与单片机的输入端相连，超声波测距传感器通过信号输入线与单片机的输入端相连，单片机的输出端连接有用于与外部设备相连的信号输出线。

本实用新型还具有如下技术特征：

所述的钢弦与二次膜片的对角线方向平行。

所述的超声波测距传感器采用UT18-750-PSL4型超声波测距传感器。

所述的单片机采用80C196KC型单片机开发板。

所述的输电线之间通过安装在横梁上的连接头连接，所述的信号输入线之间通过安装在横梁上的连接头连接。

本实用新型的土压力盒与现有的土压力盒相比，具有如下技术优点：

（1）能够同时的测量作用在立方体结构三个方向上的土压力以及实时深度，为研究振动在土壤中的传播提供方便。

（2）采用二次膜结构，使在一次膜板面积上各点的受力都能通过传力轴集中作用在二次膜板的中心轴线上，所以，压力盒对不同介质都有很强的适应性，这不仅简化了埋设工作，还能保证足够的测量精度，扩大使用范围。

（3）传力轴的热膨胀量很小，使压力盒有很好的零点稳定性。结构简单，工艺一致性好，可靠性高。

附图说明

图1是本实用新型的整体三维结构示意图。

图2是本实用新型的主剖视结构示意图。

图3是工作腔去掉元器件后的俯剖视结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-立方壳体，2-超声波测距传感器，3-工作腔，4-信号处理箱，5-隔板，6-一次膜片，7-二次膜片，8-传力轴，9-电磁线圈，10-横梁，11-钢弦，12-弦夹，13-单片机，14-输电线，15-信号输入线，16-信号输出线，17-连接头。

以下结合附图和实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

遵从上述技术方案，本实施例的可测量当前土层深度的三方向土压力盒，采用超声波测距的原理，能够实时检测土压力盒相对土表面的距离，采用二次膜结构，能够大大提高三向应力土压力盒的检测精度。加工技术较为简单，成本较低，使用方便。

如图1至图3所示，一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒，包括立方壳体1、超声波测距传感器2、工作腔3和立方形的信号处理箱4，信号处理箱4安装在立方壳体1内部的一个角落，信号处理箱4与立方壳体1不接触的三条相互垂直的棱与相平行的立方壳体1的三条相互垂直的棱之间分别通过隔板5隔开，隔板5把立方壳体1除信号处理箱4占据的空间外的剩余空间分隔为三个相同的工作腔3，在工作时处于正上方的一个工作腔3的表面安装有超声波测距传感器2；

所述的立方壳体1与信号处理箱4不接触的三个面设置为一次膜片6；

所述的工作腔3中包括二次膜片7、传力轴8、电磁线圈9、钢弦11、弦夹12和横梁10，钢梁10的一端固定在立方壳体1的竖直内壁上，钢梁10的另一端固定在隔板5上，横梁10与一次膜片6平行安置用于支撑二次膜片7，二次膜片7的一端卡在隔板5和一次膜片6形成的夹角中，二次膜片7的另一端支撑在横梁10上，传力轴8设置在二次膜片7的中间位置用于传递外界土层施加在一次膜片6上的压力，传力轴8下端安装有电磁线圈9，电磁线圈9下方安置有钢弦11，钢弦11通过两个弦夹12固定在二次膜片7上；

所述的信号处理箱4内部安装有单片机13，电磁线圈9通过输电线14与单片机13的输入端相连，超声波测距传感器2通过信号输入线15与单片机13的输入端相连，单片机13的输出端连接有用于与外部设备相连的信号输出线16。

钢弦11与二次膜片7的对角线方向平行。这样布置可保证钢弦11充分感受一次膜片6上的压力变化，提高测量精度。

超声波测距传感器2采用betterway公司的UT18-750-PSL4型超声波测距传感器。该传感器能够发射超声波脉冲，通过超声波脉冲到达物体并返回传感器的时间，来计算出传感器到目标物体的距离。其检测距离最大为800mm，具有最小的50mm盲区，最高分辨率达到0.4mm。所述超声波传感器具有模拟量输出接口，可用于连续位置的监控。可以在-25℃到+70℃的温度范围内工作，并设有温度补偿装置。

