新型电阻应变式土压力盒传感器的制作方法

本实用新型涉及岩土工程检测领域，尤其是一种电阻应变式土压力盒传感器。

背景技术：

土压力盒作为一种测量土压力的传感器，主要有三大类：电阻应变式、振弦式、光纤光栅式，被大量应用于实验室以及各类地下工程中。电阻应变式土压力盒具有高灵敏度、结构简单、体积小等优点，更适合于小比例的模型试验或室内模型试验。振弦式土压力盒抗干扰能力强、稳定性好，适用于基坑、隧道及坝体等地下结构工程的测试。光纤光栅土压力盒由于其抗电磁干扰、体积小、精度较高，大量应用于大型地质工程中。

电阻应变式土压力盒是利用粘贴于土压力盒受力膜上圆环形电阻应变片作为敏感元件，当土压力作用于受力膜时，电阻应变片随受力膜产生变形，利用电阻应变组成的电桥输出电压，通过测量电压的变化由标定曲线确定受力膜所受所到的压力作用大小。目前市售的环形应变片尺寸过小，使得在岩土模型测试中存在土压力盒灵敏度不足，抗干扰性较差的问题，迫切需要通过较大幅度提高压力盒的灵敏度，增加岩土变形引起的传感器输出量，从而降低误差率。

土压力盒的标定曲线对土压力测量起到关键的作用，许多学者为模拟土压力盒在实际应用时的工作状态，通过砂中标定试验或者硬土中进行标定试验，再经过修正来换算土压力值，但这种标定方法重复性较差且标定过程复杂。故目前土压力盒的标定主要是制造企业在出 厂前利用气压、或油压、或水压进行标定。工程与实验室的测试也需要有一种简便可靠的标定方法来确定标定曲线。

技术实现要素：

为了克服已有电阻应变式土压力盒传感器的灵敏度较低、标定复杂的不足，本实用新型提供一种灵敏度较高、标定简易的新型电阻应变式土压力盒传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型电阻应变式土压力盒传感器，包括土压力盒侧壁、土压力盒端盖，所述土压力盒侧壁固定在土压力端盖上，所述土压力盒侧壁一端设有受力膜，所述受力膜底面设置环形电阻应变片，所述传感器还包括外罩和橡胶传力块，所述土压力盒侧壁上套装所述外罩，所述外罩底面与受力膜之间设置所述橡胶传力块。

进一步，所述受力膜呈圆形，所述橡胶传力块为圆形橡胶块。

再进一步，所述外罩的内壁与所述土压力盒侧壁的外壁通过密封件连接。

所述环形电阻应变片包径向电阻R₁、R₃和环向电阻R₂、R₄，将径向电阻R₁、R₃靠近受力膜外边缘布置，将环向电阻R₂、R₄布置于受力膜中间区域。

第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄呈全桥电路。

本实用新型的技术构思为：通过分析土压力盒受力膜的受力变形特性，将圆环形应变片的径向敏感栅(电阻)尽可能布置到受力膜的边缘，将环向敏感栅布置在中心环向受拉区域，将利用电桥原理，使敏感栅组成全桥电路，成倍提高电桥的输出电压，同时将土压力盒受 力膜的全平面均布面荷载转换成局部面荷载，且作用于受力膜的中心区域内，可进一步提高受力膜的变形量，也即可提高土压力传感器的输出量。

本实用新型涉及的土压力盒为一埋入式传感器，其受力变形原理附如图1所示，当受力膜受水土压力q后在膜内产生环向应力和径向应力如式(1)和式(2)，附图2表示了受力膜受均布面荷载q后的沿直径的应力分布，其中σ_θ、σ_r分别代表环向应力和径向应力。

其中：q为受力膜受均布面荷载；σ_θ、σ_r分别为受力膜的环向应力和径向应力；r_r、r_θ分别为径向应力与环向应力为零处的半径；R为受力膜的外半径；t为受力膜的厚度；μ为受力膜材料的泊松比。

圆环形电阻应变片采用全桥测量，敏感元件R₁、R₃(径向电阻)和R₂、R₄(环向电阻)的应力方向必须相反。

将图2中作用于受力膜上的面荷载q的总荷载F(F＝πR²q)局部作用于受力膜上，即半径为a的范围内，设此时的面荷载为q^*，如附图3所示。相应的受力膜应力为式(3)～式(6)：

在相同压力F的作用下，圆板中心(r＝0)和边缘处(r＝R)应力近似为应变片R₂、R₄和R₁、R₃所在处应力，其应力比均大于1。当a 逐渐变小，σ^*/σ变大，即传感器输出量增加，相应的灵敏度逐渐提高；当a＝0.576R时，受力膜的应力增加1倍，相应的电桥输出电压差也增加1倍，也即土压力盒传感器在受到相同作用力的条件下，电阻应变片组成的电桥输出量增加了1倍，传感器的灵敏度也就提高了1倍。

根据圆形薄板的受力机理，对土压力盒受力膜在均布面荷载和局部面荷载作用下的应变分布以及电阻应变片的工作原理进行了分析，提出了一种提高圆环形电阻应变式土压力盒传感器灵敏度的方法；同时，通过标定试验确定一种简便的土压力盒标定曲线获得方法。

本实用新型的有益效果主要表现在：灵敏度较高、标定简易。

附图说明

图1是电阻应变式土压力盒传感器的受力原理示意图。

图2是受力膜应力-直径曲线图。

图3是受力膜局部受力示意图。

图4是受力膜外罩安装示意图。

图5是新型电阻应变式土压力盒传感器的标定示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图2～图5，一种新型电阻应变式土压力盒传感器，包括土压力盒侧壁3、土压力盒端盖4，所述土压力盒侧壁3固定在土压力端盖4上，所述土压力盒侧壁3一端设有受力膜1，所述受力膜1底面设置环形电阻应变片2，所述传感器还包括外罩7和橡胶传力块8，所述土压力盒侧壁3上套装所述外罩7，所述外罩7底面与受力膜1之间设置所述橡胶传力块8。

