一种土工真三轴试验高精度应变测量系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术能够实现优于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。

【技术实现步骤摘要】


本技术属于土工试验
，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。

技术介绍

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。

技术实现思路

本技术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。
本技术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。
本技术的有益效果在于：
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是本技术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
下面结合附图对本技术作进一步说明：
如图1所示，本技术包括测控计算机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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文颖，刘仕钊，宋琼，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：新型
国别省市：四川;51