CN205404293U - 一种土工真三轴试验高精度应变测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种土工真三轴试验高精度应变测量系统，包括测控计算机、大量程激光位移传感器、小量程激光位移传感器、伺服电机和水平安装的滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠螺母副的螺母部与伺服电机的转动端固定连接，小量程激光位移传感器固定安装在滚珠丝杠螺母副的丝杠上，伺服电机通过伺服驱动器与测控计算机电连接，大量程激光位移传感器的信号输出端与测控计算机的第一信号输入端电连接，小量程激光位移传感器的信号输出端同时与测控计算机和伺服驱动器电连接。本实用新型能够实现优于1μm的应变位移测量分辨率，能够显著提升试验系统应变加载控制过程的平滑性，能够对试验系统的应变测量精度进行定制。

Description

一种土工真三轴试验高精度应变测量系统

技术领域

本实用新型属于土工试验技术领域，具体涉及一种开展土工真三轴试验过程中的一种高精度应变测量系统。

背景技术

大型土工真三轴试验系统是用于开展岩土模型应力应变加载试验的大型土工试验设备。该系统利用大推力液压设备(如液压千斤顶)从正反两个竖直方向、前后左右四个水平方向上对岩土模型试样进行挤压，同时其具备伺服闭环能力，能够精确的控制试验过程中应变量或应力量的时域加载曲线。通过监测岩土模型在受力过程中的应力、应变状态变化曲线，对岩土结构的受力破坏过程进行研究。

岩土模型的应变量是此类试验的关键监测点，且由于岩土模型应力应变加载试验过程中试验样品的形变速率一般极为缓慢(可能低于0.01mm/min)，因此要精确研究试验过程中岩土模型应变量与应力量的对应关系曲线，需要实现极高的应变量检测精度——至少达到10μm精度量级，最好优于1μm精度量级。

使用大型土工真三轴试验系统开展岩土模型应力应变加载试验时，试验环境很难保持十分清洁，试验设备容易受到油、水、尘土等杂质的污染，因此应变量测量设备一般采用对环境洁净度要求较低的激光位移传感器。由于试验过程中试验样品的单边应变位移量最大可达数十甚至一百毫米以上，故在传统的大型土工真三轴试验系统中，一般都选用不小于100mm量程的激光位移传感器以满足开展岩土模型应力应变加载试验的测量需求。但受限于激光位移传感器的工作原理，其分辨率难以超过0.01％FS，这使传统试验系统对试样应变量的检测精度只能勉强达到试验所要求的最低精度等级(0.01mm)，限制了大型土工真三轴试验系统的试验测量与控制精度、以及研究效果的进一步提升。

由于传统应变测量设备(如激光位移传感器)的分辨率不足，使试验系统无法达到更高的应变测量精度，限制了进一步提升对试验结果进行定量分析的精度；同时还使得系统开展伺服闭环控制时，来自传统应变测量设备的应变反馈结果会呈现出较为明显的阶梯效应，造成驱动系统的出力控制在时域上的离散化(例如，试样要求以0.01mm/min的速度发生应变，使用分辨率仅为0.01mm的位移传感器时，驱动系统最短也需要1min才能输出一次有效的控制信号)，从而降低了试验过程中伺服闭环的控制精度与曲线加载的平滑性。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种土工真三轴试验高精度应变测量系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种土工真三轴试验高精度应变测量系统，包括测控计算机、激光位移传感器、伺服电机和水平安装的滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副的螺母部与所述伺服电机的转动端固定连接，所述激光位移传感器包括大量程激光位移传感器和小量程激光位移传感器，所述小量程激光位移传感器固定安装在所述滚珠丝杠螺母副的丝杠上，所述小量程激光位移传感器与所述大量程激光位移传感器的探头安装方向相互平行且均朝向土工模型试验样品，所述伺服电机通过伺服驱动器与所述测控计算机电连接，所述大量程激光位移传感器的信号输出端与所述测控计算机的第一信号输入端电连接，所述小量程激光位移传感器的信号输出端同时与所述测控计算机的第二信号输入端和所述伺服驱动器的反馈信号输入端电连接。

优选地，所述试验系统还包括竖直放置的支架，所述支架由上而下依次固定安装有所述大量程激光位移传感器、导向筒和所述伺服电机，所述导向筒中设置有一根可以轴向运动的导向杆，所述小量程激光位移传感器与所述导向杆固定连接为一体。

