专利名称：用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种位移计，具体地说是一种用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计。
背景技术：
以相似理论为基础的模型试验，起源于17世纪，经过几个世纪的发展和完善，到20世纪70年代，得到了空前的发展和广泛的应用，其应用领域几乎涉及科学研究的所有学科。地下洞室模型试验正是起始于这一时期，主要是由于交通、水电等工程中一些地下洞室的规模越来越大，需要认真研究其围岩的稳定性。这种需要有力地促进了地下洞室模型试验的发展；反过来，地下洞室模型试验解决了工程实际中的许多当时难以解决的问题，推动了大型地下洞室工程的建设。在国内，地下洞室模型试验开始于20世纪70年代末期80年代初期，也是由于工程建设的需要而发展起来的。进行地质力学模型试验，就必然要进行位移测量。位移测量多采用位移传感器进行测量，以下先对国内外一些主要应用于模型试验的位移测量方法和设备进行介绍-
(1) 在大朝山水电站岩壁吊车梁模型试验研究采用了百分表对位移标定进行位移测量，这种古老的方法无法应用无模型内部测点的测量。
(2) 总参工程兵科研三所研制了一套由模型块体内的预埋件和外部的千分表组成的联杆系统，解决了洞壁绝对位移的量测问题。这套系统采用千分表进行测量，精度较低。采用联杆件进行位移传递，占用模型内部空间大，并影响模型自身变形。
(3) 山东大学研制了一套由光栅尺，钢丝绳和模型块体内预埋件组成的多点位移计系统，测量精度高。它需要把位移通过钢丝绳传递到模型外部进行测量。当钢丝绳遇到洞室或其他不可穿越的结构时，就无法将位移传递到外部的光栅尺进行测量。
(4) 在三维模型中，地质构造(如断层或夹层)内部相对位移的测量十分重要，而内部位移传感器并没有现成的产品。长江科学院研制出一种高精度位移计，采用等强度梁的结构形式，用0. 5 mm厚的磷铜片制成，在梁上、下部共贴4片电阻片,组成全桥电路,使用时将其埋设在构造面的下盘,其上埋一个固定桩,这样就可以测量结构面上、下盘的相对位移。这种位移计可以埋设在模型内部，但是由于位移计只能埋设在测点附近，并采用固定桩进行位移传递，这样大大破坏了测点周边模型材料，并阻碍模型自身的变形，无法应用于多个洞室之间边墙的位移测量。
(5) 目前国内各厂生产和出售的传感器长度一般大于6厘米，而且直径较大，难以埋设于模型内部的较小空间内。
实用新型内容
本实用新型为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、灵敏度高、占用空间小、可调节的用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计。
本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的 一种用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，包括弹簧钢片、钢丝绳、应变片等，钢丝绳的一端连接于弹簧片的自由端，
另一端与模型内部测点的固定片相连；弹簧片与钢丝绳连接一端上设有调节螺栓，其另一端
固定于厚钢条上，应变片设置于弹簧片与厚钢条连接端的根部，并通过信号线与信号接收处理装置相连接。
所述的钢丝绳外部设有塑料保护套管。
所述的测点固定片为圆钢片，其侧面上设有三个侧翼，端面中间设有小孔，钢丝绳穿过小孔与其连接。
所述的应变片在弹簧片的根部上下表面各贴有两片，并接成半桥电路。其中，信号接收处理装置是通用设备，在此不再赘述。本实用新型与国内外其他用于模型试验的位移计相比，微型内置悬臂梁式位移计具有如
下显著的技术优势与特点
(1) 小型化，占用空间小。悬臂梁式位移计采用固定片和钢丝绳来传递所测两点间的位
移，因体型小(长度为3~4厘米)，对测点周围材料破坏程度小。可以方便的埋设在模型内部。
(2) 灵敏度高。悬臂梁根部对位移相应灵敏，并且悬臂梁刚度小，对钢丝绳的拉力也小，
不会阻碍测点的位移。
(3) 构造简单，加工方便，成本低。所用的部件都可以很容易的买到，价格低，很具有经济优势。
(4) 可调节性。悬臂梁式位移计埋设到模型内部后，若因为其他因素使位移计初始状态改变，可以通过调节装置改变其初始状态，使其符合以后的量测要求。
(5) 可以埋设于模型内部。在无法将位移传递到模型外部进行测量时，可以将悬臂梁式位移计埋设在模型内部，引出信号线进行测量。
图l是本实用新型结构示意图；图2为本实用新型的使用状态图；图3是悬臂梁式弹性元件的力学模型其中l.调节螺栓，2.钢丝绳，3.弹簧片，4.应变片，5.厚钢条，6.模型体，7.测试端，8.固定端，9.导线，10.静态电阻应变仪。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
本实用新型的设计原理如下-
1.悬臂梁式弹性元件原理
