一種用於巖土模型試驗內部微應變測量的方法及其裝置的製作方法
2023-05-23 17:37:06
專利名稱：一種用於巖土模型試驗內部微應變測量的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於工程測量領域，具體涉及一種微應變測量方法及其裝置，特別是一種用於巖土模型試驗內部微應變測量的方法及其裝置，用於巖土模型試驗內部微應變快速、準確的測量。
背景技術：
巖土模型試驗是巖土工程中一項重要的工作，由於巖土材料力學性質的複雜性和多變性，目前尚未有一種力學模型能夠較好地描述巖土體的各種力學性質，因此巖土模型試驗在理論研究與工程實踐中有著重要意義。巖土模型試驗中應變成果的質量取決於應變測量裝置的精度以及其安裝方式，而應變成果的質量的好壞直接影響到模型成果的正確性。目前，巖土模型內部應變的測量方法，往往採用在其內部布設一定數量的標點(通常用彩色小石子)，然後通過玻璃窗在外部量測，這種方法雖然應用很普遍，但其存在以下問題(I)觀測成果受標尺、讀數方法等影響，精度較低。在研究一些微小變形，如膨脹土的漲縮變形、粘土的沉降、黃土的振陷時，往往很難量測出來。(2)只能觀測玻璃窗附近的土體的變形，不能觀測其內部變形。(3)不能實現自動、快速地連續記錄。因此，研究一種可自動、連續準確測量巖土體內部微應變的方法及其裝置是十分必要的。
發明內容
針對上述現有技術中存在的缺陷和不足，本發明的目的在於，提供一種一種用於巖土模型試驗內部微應變測量的方法及其裝置，能夠快速、連續的準確測量巖土模型內部微應變，提高了巖土模型內部微應變測量成果的質量與精度。為了達到以上目的，本發明採用如下技術方案一種用於巖土模型內部微應變的測量方法，具體包括如下步驟步驟1:製作基板在測量開始之前，將3個霍爾位移傳感器固定在一個模具中，保證三者位於同一平面內且構成一邊長為3cm的等邊三角形；然後將環氧樹脂灌入模具，使其包圍霍爾位移傳感器且環氧樹脂不能蓋過霍爾位移傳感器的頂面；步驟2 :傳感器標定利用雷射對霍爾位移傳感器進行標定，得到標點與霍爾位移傳感器位移的標定曲線；步驟3 :基板及標點的埋設將標點埋入模型試驗箱中待測處的土體中，將該標點對應的基板固定在模型試驗箱內側，使作為標點的圓形磁鋼片與其對應的基板平行，且標點距該基板的距離與傳感器標定時兩者的距離一致。步驟4 :數據採集將霍爾位移傳感器的電源線通過電源模塊連接至直流電源，將其信號線連接至數據採集器，將數據採集器連接上位機；在測量開始前啟動數據採集器，記錄保存每個霍爾位移傳感器的初始信號並發送給上位機；測量開始後，標點隨土體內部的位移移動，霍爾位移傳感器發出信號，數據採集器以一定的頻率採集並記錄每個霍爾位移傳感器的輸出信號，試驗完畢共採集N次，每次的採集數據包括三個霍爾位移傳感器的輸出數據，並將採集到的信號發送給上位機；步驟5 :數據處理上位機通過數據採集器發送的初始信號得出標點的初始位置，也即測試開始前標點距每個霍爾式位移傳感器的距離；然後將某次採集到的三個霍爾位移傳感器的輸出值分別代入標定曲線對應的公式，得到該次採集數據時標點距每個霍爾位移傳感器的一組距離數據A、r2和r3，按照同樣的方式對每次採集的數據進行處理，共得到n組距離數據，其中，n表示試驗期內的採集次數；分別將每組距離數據A、r2、r3轉化為豎直向和水平向的位移分量。本發明的方法還包括如下其他技術特徵所述步驟5中的分別將每組距離數據r1、r2、r3轉化為豎直向和水平向的位移分量，具體操作過程如下I)以基板上三個霍爾位移傳感器構成的等邊三角形的中心作為原點建立坐標系，分別得到三個霍爾式位移傳感器的坐標值U1,匕)、(a2，b2)和(a3，b3);將某組距離數據A、 r2、r3以及「汍彡^知^^和「沘^代入下列方程組求解^導到某次採集數據時標點在坐標系中的坐標(m，n)；
(/W-Of1)2 +(W-^1)2 = T1< (m-Of1 )2 + (n-Zj1)2 = r2
