本發(fā)明涉及巖土工程檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是一種電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器。

背景技術(shù)：

土壓力盒作為一種測(cè)量土壓力的傳感器，主要有三大類：電阻應(yīng)變式、振弦式、光纖光柵式，被大量應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室以及各類地下工程中。電阻應(yīng)變式土壓力盒具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，更適合于小比例的模型試驗(yàn)或室內(nèi)模型試驗(yàn)。振弦式土壓力盒抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，適用于基坑、隧道及壩體等地下結(jié)構(gòu)工程的測(cè)試。光纖光柵土壓力盒由于其抗電磁干擾、體積小、精度較高，大量應(yīng)用于大型地質(zhì)工程中。

電阻應(yīng)變式土壓力盒是利用粘貼于土壓力盒受力膜上圓環(huán)形電阻應(yīng)變片作為敏感元件，當(dāng)土壓力作用于受力膜時(shí)，電阻應(yīng)變片隨受力膜產(chǎn)生變形，利用電阻應(yīng)變組成的電橋輸出電壓，通過測(cè)量電壓的變化由標(biāo)定曲線確定受力膜所受所到的壓力作用大小。目前市售的環(huán)形應(yīng)變片尺寸過小，使得在巖土模型測(cè)試中存在土壓力盒靈敏度不足，抗干擾性較差的問題，迫切需要通過較大幅度提高壓力盒的靈敏度，增加巖土變形引起的傳感器輸出量，從而降低誤差率。

土壓力盒的標(biāo)定曲線對(duì)土壓力測(cè)量起到關(guān)鍵的作用，許多學(xué)者為模擬土壓力盒在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的工作狀態(tài)，通過砂中標(biāo)定試驗(yàn)或者硬土中進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，再經(jīng)過修正來換算土壓力值，但這種標(biāo)定方法重復(fù)性較差且標(biāo)定過程復(fù)雜。故目前土壓力盒的標(biāo)定主要是制造企業(yè)在出廠前利用氣壓、或油壓、或水壓進(jìn)行標(biāo)定。工程與實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試也需要有一種簡(jiǎn)便可靠的標(biāo)定方法來確定標(biāo)定曲線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器的靈敏度較低、標(biāo)定復(fù)雜的不足，本發(fā)明提供一種靈敏度較高、標(biāo)定簡(jiǎn)易的新型電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種新型電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器，包括土壓力盒側(cè)壁、土壓力盒端蓋，所述土壓力盒側(cè)壁固定在土壓力端蓋上，所述土壓力盒側(cè)壁一端設(shè)有受力膜，所述受力膜底面設(shè)置環(huán)形電阻應(yīng)變片，所述傳感器還包括外罩和橡膠傳力塊，所述土壓力盒側(cè)壁上套裝所述外罩，所述外罩底面與受力膜之間設(shè)置所述橡膠傳力塊。

進(jìn)一步，所述受力膜呈圓形，所述橡膠傳力塊為圓形橡膠塊。

再進(jìn)一步，所述外罩的內(nèi)壁與所述土壓力盒側(cè)壁的外壁通過密封件連接。

所述環(huán)形電阻應(yīng)變片包徑向電阻R₁、R₃和環(huán)向電阻R₂、R₄，將徑向電阻R₁、R₃靠近受力膜外邊緣布置，將環(huán)向電阻R₂、R₄布置于受力膜中間區(qū)域。

第一電阻R₁、第二電阻R₂、第三電阻R₃和第四電阻R₄呈全橋電路。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：通過分析土壓力盒受力膜的受力變形特性，將圓環(huán)形應(yīng)變片的徑向敏感柵(電阻)盡可能布置到受力膜的邊緣，將環(huán)向敏感柵布置在中心環(huán)向受拉區(qū)域，將利用電橋原理，使敏感柵組成全橋電路，成倍提高電橋的輸出電壓，同時(shí)將土壓力盒受力膜的全平面均布面荷載轉(zhuǎn)換成局部面荷載，且作用于受力膜的中心區(qū)域內(nèi)，可進(jìn)一步提高受力膜的變形量，也即可提高土壓力傳感器的輸出量。

