专利名称：一种基于液压传动的双膜式土压力传感器的使用方法
技术领域：
本发明涉及一种测量边界土压力的基于液压传动的双膜式土压力传感器的使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术：
土压力是指挡土结构物背后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力， 土压力的大小直接决定着挡土构筑物及被挡土体的稳定和安全。现实中影响土压力的因素很多，如土体介质的物理力学性质及结构组成，挡土墙的变形和位移，填土表面荷载，地下水的情况，被挡土体的回填工艺等。众多的实践证明，观测土中的土压力结果相对比较准确，但观测土与构筑物的接触土压力效果尚不是十分理想，往往难以反应地基土的真实受力情况，即使在受力边界十分明显的条件下，接触土压力的监测也不是十分理想，监测值常远远小于理论计算值(欧智勇，詹金林，关于接触土压力观测的探讨，企业科技与发展 ,2007 年)。与本发明接近的技术是光纤光栅封装土压力传感器(参见文献周智，“光纤光栅封装土压力传感器”，发明专利说明书，2007年10月，授权公告号CN200962061)。该技术采用承压板加光纤光栅的结构对土压力进行测量。由于采用的是单膜板，易受土质种类和土压力偏心的影响，对各种环境的适应性较差；标定时，不同的土质对单膜板式传感器的标定曲线有较明显的影响，标定过程较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液压传动的双膜式土压力传感器的使用方法，通过采用双层膜片结构，解决了土压力分布不均和土质种类不同的影响，适应性强，标定简单。实现本发明的上述目的所采取的技术方案是双膜式土压力传感器的使用包括传感器的掩埋和信号的处理两个过程；传感器的掩埋过程中首先在实验室利用标定装置对土压力传感器进行标定，获取传感器的初始输出信号；然后选取要测量土压力的某深度的接触面，挖开周围土体，在接触界面的桩或者墙面上凿个平底孔，保持一次膜片3向外把土压力传感器放入孔中，注意保护外接传输线18 ；传感器的掩埋完成后，进入信号的处理过程，土压力传感器的一次膜片3会感受到土体的均布压力
进而发生挠度变化，传压油腔5的液压油在受到一次膜片3的挤压作用时，根据静止流体力学中静压强的等值性一个等值的均布压力约会作用在二次膜片4上，二次膜片4的中心会产生对应的挠度变化两和径向应变& ,带有传感元件的应变探头17感受到挠度变化和径向应变~后，产生受力之后的输出信号，根据输出信号相对于初始输出信号的变化量反算出土压力传感器感受到的均布土压力丹。所述的双膜式土压力传感器放入后，优选的实施方法土压力传感器凸出界面的高度为4 ’在填土过程中先用粒径小于10 i 的土质回填50 的高度，然后填充普通土， 并压实完成土压力传感器的埋设。所述的双膜式土压力传感器包括一次膜片3、二次膜片4、传压油腔5、油嘴2、密封螺钉6、壳体7、底盖8、引出孔9、应变探头17和外接传输线18 ；土压力传感器采用了双层膜片结构；一次膜片3通过边缘的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起，二次膜片4焊接在壳体7的内环上，一次膜片3和二次膜片4之间形成的传压油腔5通过油嘴2注满液压油，位于二次膜片4下方的带有传感元件的应变探头17通过壳体7内部的引出孔9与外接传输线18相连接，环氧树脂对弓I出孔9进行密封，最后壳体7与底盖8螺纹连接，构成基于液压传动的双膜式土压力传感器。其中，所述的二次膜片4的直径小于一次膜片3的直径；所述的传压油腔5可以通过内部的液压油把一次膜片3受的均布土压力等值传递到二次膜片4上；所述的一次膜片 3通过粘接在一次膜片3外环的环状膜片1与壳体7的外环粘接在一起；所述的液压油具有适宜的粘度和良好的抗压性；所述的引出孔9为壳体7内部沿直径方向为引线预留的细孔。其中，环状膜片1、油嘴2、一次膜片3、二次膜片4、密封螺钉6、壳体7、底盖8、引出孔9、应变片10、外接电缆11、圆球12、扇形固定块13、等强度悬臂梁14、光纤Bragg光栅 15、外接光缆16都是市场普通的元件。本方法的液压传递数学模型如下
当一次膜片受到一个均布压力Λ并达到稳定时，根据静止流体力学中静压强的等值
性，二次膜片也受到来自油体的均布压力约。根据圆形薄板小挠度变形理论，二次膜片产生的挠度为
3(1-^Xr22-ζ2)2,、
^% ⑴
式(1)中，&为二次膜片厚度，E2为二次膜片杨氏弹性模量，ft为二次膜片泊松比为二次膜片的半径，^为从二次膜片中心沿半径方向的距离。在二次膜片的中心处Ct=O),最大挠度为 % ―― ⑵
在二次膜片半径上的径向应变为
er = ^ (1 -A2X^-Sx2)(3)
St2E2
对于带有传感元件的应变探头，工作原理为
式(4)中，Δ於为应变探头的输出信号变化量，为应变，边为挠度。
把(2)、(3)式代入(4)式，则应变探头的信号变化量^^与勻布压力η的关系为
权利要求
1.一种基于液压传动的双膜式土压力传感器的使用方法，其特征是双膜式土压力传感器的使用包括传感器的掩埋和信号的处理两个过程；传感器的掩埋过程中首先在实验室利用标定装置对土压力传感器进行标定，获取传感器的初始输出信号；然后选取要测量土压力的某深度的接触面，挖开周围土体，在接触界面的桩或者墙面上凿个平底孔，保持一次膜片向外把土压力传感器放入孔中，注意保护外接传输线；传感器的掩埋完成后，进入信号的处理过程，土压力传感器的一次膜片会感受到土体的均布压力A)进而发生挠度变化，传压油腔的液压油在受到一次膜片的挤压作用时，根据静止流体力学中静压强的等值性一个等值的均布压力A会作用在二次膜片上，二次膜片的中心会产生对应的挠度变化％和径向应变Sr ,带有传感元件的应变探头感受到挠度变化0 和径向应变 后，产生受力之后的输出信号，根据输出信号相对于初始输出信号的变化量U广反算出土压力传感器感受到的均布土压力P0。
2.根据权利要求1所述的双膜式土压力传感器的使用方法，其特征是双膜式土压力传感器放入后，土压力传感器凸出界面的高度为4膽。
3.根据权利要求1所述的双膜式土压力传感器的使用方法，其特征是在填土过程中先用粒径小于10 f的土质回填50 ^的高度，然后填充普通土，并压实完成土压力传感器的埋设。
全文摘要
本发明提供了一种基于液压传动的双膜式土压力传感器的使用方法，属于光电子测量技术领域，使用方法包括传感器的掩埋和信号的处理两个过程；传感器的掩埋过程中首先在实验室利用标定装置对土压力传感器进行标定，获取传感器的初始输出信号；然后选取要测量土压力的某深度的接触面，挖开周围土体，在接触界面的桩或者墙面上凿个平底孔，保持一次膜片向外把土压力传感器放入孔中；传感器的掩埋完成后，进入信号的处理过程，根据输出信号相对于初始输出信号的变化量反算出土压力传感器感受到的均布土压力。本发明解决了土压力分布不均和土质种类不同的影响，适应性强，标定简单。
文档编号G01L25/00GK102519629SQ20111040063
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者曹敏, 李川, 王达达, 陈尔阔 申请人:云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院, 昆明理工大学