单片机13采用intel公司的80C196KC型单片机开发板。该单片机开发板具有功耗低，节电性能优良的特点。单片机的状态周期是由振荡信号分频后获得的，工作速度较快，操作速度及数据吞吐能力也较好。

输电线14之间通过安装在横梁10上的连接头17连接，所述的信号输入线15之间通过安装在横梁10上的连接头17连接。

本实用新型的工作过程如下所述：

以测量压路机振动在土壤中的传播为例，当使用本实用新型进行工作时，首先将本实用新型中安装有超声波测距传感器2的一次膜片6向上按测量要求放置于被测土壤一定深度中，要求本实用新型的剩余的两个一次膜片6所在的面分别置于垂直及平行于压路机行走方向的位置，对本实用新型进行填埋。本实用新型的信号输出线16与外部设备数据采集仪相连接，之后驾驶振动压路机通过预埋有本实用新型的土壤，则过程中三个方向的振动波及振动波信号的实时位置信息即可采集到数据采集仪内。

Claims (5)

1.一种可测量当前土层深度的三方向土压力盒，其特征在于，包括立方壳体（1）、超声波测距传感器（2）、工作腔（3）和立方形的信号处理箱（4），信号处理箱（4）安装在立方壳体（1）内部的一个角落，信号处理箱（4）与立方壳体（1）不接触的三条相互垂直的棱与相平行的立方壳体（1）的三条相互垂直的棱之间分别通过隔板（5）隔开，隔板（5）把立方壳体（1）除信号处理箱（4）占据的空间外的剩余空间分隔为三个相同的工作腔（3），在工作时处于正上方的一个工作腔（3）的表面安装有超声波测距传感器（2）；

所述的立方壳体（1）与信号处理箱（4）不接触的三个面设置为一次膜片（6）；

所述的工作腔（3）中包括二次膜片（7）、传力轴（8）、电磁线圈（9）、钢弦（11）、弦夹（12）和横梁（10），钢梁（10）的一端固定在立方壳体（1）的竖直内壁上，钢梁（10）的另一端固定在隔板（5）上，横梁（10）与一次膜片（6）平行安置用于支撑二次膜片（7），二次膜片（7）的一端卡在隔板（5）和一次膜片（6）形成的夹角中，二次膜片（7）的另一端支撑在横梁（10）上，传力轴（8）设置在二次膜片（7）的中间位置用于传递外界土层施加在一次膜片（6）上的压力，传力轴（8）下端安装有电磁线圈（9），电磁线圈（9）下方安置有钢弦（11），钢弦（11）通过两个弦夹（12）固定在二次膜片（7）上；

所述的信号处理箱（4）内部安装有单片机（13），电磁线圈（9）通过输电线（14）与单片机（13）的输入端相连，超声波测距传感器（2）通过信号输入线（15）与单片机（13）的输入端相连，单片机（13）的输出端连接有用于与外部设备相连的信号输出线（16）。

2.如权利要求1所述的可测量当前土层深度的三方向土压力盒，其特征在于，所述的钢弦（11）与二次膜片（7）的对角线方向平行。

3.如权利要求1所述的可测量当前土层深度的三方向土压力盒，其特征在于，所述的超声波测距传感器（2）采用UT18-750-PSL4型超声波测距传感器。

4.如权利要求1所述的可测量当前土层深度的三方向土压力盒，其特征在于，所述的单片机（13）采用80C196KC型单片机。

5.如权利要求1所述的可测量当前土层深度的三方向土压力盒，其特征在于，所述的输电线（14）之间通过安装在横梁（10）上的连接头（17）连接，所述的信号输入线（15）之间通过安装在横梁（10）上的连接头（17）连接。

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