本發(fā)明涉及的土壓力盒為一埋入式傳感器，其受力變形原理附如圖1所示，當(dāng)受力膜受水土壓力q后在膜內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力如式(1)和式(2)，附圖2表示了受力膜受均布面荷載q后的沿直徑的應(yīng)力分布，其中σ_θ、σ_r分別代表環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。

${\mathrm{\σ}}_r=\±\frac{3}{8}\frac{q}{t^2}\[R^2(1+\mathrm{\μ})-r_r^2(3+\mathrm{\μ})\]---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\±\frac{3}{8}\frac{q}{t^2}\[R^2(1+\mathrm{\μ})-r_{\mathrm{\θ}}^2(1+3\mathrm{\μ})\]---\left(2\right)$

其中：q為受力膜受均布面荷載；σ_θ、σ_r分別為受力膜的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；r_r、r_θ分別為徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力為零處的半徑；R為受力膜的外半徑；t為受力膜的厚度；μ為受力膜材料的泊松比。

圓環(huán)形電阻應(yīng)變片采用全橋測(cè)量，敏感元件R₁、R₃(徑向電阻)和R₂、R₄(環(huán)向電阻)的應(yīng)力方向必須相反。

將圖2中作用于受力膜上的面荷載q的總荷載F(F＝πR²q)局部作用于受力膜上，即半徑為a的范圍內(nèi)，設(shè)此時(shí)的面荷載為q^*，如附圖3所示。相應(yīng)的受力膜應(yīng)力為式(3)～式(6)：

${\mathrm{\σ}}_r^{*}=\±\frac{6q^{*}}{t^2}\{-(3+\mathrm{\μ})\frac{r_r^{*2}}{16}+(1+\mathrm{\μ})\[\frac{a^2}{4}ln\frac{R}{a}+\frac{a^4}{16R^2}\]\},r_r^{*}\≤a---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^{*}=\±\frac{6q^{*}}{t^2}\{-(1+3\mathrm{\μ})\frac{r_{\mathrm{\θ}}^{*2}}{16}+(1+\mathrm{\μ})\[\frac{a^2}{4}ln\frac{R}{a}+\frac{a^4}{16R^2}\]\},r_{\mathrm{\θ}}^{*}\≤a---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_r^{*}=\±\frac{6q^{*}}{t^2}\[-(1+\mathrm{\μ})\frac{a^2}{4}ln\frac{r_r^{*}}{R}+(1+\mathrm{\μ})\frac{a^4}{16R^2}+(1-\mathrm{\μ})\frac{a^4}{16r_r^{*2}}-\frac{a^2}{4}\],a\≤r_r^{*}\≤R---\left(5\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^{*}=\±\frac{6q^{*}}{t^2}\[-(1+\mathrm{\μ})\frac{a^2}{4}ln\frac{r_{\mathrm{\θ}}^{*}}{R}+(1+\mathrm{\μ})\frac{a^4}{16R^2}-(1-\mathrm{\μ})\frac{a^4}{16r_{\mathrm{\θ}}^{*2}}-\frac{a^2\mathrm{\μ}}{4}\],a\≤r_{\mathrm{\θ}}^{*}\≤R---\left(6\right)$

在相同壓力F的作用下，圓板中心(r＝0)和邊緣處(r＝R)應(yīng)力近似為應(yīng)變片R₂、R₄和R₁、R₃所在處應(yīng)力，其應(yīng)力比均大于1。當(dāng)a逐漸變小，σ^*/σ變大，即傳感器輸出量增加，相應(yīng)的靈敏度逐漸提高；當(dāng)a＝0.576R時(shí)，受力膜的應(yīng)力增加1倍，相應(yīng)的電橋輸出電壓差也增加1倍，也即土壓力盒傳感器在受到相同作用力的條件下，電阻應(yīng)變片組成的電橋輸出量增加了1倍，傳感器的靈敏度也就提高了1倍。