优选地，所述导向杆与所述滚珠丝杠螺母副相互平行，且均与所述支架垂直。

优选地，所述滚珠丝杠螺母副中的丝杠、所述导向杆的有效运动长度均不低于所述大量程激光位移传感器的量程。

优选地，所述大量程激光位移传感器的量程不小于所述土工模型试验样品的单边最大应变位移量。

优选地，所述伺服电机为转子中空结构，所述伺服电机的转子内侧与所述滚珠丝杠螺母副中的螺母部固定连接。

本实用新型的有益效果在于：

1、可以在一个较大的量程范围内实现只有小量程激光位移传感器才能拥有的高分辨率，即结合了大量程传感器的量程优势与小量程传感器的分辨率优势；

2、能够实现优于1μm的应变位移测量分辨率(选用量程小于等于10mm的激光位移传感器作为小量程传感器)，能够显著提升试验系统应变加载控制过程的平滑性；

3、与传统大型土工真三轴试验系统所采用的应变测量方法相比，本专利能够实现的应变测量精度不再受限于试验系统的最大应变指标，通过选用不同量程的传感器设备作为方法中的小量程传感器，能够对试验系统的应变测量精度进行定制。

附图说明

图1是本实用新型所述土工真三轴试验高精度应变测量系统的结构示意图；

图中：1-伺服电机、2-滚珠丝杠螺母副、3-小量程激光位移传感器、4-导向杆、5-大量程激光位移传感器、6-支架、7-导向筒、8-测控计算机、9-伺服驱动器、10-土工模型试验样品、11-线缆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型包括测控计算机8、激光位移传感器、伺服电机1和水平安装的滚珠丝杠螺母副2，滚珠丝杠螺母副2的螺母部与伺服电机1的转动端固定连接，激光位移传感器包括大量程激光位移传感器5和小量程激光位移传感器3，小量程激光位移传感器3固定安装在滚珠丝杠螺母副2的丝杠上，小量程激光位移传感器3与大量程激光位移传感器5的探头安装方向相互平行且均朝向土工模型试验样品10，伺服电机1通过伺服驱动器9与测控计算机8电连接，大量程激光位移传感器5的信号输出端与测控计算机8的第一信号输入端电连接，小量程激光位移传感器3的信号输出端同时与测控计算机8的第二信号输入端和伺服驱动器9的反馈信号输入端电连接。

在本专利中，测量系统还包括竖直放置的支架6，支架6由上而下依次固定安装有大量程激光位移传感器5、导向筒7和伺服电机1，导向筒7中设置有一根可以轴向运动的导向杆4，小量程激光位移传感器3与导向杆4固定连接为一体。导向杆4与滚珠丝杠螺母副2相互平行，且均与支架6垂直。

本专利的具体说明如下：

1)根据土工真三轴试验中可能出现的最大试样应变选择相应量程的大量程激光位移传感器，确保传感器量程不小于土工模型试验样品10的单边最大应变位移量；

2)针对同一类型的激光位移传感器，小量程激光位移传感器3的量程与系统的应变测量精度成反比关系，即所选传感器的量程越小，系统能够获得的应变测量精度越高；

3)定义系统采用小量程激光位移传感器3的测量结果时为高分辨率运行状态，采用大量程激光位移传感器5的测量结果时为低分辨率运行状态，系统在高分辨率运行状态下的工作时间与全部试验时间长度之比称为系统高分辨率运行状态覆盖率；

4)在试样应变过程中，小量程激光位移传感器3的测量结果会不断接近其测量范围极限，为避免应变测量超出传感器量程，需要在小量程激光位移传感器3测量结果接近其测量范围极限时对小量程激光位移传感器3的位置进行调整，故在应变速率基本相同的试验过程中，所选传感器的量程越小，对传感器位置进行调整的频率就越高，系统高分辨率运行状态覆盖率就越低；

5)伺服电机设计为转子中空结构，其转子内侧与丝杠螺母副中的螺母部分固连，即电机运转时螺母部分随电机转子同步旋转但不发生直线位移，丝杠则在螺母的旋转作用力下进行直线位移运动；

6)小量程激光位移传感器同时固定在丝杠一端与导向杆上，导向杆确保传感器与丝杠不会因螺母与丝杠之间的摩擦力作用发生转动，且导向杆能够跟随传感器进行同步同向的直线位移滑动，导向筒安装于支架上；

