本發(fā)明涉及土壓力檢測領(lǐng)域，特別涉及一種用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器及其測量方法。

背景技術(shù)：

巖土介質(zhì)中土壓力測量是土力學(xué)理論和巖土工程實(shí)驗(yàn)研究中的一個(gè)重要內(nèi)容，大量巖土工程理論和實(shí)際中問題的解決，往往依靠現(xiàn)場模型或模型試驗(yàn)直接的測量結(jié)果，目前土測量的基本方法是采用將土壓力傳感器埋于土中或者埋于土中結(jié)構(gòu)物表面，進(jìn)而對(duì)土壓力進(jìn)行直接測量。由于相較其他測量方式條件更易達(dá)到，土壓力傳感器仍然是世界各國進(jìn)行土介質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的基本工具。

在實(shí)際運(yùn)用過程中，傳統(tǒng)的圓盤結(jié)構(gòu)的土壓力傳感器，在測量黃土及軟土壓力時(shí)，存在以下問題：

(1)多采用探井安裝的方式，施工周期長，難度大，成本高，尤其是在松軟巖土體或水下安裝時(shí)，施工困難，坍孔風(fēng)險(xiǎn)較大；

(2)安裝過程需要較大的工作面，造成傳感器周邊巖土體擾動(dòng)，改變了原來的應(yīng)力場，使得傳感器測出的實(shí)際壓力與真實(shí)壓力有誤差；

(3)一個(gè)傳感器僅能測定一個(gè)方向的土壓力；傳感器置于深部，傳感器本身無法偵測位置變化，在滑坡等監(jiān)測中，傳感器位置或角度變化，嚴(yán)重影響測量成果；

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器及其測量方法，簡化黃土及軟土的土壓力的測量，提高測量精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器，包括探頭外殼，所述探頭外殼包括用于連接觸探桿的探頭外殼卡扣部分以及與該探頭外殼卡扣部分連接的位于探頭外殼卡扣部分下方的探頭外殼上部；所述探頭外殼上部的側(cè)壁的下部由三個(gè)互為60°夾角的平面圍成，且三個(gè)互為60°夾角的平面之間的三條相交線不同時(shí)平行；在每個(gè)平面的中部位置開有圓形卡槽，所述圓形卡槽內(nèi)覆蓋并固定有剛性片，所述剛性片的中心固定有附著于其上的電阻應(yīng)變片；所述電阻應(yīng)變片通過信號(hào)引線與設(shè)于探頭外殼內(nèi)部的現(xiàn)場總線式采集模塊信號(hào)連接，所述現(xiàn)場總線式采集模塊通過傳感器引線與上位機(jī)信號(hào)連接；所述探頭外殼內(nèi)部還水平固定有電子羅盤，電子羅盤通過電子羅盤引線與上位機(jī)信號(hào)連接。

較佳地，所述圓形卡槽的直徑為30mm；所述剛性片為鋼片，鋼片的直徑為29mm，厚度為1mm；所述鋼片固定于所述圓形卡槽內(nèi)。

較佳地，所述探頭外殼上部的側(cè)壁為圓柱面，圓柱面的圓柱直徑為48mm。

較佳地，所述探頭外殼上部的中部開有用于引出傳感器引線以及電子羅盤引線的通孔。

較佳地，所述現(xiàn)場總線式采集模塊的信號(hào)輸出的傳感器引線、電子羅盤的信號(hào)輸出的電子羅盤引線的輸出信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換后，直接將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

較佳地，所述探頭外殼上部與探頭外殼卡扣部分之間的連接方式是卡扣連接；探頭外殼卡扣部分與觸探桿螺紋連接。

較佳地，所述現(xiàn)場總線式采集模塊采用舟正科技公司生產(chǎn)的型號(hào)為DAQM-4202的采集模塊。

用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器的測量方法，包括如下步驟：

第一步，先平整場地，放平壓入主機(jī)，以便使探頭外殼沿豎向與地面垂直，并下好地錨，以便固定壓入主機(jī)；

第二步，將多根能夠依次連接的鋼管作為觸探桿，將供電電纜線、傳感器引線以及電子羅盤引線穿入觸探桿，并將觸探桿與土壓力傳感器連接，接通電路，調(diào)整好儀器；

第三步，在壓力機(jī)械的作用下將土壓力傳感器和作為觸探桿的鋼管打入地底，在此過程中應(yīng)保持土壓力傳感器的探頭勻速垂直壓入土中；

第四步，將所述傳感器引線以及電子羅盤引線連接上位機(jī)，根據(jù)反饋回的信號(hào)判斷壓入位置和角度，調(diào)整至達(dá)到預(yù)期后，停止壓力機(jī)械作用，并取出鋼管及探頭外殼卡扣部分。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明實(shí)施例中，提供一種用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器及其測量方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用自壓入式結(jié)構(gòu)，在黃土及軟土地區(qū)測試土壓力時(shí)，不需要進(jìn)行回填，安裝迅速，節(jié)約成本。

