一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法技术

本发明专利技术公开了一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法，土压传感器包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体。本发明专利技术中土压传感器与土体接触面采用软接触方式，通过正面开窗填入圆弧状柱体的传感器主壳体，土压传感器表面的软接触层受上层填筑土层影响变形挠曲形成与传感器主壳体齐平形状，使土压力作用于压阻式敏感元件；土压传感器的软接触层采用高弹性材料，高弹性材料的密度介于干砂与饱和砂之间，与铝合金材质和不锈钢材质相比，软接触层采用高弹性材料可有效减小土压传感器与土体介质之间的刚度匹配问题，从而提高土压传感器测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的准确性和可靠性。的准确性和可靠性。的准确性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法


[0001]本专利技术涉及土压传感器
，更具体的说，涉及一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法。

技术介绍

[0002]超重力离心模型试验是依托土工离心机高速旋转产生高离心力，补偿超重力离心模型中土层或岩土构筑物所受应力损失，达到与原型相近或相等的应力水平，当达到稳定高离心加速度条件(如50g～100g)时，通过施加压缩地震荷载(具有“高频10～300Hz”、“瞬时≤1s”、“强振动可达30g～60g”)，可较准确地呈现实际原型动力特性和失效机制，也是作为岩土工程领域一种重要的研究手段，在基础理论研究和工程应用研究中发挥了重要的作用。
[0003]但由于超重力离心模型尺寸较小(多为700(长)*300(宽)*400mm(高))，而微型土压传感器作为一种监测饱和/非饱和土体中土压力及侧向土压力的关键性量测传感器，与气压、水压等常规压力传感器测量介质(土体为非均匀和非弹性介质，气体、液体为均匀介质)存在较大差异，受嵌入效应、接触界面、尺寸效应、防水结构等方面等诸多因素影响，导致超重力离心试验中微型土压传感器测量的土压力数据准确性和可靠性存在较大误差(最高误差可达50％)。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术公开一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法，以提高土压传感器的测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的准确性和可靠性。
[0005]一种软接触式的土压传感器，包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体；
[0006]所述软接触层作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，用于安装在所述传感器主壳体的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至所述压阻式敏感元件；
[0007]所述压阻式敏感元件作为所述土压传感器的核心部分，用于将所述土压力物理变化转换为电压信号输出；
[0008]所述传感器主壳体具有内螺纹，用于通过所述内螺纹与所述螺纹保护壳匹配，以安装与保护所述压阻式敏感元件；还用于作为所述软接触层的载体；
[0009]所述宝塔式防断结构用于与所述传感器主壳体匹配，以安装铁氟龙防水管。
[0010]可选的，所述软接触层与土体的接触面为圆弧面，与所述压阻式敏感元件的接触面为平行面；
[0011]所述圆弧面用于在检测到土压力时，发生变形将额外的附加应力分散，并传递至所述平行面。
[0012]可选的，所述压阻式敏感元件包括：高压腔、敏感膜片、真空腔、金丝导线、无应力胶、接线端子、转换电路板和硅膜片保护壳；
[0013]所述高压腔为透明压力腔，用于与被测土压力相接触；
[0014]所述真空腔为透明压力腔，用于以真空环境为参考输出零点；
[0015]所述敏感膜片的两侧分别设置所述高压腔和所述真空腔，用于在所述高压腔和所述真空腔所受压力不同时，产生应变变化，并将所述应变变化转换为电压信号输出；
[0016]所述金丝导线用于将所述敏感膜片内设置的多个等值电阻连接构成惠斯顿电桥；
[0017]所述接线端子设置在所述转换电路板上，并与所述金丝导线连接；
[0018]所述转换电路板用于与所述压阻式敏感元件外部的四芯屏蔽线缆固定连接；
[0019]所述硅膜片保护壳正面开窗且内部为空腔结构，所述空腔结构用于安装所述高压腔、所述敏感膜片和所述真空腔，并在四周和表面填充所述无应力胶作为保护层。
[0020]可选的，所述传感器主壳体包括：软接触层定位槽、软接触层支撑梁、敏感元件安装腔和敏感元件定位槽，其中，所述敏感元件安装腔内部设置有所述内螺纹；
[0021]所述软接触层定位槽用于定位所述软接触层；
[0022]所述软接触层支撑梁用于支撑所述软接触层；
[0023]所述敏感元件安装腔用于放置所述压阻式敏感元件，并结合所述敏感元件定位槽对所述压阻式敏感元件进行定位，并在所述压阻式敏感元件完成定位和安装后，在剩余空间填充环氧树脂。
[0024]可选的，所述螺纹保护壳体包括：连接外螺纹和敏感元件支撑柱；
[0025]所述螺纹保护壳体通过所述连接外螺纹与所述传感器主壳体匹配，并通过所述敏感元件支撑柱对所述压阻式敏感元件进行支撑和固定。