7)丝杠及导轨的有效运动长度应不低于大量程激光位移传感器的量程；

8)支架结构应足够坚固，以消除伺服电机旋转、丝杠与定向导轨直线运动过程中产生的振动效应；

9)小量程激光位移传感器的输出电信号应同时接入测控计算机与伺服驱动器之中，一方面实现测控计算机对系统应变位移量的采集测量，另一方面向伺服驱动器提供位移反馈信号用于伺服驱动控制；

10)伺服驱动器9控制伺服电机1的方式应包括自动控制方式和手动控制方式，以便能手动控制伺服电机进行正反转，以便在试验开始时将小量程激光位移传感器调节到有效的测距范围以内；

11)伺服驱动器应具备位移——转速双层闭环的伺服控制能力，其以小量程激光位移传感器的输出信号作为位移反馈，以小量程激光位移传感器的输出信号中位作为控制目标，例如——对于输出信号为4～20mA的电流型传感器，以12mA电信号的对应位移作为伺服控制目标；则对于输出信号为0～10V的电压型传感器，以5V电信号的对应位移作为伺服控制目标；

12)测控计算机需要同时保持对大量程激光位移传感器5输出信号与小量程激光位移传感器3输出信号的不间断监测。

本实用新型中小量程激光位移传感器3的运动控制流程如下：

B1：以小量程激光位移传感器3的输出信号为伺服系统的位移反馈；

B2：将小量程激光位移传感器3的输出信号中位作为伺服驱动器9对伺服电机1的位移控制目标；

B3：启动或保持伺服电机1运转，通过滚珠丝杠螺母副2驱动小量程激光位移传感器3向信号中卫运动；

B4：伺服驱动器9以位移——转速双层闭环结构控制伺服电机1的运行，如果小量程激光位移传感器3到达信号中位所对应的位置，则继续执行步骤B5，否则重新执行步骤B3；

B5：伺服驱动器9控制伺服电机1停止运转，并向测控计算机8输出伺服电机1停转的硬件判别信号；

B6：测控计算机9依据伺服电机1停转的硬件判别信号确定小量程传感器3已运动到信号中位。

本实用新型中影响系统性能的主要因素如下：

1)大量程激光位移传感器的有效量程：L_max；(mm)

2)大量程激光位移传感器的分辨率：σ₁；(％FS)

3)小量程激光位移传感器的有效量程：L_min；(mm)

4)小量程激光位移传感器的分辨率：σ₂；(％FS)

5)启动小量程激光位移传感器位置调整过程的输出信号上下限：上限(1-σ_Δ)L_min与下限σ_ΔL_min，即当传感器输出信号大于等于(1-σ_Δ)L_min或小于等于σ_ΔL_min时，启动传感器位置调整过程，σ_Δ一般取在0.05～0.1之间；

6)伺服电机——丝杠螺母副系统的运动线速度：V；(mm/s)

7)土工模型试验样品10的平均应变位移速度：v。(mm/s)

对应的系统主要性能指标如下：

1)系统测量应变位移量的最大有效量程：L_max；

2)系统测量应变位移量的最高分辨率：σ₂L_min；

3)系统测量应变位移量的最低分辨率：σ₁L_max；

4)低分辨率运行状态的单次平均覆盖时间：

5)高分辨率运行状态的单次平均覆盖时间：

6)系统高分辨率运行状态覆盖率：V/(V+v)。

实施例，基于本系统的操作流程如下：

1、依据大量程激光位移传感器5的测距起始距离与量程参数布设支架位置，使大量程激光位移传感器5的有效测距范围能够完全覆盖试验样品的应变位移极限，其后进入步骤2；

2、在试验开始时，将试样应变位移起始量初始化为Δl＝0，其后进入步骤3；

3、记录小量程激光位移传感器3的测量结果，记为l₀，并将其作为计算应变位移变化量的起始点，其后进入步骤4；

4、使用测控计算机同时对两个激光位移传感器的输出信号进行实时采集，在小量程激光位移传感器3的输出信号值处于σ_ΔL_min～(1-σ_Δ)L_min之间时，采用小量程激光位移传感器3的测量结果对试验样品的应变位移变化量进行计算——获得小量程激光位移传感器3的测量结果为l₁，则试样应变位移变化量为ΔL＝Δl+l₁-l₀，将ΔL作为试验结果进行记录，并提供给真三轴试验系统作为应变反馈，其后进入步骤5；