2、本發(fā)明采用三相壓力傳感器和電子羅盤相結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)傳感器位置精確定位及壓力的更精準(zhǔn)測量。

3、本發(fā)明適用于測試地下水位以下土層的土壓力，解決了成孔難及成本高昂的問題。

5、通過現(xiàn)場總線式采集模塊采集應(yīng)變片及電子羅盤測量數(shù)據(jù)，直接放大傳輸減少信號(hào)衰減，使得信號(hào)不受干擾，提高測量精度。

本發(fā)明傳感器的體積小，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，成本較現(xiàn)有技術(shù)大大降低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明傳感器的內(nèi)部連接示意圖；

圖3是應(yīng)用本發(fā)明的傳感器進(jìn)行加載過程的工作原理圖。

附圖標(biāo)記說明：

1、傳感器引線；2、通孔；3、探頭外殼卡扣部分；4、探頭外殼上部；5、現(xiàn)場總線式采集模塊；6、電子羅盤；7、剛性片；8、電阻應(yīng)變片；9、觸探架；10、觸探桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器及其測量方法，其土壓力傳感器包括探頭外殼，所述探頭外殼包括用于連接觸探桿10的探頭外殼卡扣部分3以及與該探頭外殼卡扣部分3連接的位于探頭外殼卡扣部分3下方的探頭外殼上部4；所述探頭外殼上部4的側(cè)壁的下部由三個(gè)互為60°夾角的平面圍成，且三個(gè)互為60°夾角的平面之間的三條相交線不同時(shí)平行；即探頭外殼壓入部分為圓柱被三個(gè)互為60°夾角的三個(gè)平面所截得到的三棱錐形，便于進(jìn)行壓入操作；，在每個(gè)平面的中部位置開有圓形卡槽，所述圓形卡槽內(nèi)覆蓋并固定有剛性片7，所述剛性片7的中心固定有附著于其上的電阻應(yīng)變片8；所述電阻應(yīng)變片8通過信號(hào)引線與設(shè)于探頭外殼內(nèi)部的現(xiàn)場總線式采集模塊5信號(hào)連接，所述現(xiàn)場總線式采集模塊5通過傳感器引線1與上位機(jī)信號(hào)連接；所述電阻應(yīng)變片8的引線直接連接現(xiàn)場總線式采集模塊5，現(xiàn)場總線式采集模塊5引出四條導(dǎo)線電源正、電源負(fù)、A、B。現(xiàn)場總線式采集模塊具體采用舟正科技公司生產(chǎn)的型號(hào)為DAQM-4202的采集模塊(RS485總線8路模數(shù)隔離模擬量輸入)；所述探頭外殼內(nèi)部還水平固定有電子羅盤6，電子羅盤6通過電子羅盤引線與上位機(jī)信號(hào)連接，便于定位三向土壓力傳感器的檢測位置并提高測量精度。

如圖1、圖2所示，三個(gè)電阻應(yīng)變片8分別固定在三個(gè)剛性片7中心，三個(gè)剛性片7對(duì)應(yīng)固定在探頭外殼壓入部分的三向上(即三個(gè)斜面上)，電阻應(yīng)變片8的引線引出至現(xiàn)場總線式采集模塊5，現(xiàn)場總線式采集模塊5的四條引線再引出探頭；電子羅盤6水平固定于探頭外殼壓入部分內(nèi)部，亦連接現(xiàn)場總線式采集模塊5；電子羅盤6引出的正、負(fù)電源導(dǎo)線經(jīng)過12V-5V降壓模塊與現(xiàn)場總線式采集模塊5的電源正、負(fù)導(dǎo)線連接，接12V電源；最終輸出四條傳感器引線1從通孔2連出，可接至PC端。

進(jìn)一步地，所述圓形卡槽的直徑為30mm；所述剛性片7為鋼片，鋼片的直徑為29mm，厚度為1mm；所述鋼片固定于所述圓形卡槽內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述探頭外殼上部4的側(cè)壁為圓柱面，該圓柱面的圓柱直徑為48mm。探頭壓入部分(直徑50mm)比上部略大，壓入時(shí)探頭整體直接接觸土層面積小，摩擦力小，便于壓入操作。壓入時(shí)，上層硬土可通過打洞的方式處理，黃土及軟土部分可將三向土壓力傳感器組裝完畢后將引線穿過壓入管道，通過外界加壓的方式，配合電子羅盤6得到的數(shù)據(jù)，將三向土壓力傳感器壓入至預(yù)定位置，進(jìn)行測量。

