一种振弦式土压力计中振弦的连接方法与流程

本发明属于土木工程测试仪器领域，涉及振弦式土压力计领域，具体涉及的是一种振弦式土压力计中振弦的连接方法的改进。

背景技术：

振弦式土压力计是测量土石坝、防波堤、高层建筑、桥墩、挡土墙、隧道、地铁、公路结构等建筑基础与土体的压应力的有效监测设备，同时也可用于了解被测结构物内部土压力变化量、埋设点的温度。

现有的振弦式土压力计通常由背板1’、感应板2’、信号传输电缆3’、振弦4’、支撑座5’及电磁线圈6’等组成，如图1所示。其中感应板2’以螺纹方式和背板1’连接，感应板2’与背板1’之间垫有直径为2mm的橡皮垫圈7’，振弦式土压力计的工作原理为当被测结构物内土应力发生变化时，感应板2’同步感受应力的变化，感应板2’将会产生变形，变形传递给振弦4’转变成振弦应力的变化，从而改变振弦4’的振动频率，电磁线圈6’激振振弦4’并测量其振动频率，频率信号经信号传输电缆3’传输至读数装置，即可测出被测结构物的压应力值，且可同步测出埋设点的温度值。目前振弦式土压力计广泛用于水利水电﹑公路铁路﹑桥梁隧洞﹑矿山﹑国防及建筑工程安全监测领域的物理量测量。

现有的振弦式土压力计的振弦采用螺钉紧固振弦的机械连接方式，具体连接方式如下：首先在夹固振弦4’的支撑座5’的夹板上加工大小适中的螺纹孔，然后将内六角螺钉8’旋入螺纹孔，通过旋紧内六角螺钉8’使支撑座5’的夹板产生夹紧力而将张紧的振弦4’夹固，但是这样的夹紧方式并不能永久固结。

振弦式土压力计长期处于复杂的动态工作环境中，当前的振弦式土压力计振弦的连接方式会导致出现以下问题：(1)由于采用螺钉紧固方式，随着使用时间的加长和振弦的振动，振弦会出现易松动，张力降低，振幅减小等情况；(2)振动的松动会导致传感器转换的数据出现较大误差，不能反映实际的测量值，无法满足测量仪器高精度结果的需求；(3)在振弦的支撑座的夹板上加工螺纹孔会降低其工作强度。

超声波焊接是利用超声频率的机械振动能量(超过16kHz)连接同种金属或异种金属的一种特殊方法，金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升。一些金属接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接。因此超声波焊接既有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化现象，也弥补了电弧焊焊接热量过高、熔断丝弦无法形成有效接头的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种振弦式土压力计中振弦的连接方法，该连接方法工艺简单，易于操作，连接完成后振弦不松动，得以实现振弦和支撑座的永久性结合，克服了振弦易松动的问题，使用寿命长，稳定性好，使得振弦式土压力计的测量数据精确。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种振弦式土压力计中振弦的连接方法，该连接方法基于振弦固定用的支撑座实现，所述支撑座包括铝制的左支撑座和右支撑座，所述左支撑座的上端和所述右支撑座的上端分别具有两片相对设置的夹板，在所述夹板之间形成供振弦穿过的夹缝，在所述左支撑座内沿所述左支撑座的长度方向开设一通孔，或者在所述右支撑座内沿所述右支撑座的长度方向开设一通孔；

该连接方法包括以下步骤：

(1)振弦的预处理：根据所述左支撑座和所述右支撑座的长度、两支撑座之间的距离，得到振弦位于所述夹缝内的相应长度，对位于所述夹缝内的振弦部分喷涂一层铝膜；

(2)振弦的固定：将振弦从所述左支撑座内的通孔或者所述右支撑座内的通孔穿过后，再反向穿入相应的支撑座的夹缝之间，振弦的一端卡固在通孔外，振弦的另一端通过滚轮张紧机构拉紧，并保持振弦与水平面平行；

