孔6导出。以应力测量单元中心为圆心，小于中心到凹槽底部的距离为半径扩通孔，内部装有无线传输模块5，当传感器采用无线传输信号时，导线经由约束板和凹槽之间的间隙和钻孔向压力柱内导入，并连接安装有电源的无线传输模块。当传感器采用有线传输信号时，导线经由约束板和凹槽之间的间隙和钻孔向压力柱外导出。
[0032]对于二维相似模拟试验来说，对于圆柱体来说，应力测量单元8柱面上的凸台环绕在整个柱面上成一整体，对应的传感器类型为薄膜压力传感器阵列，而对于正棱柱体来说则采用多个单点式薄膜压力传感器。
[0033]面板和约束板采用较硬的材料，防止使用过程中发生变形，影响测量精度。对于弧面面板是与圆柱面配合使用的，而平面面板是配合正多面柱体使用的，约束板优先选择摩擦最小的半圆形。约束板安装时涂抹润滑油，以减少其与压力柱凹槽的摩擦。
[0034]通过钻孔导出导线和护套管可以有效的保护传感器与导线，防止在试验过程中，因相似模拟材料瞬时位移过大(垮落)而损坏。
[0035]信号放大器9的实质作用是将微弱的信号放大，其内部有一个三极管和场效应管组成的放大电路，放大电路的功能是利用晶体管的作用，把输入的微弱信号不失真的放大到所需要的数值。对于信号放大器，首先其增益大而且稳定性较好，因为实验环境是比较恶劣的，在环境恶劣的情况下它的各项性能不能有太大的波动，否则会严重影响其工作效果；其次放大器的失真在合理的范围之内，所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形相比较发生了较大的变化，如果失真严重则放大器就会失去其本来的意义。由于薄膜压力传感器测到的应力变化的数据信号较微弱，经过信号放大器的放大可以采集到更精确的数据。
[0036]信号采集装置10是从系统外部采集数据并输入到系统内部然后送到上位机分析处理的一种装置。其功能是采集薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机。对于信号采集装置的要求是在保证系统具备采样精度的条件下，有尽可能高的采样速度，以满足实时处理、控制的要求。
[0037]数据处理装置11是将信号放大器传输来的数据信号进行加工、整理和分析。计算成各种分析指标，并对处理后的信息进行有序贮存。
[0038]相似模拟试验应力测试装置的工作过程是: (1)将压力柱、薄膜压力传感器2、受压板1、无线传输模块5、电源导线4组装，再采用聚乙烯薄膜封装；
(2)将每个薄膜压力传感器2按照测量应力的方向进行编号，以方便记录和分析；
(3)按照试验设计方案，将应力测量单元8埋设到相似材料中；
(4)在进行模拟开挖时，顶板变形造成应力应变变化，受压板I将应力变化传到薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列上；
(5)相似模拟试验台7连接信号放大器8，信号放大器8用来放大传感器信号，设置多个放大量级，实现多用途；信号放大器8将信号放大后传送给信号采集装置10 ;
(6)利用信号采集装置10采集数据并传输到数据处理装置11，进行数据的整理与分析。
[0039]实施例2:以圆柱作为应力测量单元图5~9所示，以圆柱作为应力测量单元。
[0040]在第二应力测量单元19的圆柱面上有一层凸台17，在凸台17上设有薄膜压力传感器阵列13，在凸台17上方设有第二受压板12，第二受压板12与薄膜压力传感器阵列13之间有微小间隙，使第二受压板受到的压力可以精确的传递到薄膜压力传感器阵列上。在压力柱端面上均匀的设有八个凹槽，用来约束受压板1，其形状可以为三角形、椭圆形或半圆形，优先选择半圆形，半圆形可减小约束板与凹槽之间的摩擦。约束板与压力柱端面间留有微小间隙，薄膜压力传感器阵列13引出导线，在第二应力测量单元凹槽底部设有第二钻孔15，其与约束板和第二凹槽14之间的间隙相通，导线通过上述间隙和第二钻孔15导出。以第二应力测量单元19中心为圆心，小于中心到凹槽底部的距离为半径扩通孔，内部装有第二无线传输模块16，当传感器采用无线传输信号时，导线经由约束板和第二凹槽14之间的间隙和第二钻孔15向压力柱内导入，并连接安装有电源的第二无线传输模块16。当传感器采用有线传输信号时，导线经由约束板和第二凹槽14之间的间隙和第二钻孔15向压力柱外导出。
[0041]对于二维相似模拟试验来说，对于圆柱体来说，当传感器采用无线传输信号时，压力柱中心部分是空心的，安装有无线传输模块，约束板与凹槽之间有微小间隙使受压板在受到较大压力时有活动间隙，保护约束板和受压板不受损坏；安装有无线传输模块的中心部分与凹槽之间设有钻孔，薄膜压力传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱内导入，与无线传输模块连接，压力信号经由无线传输模块向外导出；当传感器采用有线传输信号时，压力柱中心部分是实心的，约束板与凹槽之间有微小间隙使受压板在受到较大压力时有活动间隙，保护约束板和受压板不受损坏；压力柱的中心部分与凹槽之间设有钻孔，薄膜压力传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱外导出，连接信号放大器和信号采集装置。
[0042]相似模拟试验应力测试装置的工作过程是:
