专利名称：基于全桥电测法的微型电阻式位移计的制作方法
技术领域：
本发明属于地质力学模型试验技术领域；特别涉及到一种用于地质力学模型试验中的简易微型电阻式位移计的结构设计。
背景技术：
地质力学模型试验能够模拟工程结构的应变、位移特点，又能近似模拟岩体断层等地质因素对工程结构稳定性的影响，因此其在水利、采矿、隧道等工程设计中有着极其重要的作用并得到了广泛的应用，例如中国的大中型拱坝基本都做过地质力学模型试验。地质力学模型试验中，在荷载作用下结构表面和基础岩体内部的位移情况是主要的测量内容，通过位移可以反映出结构及基础岩体的应力、应变情况及各部位的安全稳定性，进而得到工程的最终安全性分析结果。但是，地质力学模型试验需要测量比较多的点位移，而且有时候测点需要布置在岩体模型的内部；但是模型本身尺寸不大，位移测量装置不能过大以对结构及岩体应力分布状况产生影响。综上，地质力学模型试验需要一种微型、轻质、灵敏度高、稳定性好的位移测量装置。虽然近年来涌现出光纤传感器等高科技测量装置，但这些成本较高，而且易受干扰，严重阻碍了其的推广。山东大学曾申请过“用于地质力学模型试验的微型内置悬梁式位移计”(公开(公告)H:2009.01.14，公开(公告)号:CN101344372)。这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，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。该位移计采用半桥法测量，测量精度不高；而且，此发明更偏重测量岩体结构的内部位移值。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于全桥电测法的微型电阻式位移计，本发明可以测量坝体或岩体表面的位移，而且具有微型、轻质、灵敏度高、稳定性好的特点，特别适用于地质力学模型试验。本发明提出的一种基于全桥电测法的微型电阻式位移计，其特征在于，用于地质力学模型试验中的位移测量，该位移计主要包括薄铜片，测试螺栓，保护壳，4个应变片及其导线，带孔底座；其中，测试螺栓固定在薄铜片的上端，薄铜片的中部和下端置于保护壳中，薄铜片的中部两侧表面的相对位置粘接四个应变片，薄铜片的下部与底座固定；4个应变片分别与导线相连接组成全桥电路。该底座可为塑料底座，可由底板和竖板组成，底板一端为一圆孔，用于与地质力学模型固定，底座另一端也有一小圆孔，用于穿插4根导线；竖板结合在底板一端上开有两个孔，用于将底座与薄铜片下部通过固定螺栓固定。该薄铜片约为0.5mm厚的薄铜片，高度约为3.6cm,上窄下宽，上部最窄处约为0.9cm,下部最宽处约为1.5cm,薄铜片下部固定在塑料底座上；4个箔式电阻应变片置于铜片两侧表面中部，其中，第一应变片和第四应变片，第二应变片和第三应变片分别处于铜片两侧相同位置。该每个应变片表面均涂有石蜡加凡士林密封，用于防潮和隔温，以提高稳定性；该位移计的总体大小可为lcm*2cm*3.5cm。本发明的特点及有益结果:本位移计可以埋入基础岩体模型的内部，也可以布置在结构表面的测点。本位移计一端固定在铁架上，当另一端发生位移时，铜片会产生弯曲；使用全桥法测量铜片两面的应变差，进而换算得到铜片的位移值；本位移计将位移值转化为极其灵敏的电信号进行测量；而且本位移计只使用电阻片、薄铜片、细导线、塑料板等简单材料，加工、使用简单方便，大大节约了成本。本位移计构造、使用简单，成本较低；使用全桥法灵敏度高；位移计布置方便，可以测量坝体或岩体模型表面位移，也可以测量岩体模型内部位移；位移计尺寸较小，对结构应力分布影响较小；测量技术简单易学，成本低，易于推广使用。