5、在小量程激光位移传感器3的输出信号值大于等于(1-σ_Δ)L_min或小于等于σ_ΔL_min时，记录此时大量程激光位移传感器5的测量结果为L₀，并更新试样应变位移起始量Δl＝ΔL，然后通过测控计算机向伺服驱动器发送电机启动指令，其后进入步骤6；

6、伺服驱动器以小量程激光位移传感器3的输出信号作为位移反馈，当伺服驱动器接收到来自测控计算机的电机启动指令后，立刻开始以小量程激光位移传感器3的输出信号中位作为控制目标控制伺服电机的运转，其后进入步骤7；

7、采用大量程激光位移传感器5的测量结果对试样应变位移变化量进行计算——获得大量程激光位移传感器5的测量结果为L₁，则试样应变位移变化量为ΔL＝Δl+L₁-L₀，将ΔL作为试验结果进行记录，并提供给真三轴试验系统作为应变反馈，其后进入步骤8；

8、根据预先设置的位移控制精度(如0.5％FS)，在判定伺服驱动系统拖动小量程激光位移传感器3到达其输出信号中位时，测控计算机向伺服驱动器发送电机停止指令，并在确认电机完全停转后更新试样应变位移起始量Δl＝ΔL，然后进入步骤9，否则回到步骤7；

9、试验结束则终止流程，并输出试验结果，否则回到步骤3。

本专利提出了一种基于组合使用两个不同量程激光位移传感器以实现对真三轴试验系统模型应变量进行更高精度测量的方法。该方法同时使用大小两种量程的激光位移传感器开展测量工作，通过小量程激光位移传感器3跟随试验中模型应变所产生的外部边界位移变化进行同步运动，使小量程激光位移传感器3的高分辨率优势能够在整个测量过程中发挥作用；并将大量程激光位移传感器5用于填充小量程激光位移传感器3在随动过程中出现的测量断点，以保证整个测量过程的连续性。本专利方法解决了大型土工真三轴系统对激光位移传感器较大的量程要求与传感器固有分辨率限制之间的矛盾。通过对小量程激光位移传感器3的选择，可使大型土工真三轴试验在应变量的测量精度上获得1～2个数量级的提升，从而克服了试验系统应变量检测精度不足的问题。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种土工真三轴试验高精度应变测量系统，包括测控计算机和激光位移传感器，其特征在于：还包括伺服电机和水平安装的滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副的螺母部与所述伺服电机的转动端固定连接，所述激光位移传感器包括大量程激光位移传感器和小量程激光位移传感器，所述小量程激光位移传感器固定安装在所述滚珠丝杠螺母副的丝杠上，所述小量程激光位移传感器与所述大量程激光位移传感器的探头安装方向相互平行且均朝向土工模型试验样品，所述伺服电机通过伺服驱动器与所述测控计算机电连接，所述大量程激光位移传感器的信号输出端与所述测控计算机的第一信号输入端电连接，所述小量程激光位移传感器的信号输出端同时与所述测控计算机的第二信号输入端和所述伺服驱动器的反馈信号输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的土工真三轴试验高精度应变测量系统，其特征在于：所述测量系统还包括竖直放置的支架，所述支架由上而下依次固定安装有所述大量程激光位移传感器、导向筒和所述伺服电机，所述导向筒中设置有一根可以轴向运动的导向杆，所述小量程激光位移传感器与所述导向杆固定连接为一体。

3.根据权利要求2所述的土工真三轴试验高精度应变测量系统，其特征在于：所述导向杆与所述滚珠丝杠螺母副相互平行，且均与所述支架垂直。

4.根据权利要求2所述的土工真三轴试验高精度应变测量系统，其特征在于：所述滚珠丝杠螺母副中的丝杠、所述导向杆的有效运动长度均不低于所述大量程激光位移传感器的量程。

5.根据权利要求1所述的土工真三轴试验高精度应变测量系统，其特征在于：所述大量程激光位移传感器的量程不小于所述土工模型试验样品的单边最大应变位移量。

6.根据权利要求1所述的土工真三轴试验高精度应变测量系统，其特征在于：所述伺服电机为转子中空结构，所述伺服电机的转子内侧与所述滚珠丝杠螺母副中的螺母部固定连接。