(1)将压力柱、薄膜压力传感器、第二受压板12、第二无线传输模块16、电源导线组装，再采用聚乙烯薄膜封装；
(2)将每个薄膜压力传感器按照测量应力的方向进行编号，以方便记录和分析；
(3)按照试验设计方案，将第二应力测量单元19埋设到相似材料中；
(4)在进行模拟开挖时，顶板变形造成应力应变变化，受力板将应力变化传到薄膜传感器阵列13上；
(5)第二相似模拟试验台18连接第二信号放大器20，第二信号放大器20用来放大传感器信号，设置多个放大量级，实现多用途；第二信号放大器20将信号放大后传送给第二信号采集装置21 ;
(6)利用第二信号采集装置21采集数据并传输到第二数据处理装置22，进行数据的整理与分析。
【主权项】
1.一种用于相似模拟试验的应力测试装置，包括应力测量单元，信号放大器，信号采集装置，数据处理装置；其特征在于: 所述应力测量单元包括压力柱、受压板、传感器、导线，压力柱的外表面上均匀设有凸台，凸台上设有传感器，传感器位于受压板内侧，在压力柱两底面上设有与各个柱面对应的凹槽，用来固定受压板，受压板由面板和两端的约束板组成，面板长度与压力柱厚度一致，面板宽度小于压力柱单个柱面的宽度且大于凸台的宽度，约束板与凹槽的形状相同，但其厚度和主平面的面积都比凹槽的厚度和主平面的面积小，导线一端连接传感器，另一端连接传输模块，导线外装有护套管； 若干个应力测量单元设置在相似模拟试验台内，相似模拟试验台连接信号放大器，信号放大器连接信号采集装置，信号采集装置连接数据处理装置。
2.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:所述压力柱为棱柱，传感器分布在每个柱面上，传感器外侧设有受压板，在棱柱两底面上均匀设有凹槽，凹槽与棱柱的柱面对应设置，用来约束受压板；所述受压板的面板为平面。
3.根据权利要求2所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:所述压力柱的横截面外接圆直径为15~30mm，厚度为10~30mmo
4.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:所述压力柱为圆柱体，传感器分布在整个柱面上，传感器外侧设有受压板，在圆柱体两底面上均匀设置6~8个凹槽，用来约束受压板；所述受压板的面板为弧形面。
5.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:所述传感器为薄膜压力传感器或薄膜压力传感器阵列。
6.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:所述传感器采用无线传输信号时，压力柱中心安装有无线传输模块，受压板的约束板与凹槽之间设有间隙，保护约束板和受压板不受损坏；安装有无线传输模块的压力柱中心部分与凹槽之间设有钻孔，传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱内导入，与无线传输模块连接，压力信号经由无线传输模块向外导出。
7.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:所述传感器采用有线传输信号时，压力柱中心部分为实心，约束板与凹槽之间有间隙，使受压板在受到较大压力时有活动间隙，保护约束板和受压板不受损坏；压力柱的中心部分与凹槽之间设有钻孔，传感器导出的导线经由约束板与凹槽之间的间隙和该钻孔向压力柱外导出，连接信号放大器和信号采集装置。
8.根据权利要求1所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:所述凹槽的形状为三角形、椭圆形或半圆形。
9.一种用于相似模拟试验的应力测试方法，采用权利要求1~8任一项所述的用于相似模拟试验的应力测试装置，其特征在于:包括以下步骤: (1)将压力柱、传感器、受压板、无线传输模块、电源导线组装，再采用聚乙烯薄膜封装； (2)将每个薄膜压力传感器按照测量应力的方向进行编号，以方便记录和分析； (3)按照试验设计方案，将应力测量单元埋设到相似模拟材料中； (4)在进行模拟开挖时，顶板变形造成应力应变变化，受力板将应力变化传到薄膜压力传感器或薄膜传感器阵列上； (5)相似模拟试验台连接信号放大器，信号放大器用来放大传感器信号，信号放大器将信号放大后传送给信号采集装置； (6)利用信号采集装置采集数据并传输到数据处理装置，进行数据的整理与分析。
【专利摘要】本发明公开了一种用于相似模拟试验的应力测试装置及方法，该装置包括应力测量单元，信号放大器，信号采集装置，数据处理装置；利用薄膜传感器（或传感器阵列）和承载装置同时测量多方向应力的装置。本发明解决了现有相似模拟应力测试装置中无法同时、有效、准确测量各个方向的应力的问题，并提高了试验结果的精确度。
【IPC分类】G01L5-00
【公开号】CN104729777
【申请号】CN201510151222
【发明人】冯国瑞, 张玉江, 郭峰, 白锦文, 章敏, 戚庭野, 郭育霞, 康立勋
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月1日