图1为本发明的位移计侧视图；图2为本发明的俯视图；图3为图2的A-A剖面的正剖视图；图4为本发明的位移计后视图；图5为本发明的电路简化图；其中，I薄铜片，2测试螺栓(2-1螺母，2-2螺帽)，3保护壳，4应变片(4-1应变片1，4-2应变片2，4-3应变片3，4-4应变片4)，5固定螺栓(5_1固定螺栓1、5_2固定螺栓2)，6底座，7导线(导线A，导线B，导线C，导线D) ;R1、R2、R3、R4分别对应应变片1、2、3、4，A/C导线连接电源、B/D两端连接测量仪器。
具体实施例方式本发明提出的基于全桥电测法的微型电阻式位移计，结合附图及实施例详细说明如下:本发明提出的一种基于全桥电测法的微型电阻式位移计，其特征在于，用于地质力学模型试验中的位移测量，该位移计主要包括薄铜片，测试螺栓，保护壳，4个应变片及其导线，带孔底座；其中，测试螺栓固定在薄铜片的上端，薄铜片的中部和下端置于保护壳中，薄铜片的中部两侧表面的相对位置粘接四个应变片，薄铜片的下部与底座固定；4个应变片分别与导线相连接组成全桥电路。本实施例的结构如图1 4所示,该位移计的总体大小约lcm*2cm*3.5cm,相比于坝体模型尺寸可以忽略，所以对模型的应力分布影响较小。本实施例主要包括薄铜片1，测试螺栓2 (由螺母2-1和螺帽2-2组成)，保护壳3，4个应变片4 (第一应变片4_1，第二应变片4-2，第三应变片4-3和第四应变片4-4)及其导线(导线A，导线B，导线C，导线D)，带孔底座6 ;其中，测试螺栓2固定在薄铜片I的上端，薄铜片I的中部和下端置于保护壳3中，薄铜片I的中部两侧表面的相对位置粘接四个应变片4，薄铜片I的下部通过固定螺钉5-1、5-2与底座6固定；第一应变片4-1，第二应变片4-2，第三应变片4_3和第四应变片4-4分别与导线A，导线B，导线C，导线D相连接组成全桥电路。本位移计的各部件的具体实施方式
分别说明如下:本实施例的底座6为塑料底座，如图2、3所示，由底板和竖板组成，底板高约
0.6cm,长约3cm,厚约0.8cm,底板一端为一圆孔6-1,直径0.5cm,用于穿插螺栓与地质力学模型外部的固定点固定，将底座安置在模型外部的固定点上；底座另一端也有一小圆孔，直径约0.3cm，用于穿插4根导线；竖板结合在底板一端上，高约1cm，长约1.5cm，厚约
0.8cm，，开有两个孔，用于将薄铜片I下部通过固定螺栓5-1、5-2固定，如图3所示。本实施例的薄铜片I厚度0.5mm厚的薄铜片，高度约3.6cm,上窄下宽，上部最窄处
0.9cm,下部最宽出1.5cm,薄铜片下部使用2个固定通用源头螺栓5固定在塑料底座6上；铜片I顶部安置一测试螺栓2，螺丝长约1cm，采用通用圆头螺栓；铜片两侧表面中部各布置了 2个长度为0.5mm的箔式电阻应变片4，其中，第一应变片4_1和第四应变片4_4，第二应变片4-2和第三应变片4-3分别处于两侧相同位置，如图2所示；每个应变片表面均涂有石蜡加凡士林密封，用于防潮和隔温，以提高稳定性；本实施例采用4根导线7，每根导线再分开成2根细导线，使用全桥法连接将8根细导线和4个应变片相连接，连接方式见附图3、4及图5 ;保护壳3用0.5_厚的薄塑料片制成，恰将铜片的中下部围在其中，用于防止粉尘等对应变片的污染以及对试验数据的干扰，保护壳底部与基座间胶结固定。本位移计的测量 原理及工作过程说明如下:使用时，测量岩体内部位移时，位移计顶端的螺栓头埋入测量位置；测量结构表面位移时，位移计顶端的螺栓头紧挨测量位置，同时使铜片发生较小的弯曲；测量时底座固定在模型外固定点上；当测量位置发生位移时，螺栓也随着测量位置一起产生相同的位移；使铜片发生弯曲，铜片两端产生大小相等、方向相反的的应变ει= ε 2 = - ε 3 = - ε 4)。应变片测量公式:-二,K:.S 11);