根據(jù)圓形薄板的受力機(jī)理，對(duì)土壓力盒受力膜在均布面荷載和局部面荷載作用下的應(yīng)變分布以及電阻應(yīng)變片的工作原理進(jìn)行了分析，提出了一種提高圓環(huán)形電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器靈敏度的方法；同時(shí)，通過標(biāo)定試驗(yàn)確定一種簡(jiǎn)便的土壓力盒標(biāo)定曲線獲得方法。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：靈敏度較高、標(biāo)定簡(jiǎn)易。

附圖說明

圖1是電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器的受力原理示意圖。

圖2是受力膜應(yīng)力-直徑曲線圖。

圖3是受力膜局部受力示意圖。

圖4是受力膜外罩安裝示意圖。

圖5是新型電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器的標(biāo)定示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D2～圖5，一種新型電阻應(yīng)變式土壓力盒傳感器，包括土壓力盒側(cè)壁3、土壓力盒端蓋4，所述土壓力盒側(cè)壁3固定在土壓力端蓋4上，所述土壓力盒側(cè)壁3一端設(shè)有受力膜1，所述受力膜1底面設(shè)置環(huán)形電阻應(yīng)變片2，所述傳感器還包括外罩7和橡膠傳力塊8，所述土壓力盒側(cè)壁3上套裝所述外罩7，所述外罩7底面與受力膜1之間設(shè)置所述橡膠傳力塊8。

進(jìn)一步，所述受力膜1呈圓形，所述橡膠傳力塊8為圓形橡膠塊。

再進(jìn)一步，所述外罩3的內(nèi)壁與所述土壓力盒側(cè)壁3的外壁通過密封件連接。密封件采用環(huán)形密封圈槽和橡膠密封圈的形式。

所述環(huán)形電阻應(yīng)變片2包括徑向電阻R₁、R₃和環(huán)向電阻R₂、R₄，將徑向電阻R₁、R₃靠近受力膜外邊緣布置，將環(huán)向電阻R₂、R₄布置于受力膜中間區(qū)域。

第一電阻R₁、第二電阻R₂、第三電阻R₃和第四電阻R₄呈全橋電路。

本實(shí)施例中，根據(jù)巖土模型試驗(yàn)或巖土工程測(cè)試需要確定土壓力盒傳感器的受力膜大小R，加工土壓力傳感器(如圖1)，利用現(xiàn)在市售的環(huán)形電阻應(yīng)變片，將R₁、R₃靠近受力膜外邊緣布置，將R₂、R₄布置于受力膜中間區(qū)域，也可以直接向電阻應(yīng)變片制造商定制與受力膜大小R相配的環(huán)形電阻應(yīng)變片。

本發(fā)明的核心除了明確電阻應(yīng)變片敏感柵粘貼位置外，是在受力膜外側(cè)加一個(gè)傳力罩，將所測(cè)位置的水土壓力通過一塊圓形橡膠塊傳遞給土壓力受力膜，使受力膜實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域(區(qū)域半徑為a)受力，使受力膜變形量加大，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的輸出靈敏度提高的目的。同時(shí)，此類傳感器的受力膜不直接受水土壓力作用，在標(biāo)定與工程測(cè)試過程中受力膜變化更穩(wěn)定，得到的標(biāo)定曲線重復(fù)性及線性度均有較大幅度的提高，提高了此類傳感器的測(cè)試精確性。在標(biāo)定時(shí)可采用在傳力罩上直接加載的方法獲得荷載P(q＝P/πR²)與輸出應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系曲線，不必用流體設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，可大大提高標(biāo)定效率。

本發(fā)明的具體實(shí)施方案如下：

1).確定土壓力傳感器受力膜厚度

土壓力盒受力膜是該類傳感器的直接感應(yīng)元件，粘貼其上的圓環(huán)形電阻應(yīng)變片是二次敏感轉(zhuǎn)換元件。一般情況下，受力膜是由彈性性能好的金屬材料加工而成，影響受力膜受力性能的主要指標(biāo)是受力膜的厚度t，過厚的t會(huì)降低傳感器的靈敏度，過薄的t會(huì)使受力膜發(fā)生屈服，產(chǎn)生無法恢復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致傳感器的失效。受力膜的厚度可按式(7)確定：

