一种电阻应变式管状压力传感器及压力场测试方法技术

本发明专利技术公开了一种电阻应变式管状压力传感器及压力场测试方法。传感器管节包括高强度马氏体不锈钢材质的薄壁圆形管节和多枚沿管节内壁环向粘贴的箔式电阻应变计；箔式电阻应变计的敏感栅规格相同，且所有敏感栅的长度之和等于管节的内壁周长，敏感栅的长度方向与管节环向平行，依次首尾相接并在宽度方向沿管节轴向错开，在管节内壁环向上形成连续的360度封闭环向应变测量区。本发明专利技术能够测量缆索钢丝束内部压力场，消除传统压力传感器装置在压力测试时受到的“土拱效应”不利影响；结合本发明专利技术提供的压力测试计算方法，能够准确得到测点处围压的大小及其沿各个方向的分布情况；传感器管节和引线圆管通过柔性连接件串连后可以实现多点测量。

【技术实现步骤摘要】
一种电阻应变式管状压力传感器及压力场测试方法
本专利技术属于压力测试
，涉及固体介质的压力场测量，具体涉及一种电阻应变式管状压力传感器及压力场测试方法，适用于散粒体、缆索钢丝束、固体材料等固体介质的内部压力场的测试。
技术介绍
随着现代建筑、桥梁结构对大空间、大跨度、耐久性等功能需求，这些结构中采用的预应力拉索、悬索桥主缆等关键受力构件的机械性能的精细化研究越来越受到重视，拉索或主缆在局部需要通过索夹用预应力高强螺栓副紧固，因而其内部平行钢丝之间会产生巨大的径向挤压作用，对缆索钢丝内部压力场的测定是对此类型构件进行精细化研究的基础。目前对缆索钢丝内部压力的研究甚少，且研究以数值仿真方式进行，实际测量研究未见报道，这也反映出实际测量的困难性。岩土力学领域对土石混合体、高堆石坝筑料等颗粒材料力学特性的研究涉及到对介质内部压力场的测定。各类基础工程也广泛需要对特定部位的土压力进行测试。缆索钢丝束因其内部排列的随机性、钢丝之间为圆柱体接触等性质，造成预埋压力敏感元件与钢丝的具体接触位置是非确定的，经过调研，目前各类型的压力传感器均不能适用其内部压力场的测量研究。目前岩土力学、基础工程方面的土工试验主要采用土压力盒进行压力测量，土压力盒的测量原理导致其测量结果因受到土拱效应的影响，得到的测量值偏小，详见论文《模型试验中膜式土压力盒标定及其应用》(《岩土工程学报》2016年第5期)。
技术实现思路
本专利技术的目的用于解决基础设施建设中缆索构件精细化研究领域的钢丝束压力场测量问题，同时本专利技术提供的压力传感器对待测固体介质的类型具有普遍而灵活的适用性，待测固体介质包括且不限于土石混合体、仓储谷物堆积体等散粒体、缆索钢丝束、连续介质固体材料。实现本专利技术目的的技术方案如下：一种电阻应变式管状压力传感器，包括传感器管节；所述传感器管节包括高强度马氏体不锈钢材质的薄壁圆形管节和多枚沿管节内壁环向粘贴的箔式电阻应变计；所述箔式电阻应变计的敏感栅规格相同，且所有敏感栅的长度之和等于管节的内壁周长，敏感栅的长度方向与管节环向平行，依次首尾相接并在宽度方向沿管节轴向错开，在管节内壁环向上形成连续的360度封闭环向应变测量区。进一步地，包括一个以上传感器管节，还包括一个以上引线圆管和一个以上内插式柔性连接件；所述内插式柔性连接件包括两端的圆管和中间凸缘，圆管的外径等于传感器管节或引线圆管的内径，中间凸缘与传感器管节和引线圆管的外径均相等；传感器管节之间、或引线圆管之间、或传感器管节与引线圆管之间均通过内插式柔性连接件串连联结后贯通，所有箔式电阻应变计的连接导线由贯通的连续空腔引出。一种电阻应变式管状压力传感器的压力场测试方法，包括将传感器管节置于固体压力场中待测位置；采集所有箔式电阻应变计的应变测量值；计算得到测点处的压应力平均值其中，E为传感器管节材料的杨氏弹性模量，为传感器管节内壁所有箔式电阻应变计的应变测量值的平均值；N为传感器管节内壁所有箔式电阻应变计的总数，εi为第i枚箔式电阻应变计的测量值，以拉应变为正，压应变为负；K为传感器管节的灵敏度系数，d1为传感器管节的外直径，d2为传感器管节的内直径；利用有限单元法，建立传感器管节在围压荷载作用下的平面应变模型，以实测各方位角位置处箔式电阻应变计的测量值作为目标结果，以压应力平均值作为已知量，调整直至模型内壁环向应变值的数值计算结果与实测结果吻合，此时即为测点处压力场的压应力沿角度的分布结果。本专利技术的有益效果在于，能够测量缆索钢丝束内部压力场，消除传统压力传感器装置在压力测试时受到的“土拱效应”不利影响；传感器的测量力学原理明确，制造及标定方法简单，成本较低，测量误差来源少，灵敏度参数与量程可根据测量需要灵活选取设计；结合本专利技术提供的压力测试计算方法，能够准确得到测点处围压的大小及其沿各个方向的分布情况；传感器管节和引线圆管通过柔性连接件串连后可以实现多点测量；传感器外接动态应力采集仪能够实现压力场的动态测试。