R全桥法测量公式:
r π …— U ‘Μ' AR， MtΔ ./^十^-------=十&- —S4) (2广
4 a, Ju iL K, 4
I2J4应变仪全桥法接入电路读数:
4AUSds = = ε +ε2-ε3-ε4 =4ε} (3)；( ε ρ ε 2、ε 3、ε 4分别为应变片1、2、3、4的应变值；R1'R2、R3、R4分别为应变片1、
2、3、4的电阻值山为电压值；K为应变系数)；又因为模型试验中测量的位移准确值相对于铜片尺寸是小量，所以螺栓的位移值与铜片的弯曲值可以近似为线性，也就是位移值近似与ε ,呈线性关系，也就是与应变仪读数eds呈线性关。使用前，在率定架上使用千分表、应变仪对位移计进行率定，对测得的数据进行线性拟合，得到应变-位移曲线斜率；试验时，再对应变仪读数差乘以斜率就是测量的位移差。
(I)将位移计按照全桥法接入应变仪中，如图5所示，在率定架上使用千分表对位移计进行率定，对同一位移计测得的多组数据进行线性拟合，得到应变-位移曲线斜率；(2)测量内部位移时，将位移计的顶端螺栓埋入测量位置；测量表面位移时，将位移计的顶端螺栓紧靠测量位置的表面，同时使铜片发生较小的弯曲；使用螺栓将位移计的底座固定在模型外部的固定点上；(3)将位移计的全桥电路与应变仪连接好，如图5所示；(4)读取模型无加载时的应变仪的初始测量数据；(5)模型开始加载后，读取各加载量时的应变仪读数；(6)任意两次应变仪读数差乘以斜率就是两次加载量情况下的位移差，由于初始位移是0，所以测量时刻与初始时刻的应变仪读数差乘以率定的斜率就是测得的相应各加载量情况下的位移值。
权利要求
1.一种基于全桥电测法的微型电阻式位移计，其特征在于，用于地质力学模型试验中的位移测量，该位移计主要包括薄铜片，测试螺栓，保护壳，4个应变片及其导线，带孔底座；其中，测试螺栓固定在薄铜片的上端，薄铜片的中部和下端置于保护壳中，薄铜片的中部两侧表面的相对位置粘接四个应变片，薄铜片的下部与底座固定；4个应变片分别与导线相连接组成全桥电路。
2.如权利要求1所述位移计，其特征在于，该底座为塑料底座，由底板和竖板组成，底板一端为一圆孔，用于与地质力学模型固定，底座另一端也有一小圆孔，用于穿插4根导线；竖板结合在底板一端上开有两个孔，用于将底座与薄铜片下部通过固定螺栓固定。
3.如权利要求1所述位移计，其特征在于，该薄铜片为0.5mm厚的薄铜片，高度3.6cm,上窄下宽，上部最窄处0.9cm,下部最宽出1.5cm,薄铜片下部固定在塑料底座上；4个箔式电阻应变片置于铜片两侧表面中部，其中，第一应变片和第四应变片，第二应变片和第三应变片分别处于铜片两侧相同位置。
4.如权利要求1所述位移计,其特征在于,该每个应变片表面均涂有石蜡加凡士林密封，用于防潮和隔温，以提高稳定性。
5.如权利要求1所述位移计，其特征在于，该位移计的总体大小为lcm*2cm*3.5cm。
全文摘要
本发明涉及一种基于全桥电测法的微型电阻式位移计，属于地质力学模型试验技术领域；该位移计主要包括薄铜片，测试螺栓，保护壳，4个应变片及其导线，带孔底座；其中，测试螺栓固定在薄铜片的上端，薄铜片的中部和下端置于保护壳中，薄铜片的中部两侧表面的相对位置粘接四个应变片，薄铜片的下部与底座固定；4个应变片分别与导线相连接组成全桥电路。本发明可以测量坝体表面或岩体内部的位移，而且具有微型、轻质、灵敏度高、稳定性好的特点，特别适用于地质力学模型试验。
文档编号G01B7/02GK103175465SQ20131008822
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者刘耀儒, 杨强, 程立, 杨若琼 申请人:清华大学