(3)焊接点的确定：焊接点位于所述左支撑座的夹板的外表面上以及所述右支撑座的夹板的外表面上，所述左支撑座上的焊接点的中心与左支撑座的左边缘的间距为10-15mm且与左支撑座的上边缘的间距为5-10mm，所述右支撑座上的焊接点的中心与右支撑座的右边缘的间距为10-15mm且与右支撑座的上边缘的间距为5-10mm；

(4)超声波焊接：先将开设有所述通孔的所述左支撑座或者所述右支撑座放置于超声波焊接装置的两个声极之间，将各个声极分别对准相应的支撑座的焊接点，向所述左支撑座或者所述右支撑座施加超声波振动，自然冷却，使得位于所述左支撑座或者右支撑座的夹板间的振弦与夹板焊接成一体，再焊接另一个支撑座的振弦，最后剪去位于所述支撑座外多余的振弦，便完成振弦与所述支撑座之间的连接。

所述夹板之间的距离为0.25mm，所述通孔的直径为0.25mm。

步骤(4)中，焊接压力为14-18Mpa，焊接功率为4000-4500W，焊接振幅为18-20μm，焊接时间为1-1.5s。

步骤(4)中，焊接的同时向焊接点通入氩气或者氦气。

本发明一种振弦式土压力计中振弦的连接方法，采用超声波焊接的方式将振弦与支撑座固定连接在一起，具有以下有益效果：

(1)工艺简单，易于操作，连接完成后振弦不松动，达到张紧的振弦与支撑座的夹板达到永久性结合的目的；

(2)无需在支撑座的夹板上加工螺纹孔，克服了振弦易松动的问题，使用寿命长，稳定性好，使得振弦式土压力计的测量数据精确。

进一步，焊接过程的焊接振幅由焊件的厚度和材质决定，随着材料硬度及厚度的提高，选用的振幅值相应增大，选用范围为18～20μm；为了防止过大压力使摩擦力过大造成焊件之间相对运动减弱，焊接压力以14Mpa为宜，焊接时间是指超声波能量输入焊件的时间，焊点的形成有一个最小焊接时间，小于该焊接时间不足以破坏金属表面氧化膜而无法焊接，对于金属厚板的焊接时间一般不超过1.5s，因此焊接时间以1-1.5s为宜。

进一步，焊接时，为了防止铝制的支撑座的表面由于摩擦产生的温升造成氧化，可通入氩气或氦气进行保护。

附图说明

图1为现有的振弦式土压力计中振弦的连接示意图；

图2为本发明中左支撑座的正面结构示意图；

图3为本发明中左支撑座的侧视结构示意图；

图4为本发明中右支撑座的侧视结构示意图；

图5为本发明中振弦的预处理的示意图；

图6为本发明中支撑座与振弦连接的结构示意图；

图7为本发明中左支撑座与振弦焊接的示意图；

图8为本发明中右支撑座与振弦焊接的示意图；

图9为本发明中支撑座与振弦之间完成焊接的示意图。

图中：

背板 1’ 感应板 2’

信号传输电缆 3’ 振弦 4’

支撑座 5’ 电磁线圈 6’

橡皮垫圈 7’ 内六角螺钉 8’

左支撑座 1 夹板 11

夹缝 12 通孔 13

右支撑座 2 夹板 21

夹缝 22 振弦 3

定位轮 4 滚轮张紧机构 5

超声波焊接装置 6 声极 61

声极本体 611 半球形端面 612

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

一种振弦式土压力计中振弦的连接方法，该连接方法基于振弦固定用的支撑座实现，该连接方法包括以下步骤：

(1)支撑座上夹板的加工：如图2-图4所示，支撑座的材料为LY12铝合金，支撑座包括左支撑座1和右支撑座2，左支撑座1的上端和右支撑座2的上端分别具有两片相对设置的夹板，在左支撑座1的夹板11之间加工形成供振弦穿过的夹缝12，在右支撑座2的夹板21之间也加工形成供振弦穿过的夹缝22，夹缝12和22的宽度b为0.25mm，取负公差-0.1mm(即同一支撑座上两片夹板之间的间距为0.25mm)，在左支撑座1内沿左支撑座1的长度方向开设一通孔13，通孔13的直径D为0.25mm。