$t\≥\sqrt{\frac{0.75q}{f_y}}R---\left(7\right)$

其中：q為極限荷載(量程)，q＝P/πR²，f_y為受力膜材料的屈服強(qiáng)度，R為受力膜半徑，P為土壓力盒傳感器受力膜上所受壓力總量。

2).確定壓力盒傳感器其它部位尺寸

2.1)確定壓力盒傳感器的側(cè)壁厚度，由于受力膜的計(jì)算模型是按周邊固定支座的圓板，所以側(cè)壁厚度要足夠大，以保證受力膜的固支條件，同時(shí)要考慮壓力盒上蓋螺栓固定的要求，一般可取25t～30t，即R₁＝R+(25t～30t)。

2.2)壓力盒上蓋的厚度，壓力盒上蓋的厚度與傳感器的測(cè)試效果關(guān)系不大，一般只需考慮出線等構(gòu)造要求即可，可取20t左右。

3).受力膜外罩的尺寸的確定

3.1)外罩的連接方式，外罩除了將水土壓力傳遞給受力膜外，還需要防止水壓力直接作用于受力膜，需要采取密封措施，可通過在壓力盒側(cè)壁上開一個(gè)小槽，在槽內(nèi)設(shè)橡膠密封圈9，利用密封圈實(shí)現(xiàn)密封(如附圖4),外罩的內(nèi)側(cè)控制尺寸為R₁，需精加工以保證密封的實(shí)現(xiàn)。

3.2)外罩的尺寸設(shè)計(jì)，外罩作為傳力件需要有一定的剛度，故外罩的厚度要大于受力膜厚度，可取為t₁＝8t～10t，在外罩的內(nèi)側(cè)中心區(qū)域加工一個(gè)圓環(huán)，用于固定橡膠塊的位置，其半徑為a，a＝0.55～0.6R較合理。

3.3)外罩頂面內(nèi)側(cè)設(shè)橡膠傳力塊的限位環(huán)，環(huán)內(nèi)半徑與橡膠傳力塊外半徑相同為a。

4).傳力橡膠塊的選擇

4.1)橡膠塊的性能，傳力用的橡膠塊，需要較好的彈性，同時(shí)需要考慮一定的變形能力以便能較好地與受力膜貼合。可以根據(jù)橡膠的彈性模量E來選擇，可將橡膠塊的壓縮量控制在受極限荷載時(shí)其變形量不大于原厚的1/5，橡膠塊的彈性模量為E≥5qR²/a²。

4.2)橡膠塊的尺寸，橡膠塊為圓形，半徑取a，厚度可取10～12mm。

5).土壓力盒的裝配

5.1)與普通電阻應(yīng)變式土壓盒傳感器的裝配相似，按上述要求加工好土壓力盒金屬外殼，粘貼圓環(huán)形電阻應(yīng)變片，當(dāng)土壓力盒受力膜半徑遠(yuǎn)大于圓環(huán)形電阻應(yīng)變片半徑時(shí)，應(yīng)將應(yīng)變片剪開，使環(huán)形敏感柵和徑向敏感柵分別粘貼在受力膜的外邊緣和中心區(qū)域。

5.2)采用全橋接法將電阻應(yīng)變片連接后從導(dǎo)線孔引出并對(duì)引出孔進(jìn)行密封處理。

5.3)在土壓力盒側(cè)壁外側(cè)密封圈槽內(nèi)裝上橡膠密封圈。

5.4)將橡膠傳力塊扣入受力膜外罩的傳力塊限位環(huán)內(nèi)，再將傳力外罩安裝到受力膜上。

6).土壓力盒的標(biāo)定

此種土壓力盒傳感器的標(biāo)定可直接利用法碼作為荷載進(jìn)行標(biāo)定(如圖5)，可根據(jù)傳感器的量程q換算成荷載值P_max，將P_max分成若干級(jí)進(jìn)行加載P₁、P₂、…、P_n，對(duì)應(yīng)為水土壓力q₁(q_i＝P_i/πR²)、q₂、…、q_n，同時(shí)記錄應(yīng)變儀讀值ε₁、ε₂、…、ε_n，得到傳感器的標(biāo)定曲線(q-ε曲線)。

傳感器的標(biāo)定也可利用壓力機(jī)等其它加載方式進(jìn)行。