[0026]可选的，还包括：四芯屏蔽线缆；
[0027]所述四芯屏蔽线缆与所述压阻式敏感元件固定连接。
[0028]可选的，还包括：所述铁氟龙防水管。
[0029]可选的，所述压阻式敏感元件为微型高频响压阻式敏感膜片。
[0030]一种土压传感器校准方法，应用于数据采集仪，所述数据采集仪与上述所述的土压传感器连接，所述土压力校准方法包括：
[0031]将待校准土压力传感器所需量测土层的最大理论土压力值划分为M个级别，M为正整数；
[0032]当所述待校准土压力传感器埋设至实际试验所对应的土层深度时，基于M个所述级别，向所述待校准土压力传感器逐级施加离心加速度荷载至预设值，得到每个所述级别下所述待校准土压力传感器的输出电压信号与各个离心加速度下土层深度对应的理论土压力值；
[0033]基于各所述级别对应的所述理论土压力值，利用最小二乘法曲线拟合方法，得到所述待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应离心加速度条件下所述理论土压力值的平均校准系数；
[0034]将所述待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应的所述平均校准系数相乘，得到所述待校准土压传感器在各个所述级别下的实测输出土压力值；
[0035]计算所述待校准土压传感器各个所述级别对应的所述实测输出土压力值与对应理论土压力值的偏差量；
[0036]基于各个所述偏差量确定所述待校准土压力传感器校准后的目标系数。
[0037]从上述的技术方案可知，本专利技术公开了一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法，土压传感器包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体，软接触层作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，安装在传感器主壳体的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至压阻式敏感元件，压阻式敏感元件作为土压传感器的核心部分，将土压力物理变化转换为电压信号输出，传感器主壳体不仅可以作为软接触层的载体，还可通过内螺纹与螺纹保护壳匹配，以安装与保护压阻式敏感元件，减少外力对压阻式敏感元件的影响，宝塔式防断结构与传感器主壳体匹配，以安装铁氟龙防水管。本专利技术中土压传感器与土体接触面采用软接触方式，通过正面开窗填入圆弧状柱体的传感器主壳体，土压传感器表面的软接触层受上层填筑土层影响变形挠曲形成与传感器主壳体齐平形状，使土压力作用于压阻式敏感元件；土压传感器的软接触层采用高弹性材料，而高弹性材料的密度介于干砂与饱和砂之间，与铝合金材质和不锈钢材质相比，软接触层采用的高弹性材料可有效减小土压传感器与土体介质之间的刚度匹配问题，从而提高了土压传感器的测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软接触式的土压传感器，其特征在于，包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体；所述软接触层作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，用于安装在所述传感器主壳体的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至所述压阻式敏感元件；所述压阻式敏感元件作为所述土压传感器的核心部分，用于将所述土压力物理变化转换为电压信号输出；所述传感器主壳体具有内螺纹，用于通过所述内螺纹与所述螺纹保护壳匹配，以安装与保护所述压阻式敏感元件；还用于作为所述软接触层的载体；所述宝塔式防断结构用于与所述传感器主壳体匹配，以安装铁氟龙防水管。2.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述软接触层与土体的接触面为圆弧面，与所述压阻式敏感元件的接触面为平行面；所述圆弧面用于在检测到土压力时，发生变形将额外的附加应力分散，并传递至所述平行面。3.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述压阻式敏感元件包括：高压腔、敏感膜片、真空腔、金丝导线、无应力胶、接线端子、转换电路板和硅膜片保护壳；所述高压腔为透明压力腔，用于与被测土压力相接触；所述真空腔为透明压力腔，用于以真空环境为参考输出零点；所述敏感膜片的两侧分别设置所述高压腔和所述真空腔，用于在所述高压腔和所述真空腔所受压力不同时，产生应变变化，并将所述应变变化转换为电压信号输出；所述金丝导线用于将所述敏感膜片内设置的多个等值电阻连接构成惠斯顿电桥；所述接线端子设置在所述转换电路板上，并与所述金丝导线连接；所述转换电路板用于与所述压阻式敏感元件外部的四芯屏蔽线缆固定连接；所述硅膜片保护壳正面开窗且内部为空腔结构，所述空腔结构用于安装所述高压腔、所述敏感膜片和所述真空腔，并在四周和表面填充所述无应力胶作为保护层。4.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述传感器主壳体包括：软接触层定位槽、软接触层支撑梁、敏感元件安装腔和敏感元件定位槽，其中，所述敏感元件安装腔内部设置有所述内螺纹；...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤兆光，王永志，杨阳，王体强，孙锐，段雪锋，张旭东，刘远鹏，
申请(专利权)人：中国地震局工程力学研究所，
类型：发明
国别省市：