如图3所示，悬臂梁AB的力臂长度为1， B端固定，自由端A点有作用力F，在梁的上表面C点贴有应变片，A、 C两点的距离为a。横截面为矩形，厚度为h，宽度为b.由材料力学可知，A点的挠度f与C点的应变e的关系为
s=3hmP212式中长度单位均为毫米，则m^a/1。
将上式微分即得灵敏度-
de/df=3hm/212
它与梁的厚度成正比，与梁的长度平方成反比。作用力(或称变形反力)F与挠度f的关系
为
F=Eb(h/l)3P4
由上式可见，改变材料弹性模量E或梁的宽度b，可调整变形反力的大小，而不影响挠度与应变的关系。2.测量电路
在梁的根部上下表面各贴两片应变变，接成半桥电路。这个可以消除温度应变，并且应变读数为2e,提高了灵敏度。
图1中，钢丝绳2的一端连接于弹簧3片的一端，钢丝绳2的另一端与模型内部测点的固定片相连；弹簧片3与钢丝绳2连接一端上设有调节螺栓1,调节螺栓1可以用来调节位移计的初始状态，避免位移计超过量测范围；弹簧片3另一端固定于厚钢条5上，作为悬臂梁的固定端；应变片4设置于弹簧片3与厚钢条5连接端的根部并通过信号线与信号接收处理装置相连接。钢丝绳2外部设有塑料管。固定片为圆钢片，其侧面上设有三个侧翼，端面中间设有小孔，钢丝绳2穿过小孔与其连接。应变片4在弹簧片3的根部上下表面各贴有两片，并接成半桥电路。其中，信号接收处理装置是现有设备，在此不再赘述。
钢丝绳2直径为0.5自，由7X7股细钢丝绞成，抗拉刚度大并且柔软，用于在位移计受拉时传递位移；应变片4贴在悬臂梁的根部，用来测量悬臂端位移而产生的悬臂梁根部应变。悬臂梁式位移计的悬臂梁为长28cm、厚lmm的弹簧片3。弹簧片3的侧向刚度很小，悬臂端发生位移所产生的反力也很小，不会对模型侧点的位移产生阻碍；弹簧片3为高强弹簧钢，弹性好，在悬臂梁根部的应变片达到极限应变时弹簧片3仍处于弹性阶段，可回复到初始状态，有效的增加了位移计的量程，也满足了位移计可重复性的要求；弹簧片3根部的应变对悬臂端的位移响应灵敏，在根部上下表面各贴两片应变片4，可接成半桥电路，这样可以消除温度应变，应变读数为实际应变的两倍，使得测量精度提高到0.005mm。悬臂梁式位移计在模型测点埋设所用部件尺寸小，钢丝绳2在模型内部所需要的空间小，对模型破坏小，不影响模型洞室边墙的变形。钢丝绳2另一端与模型内部测点的固定片相连，钢丝绳2采用直径lcm的塑料管保护，保证位移传递不受模型材料阻碍。固定片为直径8mm，厚2mm的圆钢片，三侧伸出8mm的侧翼，体积小，对模型内部侧点附近的材料破坏小，又能保证固定片能够与测点处模型材料固定牢固。固定片中间钻小孔，与钢丝绳2连接，安装时先埋设固定片，再固定位移计，最后连接钢丝绳2，这种分离式的装配方法适应了地质模型试验的特点，
5使得位移计能够很方便的埋设于模型内部。
图2所示，埋设于模型体6内部的悬臂梁式位移计测试端7通过钢丝绳2与设置于模型 体6内部的固定端8相连接。测试端7再通过导线9连接到静态电阻应变仪10上。
权利要求1. 一种用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，包括弹簧片、钢丝绳、应变片，其特征在于钢丝绳的两端分别连接于弹簧片上端和模型体内部测点处的固定片；在弹簧片上端设有调节螺栓，弹簧片下端固定于厚钢条上，应变片设置于靠近弹簧片下端的根部并通过信号线与信号接收处理装置相连接。
2. 根据权利要求1所述的用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，其特征在 于所述的钢丝绳外部设有塑料保护套管。
3. 根据权利要求1所述的用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，其特征在 于所述的固定片为圆钢片，其侧面上设有三个侧翼，端面中间设有小孔，钢丝绳穿过小孔 与固定片连接。
4. 根据权利要求1所述的用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，其特征在 于所述的应变片在弹簧片的根部上下表面各贴有两片，并接成半桥电路。
专利摘要本实用新型涉及一种用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，包括弹簧片、钢丝绳、应变片等，钢丝绳的两端分别连接于弹簧片上端和模型内部测点处；在弹簧片上端上设有调节螺栓。弹簧片下端固定于厚钢条上，应变片设置于靠近弹簧片下端的根部，并通过信号线与信号接收处理装置相连接。本实用新型具有如下优点(1)小型化，占用空间小。(2)灵敏度高。(3)构造简单，加工方便，成本低。(4)可调节性。(5)可以埋设于模型内部。可以将本位移计埋设在模型内部，引出信号线进行测量。
文档编号G01B7/02GK201266072SQ200820187740
公开日2009年7月1日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者孙林锋, 张乾兵, 朱维申, 李术才 申请人:山东大学