进一步，所述受力膜1呈圆形，所述橡胶传力块8为圆形橡胶块。

再进一步，所述外罩3的内壁与所述土压力盒侧壁3的外壁通过密封件连接。密封件采用环形密封圈槽和橡胶密封圈的形式。

所述环形电阻应变片2包括径向电阻R₁、R₃和环向电阻R₂、R₄，将径向电阻R₁、R₃靠近受力膜外边缘布置，将环向电阻R₂、R₄布置于受力膜中间区域。

第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄呈全桥电路。

本实施例中，根据岩土模型试验或岩土工程测试需要确定土压力盒传感器的受力膜大小R，加工土压力传感器(如图1)，利用现在市售的环形电阻应变片，将R₁、R₃靠近受力膜外边缘布置，将R₂、R₄布置于受力膜中间区域，也可以直接向电阻应变片制造商定制与受力膜大小R相配的环形电阻应变片。

本实用新型的核心除了明确电阻应变片敏感栅粘贴位置外，是在受力膜外侧加一个传力罩，将所测位置的水土压力通过一块圆形橡胶块传递给土压力受力膜，使受力膜实现局部区域(区域半径为a)受力，使受力膜变形量加大，从而实现传感器的输出灵敏度提高的目的。同时，此类传感器的受力膜不直接受水土压力作用，在标定与工程测试过程中受力膜变化更稳定，得到的标定曲线重复性及线性度均有较大幅度的提高，提高了此类传感器的测试精确性。在标定时可采用在传力罩上直接加载的方法获得荷载P(q＝P/πR²)与输出应变ε的关系曲线，不必用流体设备进行标定，可大大提高标定效率。

本实用新型的具体实施方案如下：

1).确定土压力传感器受力膜厚度

土压力盒受力膜是该类传感器的直接感应元件，粘贴其上的圆环形电阻应变片是二次敏感转换元件。一般情况下，受力膜是由弹性性能好的金属材料加工而成，影响受力膜受力性能的主要指标是受力膜的厚度t，过厚的t会降低传感器的灵敏度，过薄的t会使受力膜发生屈服，产生无法恢复的塑性变形，导致传感器的失效。受力膜的厚度可按式(7)确定：

其中：q为极限荷载(量程)，q＝P/πR²，f_y为受力膜材料的屈服强度，R为受力膜半径，P为土压力盒传感器受力膜上所受压力总量。

2).确定压力盒传感器其它部位尺寸

2.1)确定压力盒传感器的侧壁厚度，由于受力膜的计算模型是按周边固定支座的圆板，所以侧壁厚度要足够大，以保证受力膜的固支条件，同时要考虑压力盒上盖螺栓固定的要求，一般可取25t～30t，即R₁＝R+(25t～30t)。

2.2)压力盒上盖的厚度，压力盒上盖的厚度与传感器的测试效果关系不大，一般只需考虑出线等构造要求即可，可取20t左右。

3).受力膜外罩的尺寸的确定

3.1)外罩的连接方式，外罩除了将水土压力传递给受力膜外，还需要防止水压力直接作用于受力膜，需要采取密封措施，可通过在压力盒侧壁上开一个小槽，在槽内设橡胶密封圈9，利用密封圈实现密封(如附图4),外罩的内侧控制尺寸为R₁，需精加工以保证密封的实现。

3.2)外罩的尺寸设计，外罩作为传力件需要有一定的刚度，故外 罩的厚度要大于受力膜厚度，可取为t₁＝8t～10t，在外罩的内侧中心区域加工一个圆环，用于固定橡胶块的位置，其半径为a，a＝0.55～0.6R较合理。

3.3)外罩顶面内侧设橡胶传力块的限位环，环内半径与橡胶传力块外半径相同为a。

4).传力橡胶块的选择

4.1)橡胶块的性能，传力用的橡胶块，需要较好的弹性，同时需要考虑一定的变形能力以便能较好地与受力膜贴合。可以根据橡胶的弹性模量E来选择，可将橡胶块的压缩量控制在受极限荷载时其变形量不大于原厚的1/5，橡胶块的弹性模量为E≥5qR²/a²。

4.2)橡胶块的尺寸，橡胶块为圆形，半径取a，厚度可取10～12mm。

5).土压力盒的装配

5.1)与普通电阻应变式土压盒传感器的装配相似，按上述要求加工好土压力盒金属外壳，粘贴圆环形电阻应变片，当土压力盒受力膜半径远大于圆环形电阻应变片半径时，应将应变片剪开，使环形敏感栅和径向敏感栅分别粘贴在受力膜的外边缘和中心区域。

5.2)采用全桥接法将电阻应变片连接后从导线孔引出并对引出孔进行密封处理。

5.3)在土压力盒侧壁外侧密封圈槽内装上橡胶密封圈。

5.4)将橡胶传力块扣入受力膜外罩的传力块限位环内，再将传力外罩安装到受力膜上。

6).土压力盒的标定

此种土压力盒传感器的标定可直接利用砝码作为荷载进行标定(如图5)，可根据传感器的量程q换算成荷载值P_max，将P_max分成若 干级进行加载P₁、P₂、…、P_n，对应为水土压力q₁(q_i＝P_i/πR²)、q₂、…、q_n，同时记录应变仪读值ε₁、ε₂、…、ε_n，得到传感器的标定曲线(q-ε曲线)。

传感器的标定也可利用压力机等其它加载方式进行。