附图说明图1为传感器管节内壁展开示意图，图中显示了应变计的粘贴位置及应变计敏感栅长度与管节尺寸的相关关系；图2为传感器管节三维示意图；图3为内插式柔性连接件示意图；图4为组合式压力管传感器示意图；图中：1-传感器管节内壁展开、2-箔式应变计基底、3-箔式应变计敏感栅、4-内插式柔性连接件凸缘、5-引线圆管、6-内插式柔性连接件、7-传感器管节、8-引线圆管、9-传感器管节、10-应变计引出导线、11-待测压力的固体介质。具体实施方式本专利技术提供的压力传感器为电阻应变式管状压力传感器，其原理是：利用圆形管状高强度不锈钢弹性体内壁的变形测量其所处介质周围的压应力大小与分布，二者在力学原理上具有一致的对应关系；变形通过圆管内壁环向粘贴的箔式应变计测量。传感器的技术特征在于：薄壁圆形管节采用高强度马氏体不锈钢材质，(如17-4PH不锈钢，在480℃时效处理条件下屈服强度可达到1180MPa)，可以在较高的等效应力强度压力场中使用而不至使薄壁圆形钢管节产生塑性变形。根据传感器的测量原理，为了得到传感器周围介质的压应力大小及其沿角度方向的分布，需要知道钢管节内壁360°环向封闭范围内不同方位角处的环向应变，因此钢管内壁上箔式电阻应变计的排布需要满足的条件有：(1)应变计沿圆形钢管节的环向方向，即箔式电阻应变计的敏感栅长度方向与钢管节的环向保持平行关系。(2)各枚应变计在管节纵向上前后错开；在环向上它们的敏感栅区域首尾相接。(3)各枚电阻应变计采用相同规格的敏感栅区域长度，各枚电阻应变计的敏感栅区域长度的总和与钢管节的内壁周长保持一致，籍此保证粘贴时达到在钢管节内壁环向上形成连续的360度封闭环向应变测量区的效果。理论上减小单枚应变计敏感栅的长度尺寸而增加应变计的数量可以得到压应力沿角度方向分布的更精细的结果，实践上应变计的数量采用8枚是足够的。引线钢制圆管与传感器管节串连，应变计导线从二者组成的贯通的内部空腔中引出待测压力介质，从而与应变采集仪连接，组成惠斯通桥式电路，其具有高灵敏度，可以准确测量电阻变化。为了方便传感器安装，传感器管节与引线圆管之间宜采用内插式柔性连接件串连，连接件不应对传感器钢关节的自由变形产生影响，为此可采用铝合金、塑料、橡胶等柔性材质制造。为了不影响待测介质应力场的原始分布，引线圆管外径、连接件凸缘直径应与传感器管节外径一致。当多个传感器管节单元通过柔性接头、引线圆管串连后，构成组合式压力管传感器，可以对待测固体介质压力场进行多点同步测量；当外接动态应变采集仪时，可以对压力场进行动态测量。本专利技术提供的压力传感器首先测得的物理量是钢管节在压力作用时产生的环向应变，本专利技术提供相应的压应力计算方法。首先按式(2)计算各枚应变计测量值的平均值然后按式(1)计算得到测点处压应力平均值其中压力传感器管节的灵敏度系数K由其几何尺寸决定，按式(3)计算，根据压力测量量程需要，可以灵活调整传感器管节的几何参数；当传感器管节四周不同方位角作用的压应力q(θ)不均匀时，其内壁环向压应变ε(θ)也会不均匀，并且压应力q(θ)的分布与内壁环向压应变ε(θ)的分布具有一致对应关系，因此，方便地可以借助压力传感器管节有限单元平面应变计算模型，由各枚应变计测量值εi反算得到压应力q(θ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电阻应变式管状压力传感器，其特征在于，包括传感器管节(7)；所述传感器管节(7)包括高强度马氏体不锈钢材质的薄壁圆形管节和多枚沿管节内壁环向粘贴的箔式电阻应变计；所述箔式电阻应变计的敏感栅(3)规格相同，且所有敏感栅(3)的长度之和等于管节的内壁周长，敏感栅(3)的长度方向与管节环向平行，依次首尾相接并在宽度方向沿管节轴向错开，在管节内壁环向上形成连续的360度封闭环向应变测量区。

【技术特征摘要】
1.一种电阻应变式管状压力传感器，其特征在于，包括传感器管节(7)；所述传感器管节(7)包括高强度马氏体不锈钢材质的薄壁圆形管节和多枚沿管节内壁环向粘贴的箔式电阻应变计；所述箔式电阻应变计的敏感栅(3)规格相同，且所有敏感栅(3)的长度之和等于管节的内壁周长，敏感栅(3)的长度方向与管节环向平行，依次首尾相接并在宽度方向沿管节轴向错开，在管节内壁环向上形成连续的360度封闭环向应变测量区。2.如权利要求1所述的一种电阻应变式管状压力传感器，其特征在于，包括一个以上传感器管节(7)，还包括一个以上引线圆管(5)和一个以上内插式柔性连接件(6)；所述内插式柔性连接件(6)包括两端的圆管和中间凸缘(4)，圆管的外径等于传感器管节(7)或引线圆管(5)的内径，中间凸缘(4)与传感器管节(7)和引线圆管(5)的外径均相等；传感器管节(7)之间、或引线圆管(5)之间、或传感器管节(7)与引线圆管(5)之间均通过内插式柔性连接件...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗如松，沈锐利，王路，古占平，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51