進(jìn)一步地，所述探頭外殼上部4的中部開有用于引出傳感器引線1以及電子羅盤引線的通孔2。

進(jìn)一步地，所述現(xiàn)場總線式采集模塊5的信號(hào)輸出的傳感器引線1、電子羅盤6的信號(hào)輸出的電子羅盤引線的輸出信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換后，直接將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。數(shù)據(jù)分析部分，所述電子羅盤6可測出探頭所處的位置與Y三軸的夾角記為γ，測量得到的三個(gè)數(shù)據(jù)記為F1、F2、F3，那么，測得X軸方向的土壓力Y軸方向的土壓力Z軸方向的土壓力

進(jìn)一步地，所述探頭外殼上部4與探頭外殼卡扣部分3之間的連接方式是卡扣連接；探頭外殼卡扣部分3與觸探桿10螺紋連接。

用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器的測量方法，包括如下步驟：

第一步，先平整場地，放平壓入主機(jī)，以便使探頭外殼沿豎向與地面垂直，并下好地錨，以便固定壓入主機(jī)；

第二步，將多根能夠依次連接的鋼管作為觸探桿10，將供電電纜線、傳感器引線1以及電子羅盤引線穿入觸探桿10，并將觸探桿10與土壓力傳感器連接，接通電路，調(diào)整好儀器；

第三步，在壓力機(jī)械的作用下將土壓力傳感器和作為觸探桿10的鋼管打入地底，在此過程中應(yīng)保持土壓力傳感器的探頭勻速垂直壓入土中；其中觸探桿10通過觸探架9進(jìn)行支撐。

第四步，將所述傳感器引線1以及電子羅盤引線連接上位機(jī)，根據(jù)反饋回的信號(hào)判斷壓入位置和角度，調(diào)整至達(dá)到預(yù)期后，停止壓力機(jī)械作用，并取出鋼管及探頭外殼卡扣部分3。

圖3是應(yīng)用本發(fā)明的傳感器進(jìn)行加載過程的工作原理圖。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種用于黃土及軟土的壓入式三向土壓力傳感器，該土壓力傳感器包括探頭外殼、鋼片、電阻應(yīng)變片、電子羅盤、現(xiàn)場總線式采集模塊和傳感器引線，其中，探頭外殼壓入部分為直徑50mm的圓柱被三個(gè)互為60°的三個(gè)平面截得，三平面在中心部位開有直徑30mm的圓形卡槽，直徑29mm厚度1mm的鋼片中心貼有電阻應(yīng)變片并固定于圓形卡槽中央；電阻應(yīng)變片引線直接連接現(xiàn)場總線式采集模塊并通過傳感器引線可將數(shù)據(jù)直接傳至上位機(jī)；電子羅盤水平固定于探頭內(nèi)部，數(shù)據(jù)通過傳感器引線傳輸；便于定位三向土壓力傳感器的檢測位置并提高測量精度。從探頭引出的諸多傳感器引線可通過降壓模塊和轉(zhuǎn)換器經(jīng)轉(zhuǎn)換，最終輸出4條，引出可直接將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)入PC機(jī)及其他設(shè)備中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，操作方便。探頭外殼壓入部分直徑50mm，其他部分直徑48mm，探頭外殼壓入部分略大，壓入時(shí)探頭上部及壓入裝置直接接觸土層面積小，摩擦力小，便于壓入操作。本發(fā)明的土壓力傳感器為壓入式土壓力傳感器，適用于多種土壓力測量，尤其是不適宜打洞放入傳感器的黃土及軟土的土壓力測量，其探頭可以直接插入土中進(jìn)行壓力測量，相較于目前的其他軟土壓力測量方式，更加簡潔，操作簡單并且便宜。本發(fā)明的土壓力傳感器可測量三個(gè)方向的土壓力，并通過位置傳感器和方向測量模塊通過計(jì)算得出該位置的土壓力，避免了由于其他安裝方式造成的土壓力傳感器傾斜或達(dá)不到預(yù)定位置造成的土壓力測量誤差，相較于單相傳感器，精度更高。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用自壓入式結(jié)構(gòu)，在黃土及軟土地區(qū)測試土壓力時(shí)，不需要進(jìn)行回填，安裝迅速，節(jié)約成本。

2、本發(fā)明采用三相壓力傳感器和電子羅盤相結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)傳感器位置精確定位及壓力的更精準(zhǔn)測量。

3、本發(fā)明適用于測試地下水位以下土層的土壓力，解決了成孔難及成本高昂的問題。

5、通過現(xiàn)場總線式采集模塊采集應(yīng)變片及電子羅盤測量數(shù)據(jù)，直接放大傳輸減少信號(hào)衰減，使得信號(hào)不受干擾，提高測量精度。

本發(fā)明傳感器的體積小，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，成本較現(xiàn)有技術(shù)大大降低。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，但是，本發(fā)明實(shí)施例并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。