(m -Q1)2 +(n- bx )2 = r3式中，Ca1, bj、(a2, b2)和(a3, b3)分別是三個霍爾位移傳感器的坐標值；r:> r2和r3分別是標點到三個霍爾位移傳感器的距離。2)按照I)的方法處理每組距離數據，得到每次採集數據時標點在坐標系中的坐標Cm1, Ii1), (m2, n2), ......, (mn, nn),其中，n 表示採集次數；3)分別將相鄰兩次採集數據時標點的坐標相減，得到標點的n組位移變化量，即為試驗期內巖土模型內部標點在採集周期內的豎直向位移分量和水平向位移分量(Am, AnX所述步驟3的基板及標點的埋設時，相鄰標點之間的距離不小於10cm。所述標點為尺寸D20*5mm的圓形，基板厚20_50mm，且三個霍爾位移傳感器組成的等邊三角形的邊長為3cm。上述用於巖土模型內部微應變的測量方法的測量裝置，其特徵在於，包括基板、測量電路、數據採集器和標點；其中，基板由3隻霍爾位移傳感器通過環氧樹脂澆鑄固定在模具內而成，3個霍爾效應傳感器位於同一平面內且組成等邊三角形，且環氧樹脂沒有埋過霍爾位移傳感器的頂面；測量電路包括直流電源和電源模塊，直流電源連接數據採集器為其供電，且直流電源通過電源模塊連接霍爾位移傳感器為其供電，數據採集器連接上位機；標點獨立於基板，可相對基板移動；標點被埋入模型試驗箱中待測處的土體中，標點對應的基板固定在模型試驗箱內側，使作為標點的圓形磁鋼片與其對應的基板平行；測量過程中，隨著標點位置發生變化時，三個霍爾位移傳感器接收到的信號發生變化，數據採集器的輸出信號發生變化，上位機用於根據數據採集器發送的信號變化進行數據處理，得到標點位置的連續變化值。本發明的裝置還包括如下其他技術特徵
所述標點採用釹鐵硼磁鋼或其他磁鋼。所述標點為圓形。所述三個霍爾位移傳感器組成的等邊三角形的邊長為3cm，標點的尺寸D20*5mm，基板厚20_50mm。所述直流電源的輸出電壓為24V。與現有技術相比，本發明的有益效果是(I)採用位置固定的、互成一定角度的多隻高精度霍爾位移元件，可準確量測標點的位置，理論精度可達0. Olmm ;(2)測量速度快，採樣速度可達5000次/S，可連續地測量巖土模型試驗內部的微小應變，滿足了動力試驗測量要求，適用於巖土模型試驗。(3)結構簡單，安裝、使用方便。
圖1是霍爾位移傳感器的安置平面圖。圖2是圖1的剖面圖。圖3是本發明的實施例中一個霍爾式位移傳感器位移的標定曲線。圖4、圖5和圖6分別是本發明的實施例中三個霍爾位移傳感器各自的擬合標定曲線。圖7是實驗模型靜置期豎向位移變化。圖8是實驗模型靜置期水平位移變化。以下結合附圖和工作原理對本發明作進一步解釋說明。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的用於巖土模型試驗內部微應變測量的裝置，包括基板、測量電路、數據採集器和標點；其中，基板由3隻霍爾位移傳感器通過環氧樹脂澆鑄固定在模具內而成，基板厚20-50mm，3個霍爾效應傳感器位於同一平面內且組成邊長為3cm的等邊三角形，且環氧樹脂沒有埋過霍爾位移傳感器的頂面。測量電路包括直流電源和電源模塊，該直流電源的輸出電壓為24V;直流電源連接數據採集器為其供電，且直流電源通過電源模塊連接霍爾位移傳感器為其供電，數據採集器連接上位機。標點獨立於基板，可相對基板移動。標點被埋入模型試驗箱中待測處的土體中，標點對應的基板固定在模型試驗箱內側，使作為標點的圓形磁鋼片與其對應的基板平行。測量過程中，隨著標點位置發生變化時，三個霍爾位移傳感器接收到的信號發生變化，數據採集器的輸出信號發生變化，上位機用於根據數據採集器發送的信號變化進行數據處理，得到標點位置的連續變化值。數據採集器採用阿爾泰公司生產的USB2852數據採集器，用於實時、連續的採集位移傳感器的輸出信號並進行記錄。標點採用釹鐵硼磁鋼或其他磁鋼；磁鋼為圓形；尺寸任意，建議選用D20*5mm。