(2)振弦的预处理：如图3-图5所示，根据左支撑座1和右支撑座2的长度d、两支撑座之间的距离l，得到振弦3位于夹缝12和22内的相应长度，对位于夹缝12和22内的振弦部分喷涂一层铝膜。

(3)振弦的固定：如图3、图4和图6所示，将振弦3的第一端由左支撑座1的右端从通孔13穿过后，再反向从左支撑座1的左端依次穿入左支撑座1的夹缝12、右支撑座2的夹缝22内，振弦3的第二端通过定位轮4卡固在左支撑座1的通孔13外，振弦3的第一端通过滚轮张紧机构5拉紧，且保持振弦3与水平面平行。

(4)焊接点的确定：如图6所示，焊接点位于左支撑座1的两片夹板11的外表面上以及右支撑座2的两片夹板21的外表面上，左支撑座1上的焊接点的中心与左支撑座1的左边缘的间距S1为10-15mm且与左支撑座1的上边缘的间距S2为5-10mm，右支撑座2上的焊接点的中心与右支撑座2的右边缘的间距S3为10-15mm且与右支撑座的上边缘的间距S4为5-10mm。

(5)超声波焊接：如图3、图7-图9所示，先将开设有通孔13的左支撑座1放置于超声波焊接装置6的两个声极61之间，将各个声极61分别对准左支撑座1的夹板11上的焊接点，向左支撑座1的夹板11施加超声波振动，焊接压力为14Mpa，焊接功率为4000W，焊接振幅为18-20μm，焊接1-1.5s后停止超声波振动，自然冷却，使得位于左支撑座1的夹板11间的振弦3与夹板11焊接成一体，再用同样的方法焊接右支撑座2内的振弦3，最后在距离右支撑座2外5mm处剪去位于右支撑座2外多余的振弦3，便完成振弦3与支撑座之间的连接。

本发明一种振弦式土压力计中振弦的连接方法，采用超声波焊接的方式将振弦与支撑座固定连接在一起，具有以下有益效果：

(1)工艺简单，易于操作，连接完成后振弦不松动，达到张紧的振弦与支撑座的夹板达到永久性结合的目的；

(2)无需在支撑座的夹板上加工螺纹孔，克服了振弦易松动的问题，使用寿命长，稳定性好，使得振弦式土压力计的测量数据精确。

进一步，由于振弦3为钢丝弦，而支撑座由铝合金制作而成，对位于夹缝内的振弦部分喷涂一层铝膜，目的是由于同种金属对超声波感应的振幅一致，超声波焊接后能够使得位于夹缝内的振弦能够更好地与支撑座的夹板焊接在一起。

进一步，步骤(3)中，通过滚轮张紧机构5调节振弦张力(张紧程度)，使得振弦3的张紧程度满足振弦式土压力计的要求标准。

进一步，焊接过程的焊接振幅由焊件的厚度和材质决定，随着材料硬度及厚度的提高，选用的振幅值相应增大，选用范围为18-20μm；为了防止过大压力使摩擦力过大造成焊件之间相对运动减弱，焊接压力以14Mpa为宜，焊接时间是指超声波能量输入焊件的时间，焊点的形成有一个最小焊接时间，小于该焊接时间不足以破坏金属表面氧化膜而无法焊接，对于金属厚板的焊接时间一般不超过1.5s，因此焊接时间以1-1.5s为宜。

进一步，如图7所示，声极61包括声极本体611以及与焊接点接触的半球形端面612，声极本体611采用高速钢制作而成，半球形端面612采用轴承钢GCr15制作而成，半球形端面612的半径为25mm，焊接时，半球形端面612的中心与焊接点的中心相对齐，从而保证焊接效果。

进一步，焊接时，为了防止铝制的支撑座的表面由于摩擦产生的温升造成氧化，可在焊接点处通入氩气或氦气进行保护。

本发明中的滚轮张紧机构5、超声波焊接装置6均为本领域的公知设备。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。