如圖1所示，本發明的用於巖土模型內部微應變的測量方法，具體包括如下步驟1、製作基板在測量開始之前，將3個霍爾位移傳感器固定在一個模具中，保證三者位於同一平面內且構成一邊長為3cm的等邊三角形；然後將環氧樹脂灌入模具，使其包圍霍爾位移傳感器且環氧樹脂不能蓋過霍爾位移傳感器的頂面。用環氧樹脂作為灌封膠包圍霍爾位移傳感器一方面是為了固定，另一方面是為了防止使用過程中樣土中水分影響霍爾位移傳感器工作。2、傳感器標定利用雷射對霍爾位移傳感器進行標定，得到標點與霍爾位移傳感器位移的標定曲線。3、基板及標點的埋設將標點埋入模型試驗箱中待測處的土體中，將該標點對應的基板固定在模型試驗箱內側，使作為標點的圓形磁鋼片與其對應的基板平行，且標點距該基板的距離與傳感器標定時兩者的距離一致。為防止磁鋼對土體中其他基板上的位移傳感器產生影響，相鄰標點之間的距離不小於10cm。4、數據採集將霍爾位移傳感器的電源線通過電源模塊連接至24V直流電源，將·其信號線連接至數據採集器，將數據採集器連接上位機；在測量開始前啟動數據採集器，記錄保存每個霍爾位移傳感器的初始信號(基準值)並發送給上位機；測量開始後，標點隨土體內部的位移移動，霍爾位移傳感器發出信號，數據採集器以一定的頻率採集並記錄每個霍爾位移傳感器的輸出信號，試驗完畢共採集N次，每次的採集數據包括三個霍爾位移傳感器的輸出數據，並將採集到的信號發送給上位機；採集的頻率根據試驗需要進行調整。5、數據處理上位機通過數據採集器發送的初始信號得出標點的初始位置，也即測試開始前標點距每個霍爾式位移傳感器的距離；然後將某次採集到的三個霍爾位移傳感器的輸出值分別代入標定曲線對應的公式，得到該次採集數據時標點距每個霍爾位移傳感器的一組距離數據IM2和r3，按照同樣的方式對每次採集的數據進行處理，共得到n組距離數據，其中，n表示試驗期內的採集次數；分別將每組距離數據r1、r2、r3轉化為豎直向和水平向的位移分量，具體操作如下I)以基板上三個霍爾位移傳感器構成的等邊三角形的中心作為原點建立坐標系，分別得到三個霍爾式位移傳感器的坐標值U1,匕)、(a2，b2)和(a3，b3);將某組距離數據A、r2、r3以及「汍彡^知^^和「沘^代入下列方程組求解^導到某次採集數據時標點在坐標系中的坐標(m，n)；
{pi — flj)" + (n—) =< (m -Of1)2 + (n -bx)2 = r2
(W1-Ql)2 +(n-b^2 =r3式中，Ca1, bj、(a2, b2)和(a3, b3)分別是三個霍爾位移傳感器的坐標值而、r2和r3分別是標點到三個霍爾位移傳感器的距離。2)按照I)的方法處理每組距離數據，得到每次採集數據時標點在坐標系中的坐標Cm1, Ii1), (m2, n2), ......, (mn, nn),其中，n 表示採集次數；3)分別將相鄰兩次採集數據時標點的坐標相減，得到標點的n組位移變化量，即為試驗期內巖土模型內部標點在採集周期內的豎直向位移分量和水平向位移分量(Am, AnX實施例為了測量膨脹土填方邊坡內部位移變化在大氣作用下的演化規律，在某膨脹土地區建立了模型試驗箱(長5m，寬2m，高2. 5m)，考慮到所用膨脹土的膨脹潛勢為弱膨脹性，其位移變化較小，常規模型試驗位移測量的方法和裝置不能滿足要求，尤其是測量精度難以保證。因此，採用霍爾位移傳感器來進行微小應變測量，具體過程如下1、製作基板首先，在測量之前進行基板的製作，並做好3個霍爾傳感器的供電及信號輸出電路線。在現場工作中，為保證霍爾位移傳感器呈等邊三角形分布且處於同一平面內(將圖1、圖2中的A、B、C三點分別安裝了一個霍爾位移傳感器)，採用單孔電路板來進行此項工作。固定好霍爾位移傳感器後，將單孔電路板裝入事先備好的塑料盒內，用環氧樹脂對塑料盒進行灌封，待其硬化。2、傳感器標定利用雷射對霍爾位移傳感器進行標定。由於現場基板製作時，人工操作可能產生 誤差，在此次試驗中對每個霍爾位移傳感器都進行單獨標定(如果是在室內，基板則可利用機械製作，誤差較小，無需單獨標定，只需一次標定即可)。得到標點與霍爾位移傳感器位移的標定曲線(見圖3)，該曲線總的標定距離為20mm。3、基板及標點的埋設在邊坡表層及底部的土體中需要量測的部位均布設標點，根據檢測需要共布置有5個標點，對每個標點對應配置一個基板進行測量，將每個基板在其對應的標點附近使用環氧樹脂黏貼至模型試驗箱內側。使作為標點的磁鋼與基板平行；標點距基板距離應與步驟2中的傳感器標定時的距離一致。可在標點和基板之間增加一塊玻璃板，標點與基板均緊貼玻璃板。為防止磁鋼對其他基板上的位移傳感器產生影響，相鄰標點之間的距離不小於IOcm04、數據採集將霍爾位移傳感器的電源線連接直流電源，將其信號線連接至數據採集器，將數據採集器連接至上位機。在測量開始前，啟動數據採集器採集每個霍爾位移傳感器的初始信號進行記錄保存；測量開始後，當土體產生位移，標點隨之移動，數據採集器採集並記錄每個霍爾位移傳感器的輸出信號，採集頻率為5min。數據採集器將採集到的信號發送給上位機，共採集n次數據。5、數據處理從步驟2得到的標定曲線看出，霍爾位移傳感器的輸出信號與位移呈非線性關係，且標定時總的標定距離為20mm。但實際的巖土試驗模型內部在試驗期內產生的變形並沒有這麼大，直接利用標定曲線會造成生誤差。因此，根據測量開始前保存的初始數據得到標點的初始位置(即標點距每個霍爾式位移傳感器的距離)，結合試驗期內的每個霍爾位移傳感器的輸出信號得到試驗期內標點位移量的範圍，在該範圍內用步驟2中的標定值進行重新擬合，這樣能夠提高數據的準確度。根據本次試驗的結果，得到如圖4-圖6的三條擬合標定曲線及它們分別對應的擬合公式1# 霍爾位移傳感器y=_21. 465Ln(x)+179. 62 (式 I)2# 霍爾位移傳感器y=_33. 187Ln (x) +272. 24 (式 2)3# 霍爾位移傳感器y=_19.481Ln(x)+164(式 3)式中，X為傳感器信號值mv, y為位移量，mm。將某次採集的一組三個傳感器輸出信號的實測值對應代入擬合公式(I) (3)，得到標點對於每個霍爾式位移傳感器的距離A、r2和r3，共得到n組距離數據。其中，n表示試驗期內的採集次數；但此時的數據並不能反應標點的位移變化，不能直接使用，需將其轉化為豎直向、水平向的位移分量。I)以基板上三個霍爾位移傳感器構成的等邊三角形的中心(見圖1、圖2中的0點)作為原點建立坐標系，分別得到三個霍爾式位移傳感器的坐標值U1, bi)、(a2，b2)和(a3，b3);將某組距離數據以及U1, bi)、(a2，b2)和(a3，b3)代入下列方程組求解，得到某次採集數據時標點在坐標系中的坐標(m, n)；
權利要求
1.一種用於巖土模型內部微應變的測量方法，其特徵在於，具體包括如下步驟步驟1:製作基板在測量開始之前，將3個霍爾位移傳感器固定在一個模具中，保證三者位於同一平面內且構成一邊長為3cm的等邊三角形；然後將環氧樹脂灌入模具，使其包圍霍爾位移傳感器且環氧樹脂不能蓋過霍爾位移傳感器的頂面；步驟2 :傳感器標定利用雷射對霍爾位移傳感器進行標定，得到標點與霍爾位移傳感器位移的標定曲線；步驟3 :基板及標點的埋設將標點埋入模型試驗箱中待測處的土體中，將該標點對應的基板固定在模型試驗箱內側，使作為標點的圓形磁鋼片與其對應的基板平行，且標點距該基板的距離與傳感器標定時兩者的距離一致。步驟4 :數據採集將霍爾位移傳感器的電源線通過電源模塊連接至直流電源，將其信號線連接至數據採集器，將數據採集器連接上位機；在測量開始前啟動數據採集器，記錄保存每個霍爾位移傳感器的初始信號並發送給上位機；測量開始後，標點隨土體內部的位移移動，霍爾位移傳感器發出信號，數據採集器以一定的頻率採集並記錄每個霍爾位移傳感器的輸出信號，試驗完畢共採集N次，每次的採集數據包括三個霍爾位移傳感器的輸出數據，並將採集到的信號發送給上位機；步驟5 :數據處理上位機通過數據採集器發送的初始信號得出標點的初始位置，也即測試開始前標點距每個霍爾式位移傳感器的距離；然後將某次採集到的三個霍爾位移傳感器的輸出值分別代入標定曲線對應的公式，得到該次採集數據時標點距每個霍爾位移傳感器的一組距離數據IM2和r3，按照同樣的方式對每次採集的數據進行處理，共得到η組距離數據，其中，η表示試驗期內的採集次數；分別將每組距離數據Γι、r2、r3轉化為豎直向和水平向的位移分量。
2.如權利要求1所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法，其特徵在於，所述步驟 5中的分別將每組距離數據Γι、r2、r3轉化為豎直向和水平向的位移分量，具體操作過程如下O以基板上三個霍爾位移傳感器構成的等邊三角形的中心作為原點建立坐標系，分別得到三個霍爾式位移傳感器的坐標值(a1; bi)、(a2，b2)和(a3，b3);將某組距離數據r2、 r3以及(a1; bi)、(a2，b2)和(a3，b3)代入下列方程組求解，得到某次採集數據時標點在坐標系中的坐標(m，η)；
3.如權利要求1所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法，其特徵在於，所述步驟3的基板及標點的埋設時，相鄰標點之間的距離不小於10cm。
4.如權利要求1所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法，其特徵在於，所述標點為尺寸D20*5mm的圓形，基板厚20_50mm，且三個霍爾位移傳感器組成的等邊三角形的邊長為 3cm。
5.權利要求1所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法的測量裝置，其特徵在於， 包括基板、測量電路、數據採集器和標點；其中，基板由3隻霍爾位移傳感器通過環氧樹脂澆鑄固定在模具內而成，3個霍爾效應傳感器位於同一平面內且組成等邊三角形，且環氧樹脂沒有埋過霍爾位移傳感器的頂面；測量電路包括直流電源和電源模塊，直流電源連接數據採集器為其供電，且直流電源通過電源模塊連接霍爾位移傳感器為其供電，數據採集器連接上位機；標點獨立於基板，可相對基板移動；標點被埋入模型試驗箱中待測處的土體中，標點對應的基板固定在模型試驗箱內側，使作為標點的圓形磁鋼片與其對應的基板平行；測量過程中，隨著標點位置發生變化時，三個霍爾位移傳感器接收到的信號發生變化， 數據採集器的輸出信號發生變化，上位機用於根據數據採集器發送的信號變化進行數據處理，得到標點位置的連續變化值。
6.如權利要求5所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法的測量裝置，其特徵在於，所述標點採用釹鐵硼磁鋼或其他磁鋼。
7.如權利要求5所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法的測量裝置，其特徵在於，所述標點為圓形。
8.如權利要求5所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法的測量裝置，其特徵在於，所述三個霍爾位移傳感器組成的等邊三角形的邊長為3cm，標點的尺寸D20*5mm，基板厚 20_50mm。
9.如權利要求5所述的用於巖土模型內部微應變的測量方法的測量裝置，所述直流電源的輸出電壓為24V。
全文摘要
本發明公開了一種用於巖土模型內部微應變的測量方法及其裝置將3個霍爾位移傳感器固定在模具中並用環氧樹脂灌入利用雷射對霍爾位移傳感器進行標定，得到標點與霍爾位移傳感器位移的標定曲線；將標點埋入模型試驗箱中待測處的土體中，將該標點對應的基板固定在模型試驗箱內側，使作為標點的圓形磁鋼片與其對應的基板平行，且標點距該基板的距離與傳感器標定時兩者的距離一致；數據採集；數據處理後得到每組距離數據的豎直、水平位移分量。本發明能夠快速、連續的準確測量巖土模型內部微應變，提高了巖土模型內部微應變測量成果的質量與精度。
文檔編號G01B7/16GK103017650SQ20121052099
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者王家鼎, 谷天峰, 趙金剛, 夏蒙 申請人:西北大學