基于差压传感器的三轴试验体变监测装置的制作方法

本发明涉及岩土力学试验技术领域，尤其涉及用于对基础土体的抗剪强度进行测量的基于差压传感器的三轴试验体变监测装置。

背景技术：

土的强度是指在一定条件下土体抵抗剪切变形或破坏的能力，强度参数可以通过原位试验测定，也可以在实验室内通过剪切试验测定。原位试验的特点是简捷快速，并大体上在原位压力和原状结构等条件下进行，但相比于室内试验，原位试验无法改变应力条件、固结程度等从而获得相关规律。室内试验可根据不同情况模拟应力状态、排水条件等，随着室内试验仪器的发展，室内试验的重要性日益凸显。

室内试验根据仪器和实验条件可大致分为直剪试验、单剪试验、普通三轴试验、平面应变试验、真三轴试验、空心扭转试验等。除前两种较为简单的试验外，均需要在实验过程中测量测试土样的排水体积，目前除部分仪器如GDS岩土测试仪器可以通过反压控制器来测量排水体积外，大多是实验仪器都是外接体变计通过人工或仪器等方法测量排水体积。

经过相关技术文献检索发现，中国专利申请号201220251122.4，发明名称：一种三轴固结-剪切试验的体变连续监测装置，公开号CN 202661333U，该专利自述为：本实用新型公开了一种三轴固结-剪切试验的体变连续监测装置，涉及岩土力学实验技术领域。本实用新型的结构是：土样置于三轴压力室内上透水板和下透水板之间；上透水板、第1软塑胶管、第一控制阀门和第一体变管依次连接；下透水板第2软塑胶管、第2控制阀门和第2体变管依次连接；在之间设置摄像头、USB数据线和电脑一次连接，摄像头对准软塑胶管。该装置通过调整拍摄时间间隔和相片大小监测排水体积的变化，可在一定程度上摆脱人工读数的人力消耗，节约试验成本。但该装置存在的问题是摄像头拍照并不能直接转化为体变数据，后期仍存在人工读数的问题；另外，读取体变应保证视线和弯液面下沿平齐，该装置在排水过程中无法时刻保证摄像头位置与弯液面下沿水平，读数有误差，尤其在排水试验中，排水体积的变化对土样强度结果影响比较明显，这对实验结果会产生较大影响。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供基于差压传感器的三轴试验体变监测装置，其将体变转化为试验数据和实时监测，具有测量精度高、简化试验流程、节约大量人力等特点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

基于差压传感器的三轴试验体变监测装置，包括三轴试验仪、体变系统和数据采集系统；所述体变系统包括体变管、外管、三通阀、反压加压系统和压力检测系统，所述三轴试验仪通过一反压管与所述三通阀的第一通口连通，所述三通阀的第二通口与竖直设置的所述体变管的底部开口连通，所述体变管的顶部开口与套在其外的所述外管连通，所述反压加压系统与所述外管连通，所述三通阀的第三通口与所述压力检测系统的第一测试通口连通，所述外管底部与所述压力检测系统的第二测试通口连通，所述压力检测系统的数据输出端与所述数据采集系统连接。

较佳的，所述三轴试验仪包括围压室、动力设备、围压加压系统和轴向加压系统，一试样位于所述围压室内，所述围压加压系统通过一软塑胶管与所述围压室连通，所述试样底部通过一反压管与所述三通阀的第一通口连通，所述动力设备用以驱动所述围压室抬升，使得所述轴向加压系统对所述试样施加轴向压力。

进一步地，所述轴向加压系统包括试验架、第一固定杆、量力环和传力杆，所述试验架固定在水平面上，所述量力环与所述传力杆连接，所述量力环通过所述第一固定杆与所述试验架连接，所述传力杆用以对所述试样顶部施加轴向压力。

较佳的，所述压力检测系统包括两个三向阀和一差压传感器，所述外管底部通过其中一个所述三向阀与所述差压传感器的第二膜片连接，所述三通阀的第三通口通过另一个所述三向阀与所述差压传感器的第一膜片连接。

较佳的，所述数据采集系统包括数据转换装置和计算机，所述压力检测系统的数据输出端口与所述数据转换装置连接，所述数据转换装置与所述计算机连接。

较佳的，所述体变系统包括上底座、下底座和支撑杆，所述外管固定于所述上底座和所述下底座之间，而所述上底座和所述下底座通过四个所述支撑杆固定连接，所述下底座前端设有一开孔，所述开孔与所述外管底部连通，所述开孔处设有一排水开关。

较佳的，所述试样位于所述上透水板和所述下透水板之间。

较佳的，所述三通阀的材质为不锈钢。

较佳的，所述反压管为软塑胶管。

本发明所采用的技术方案带来的有益技术效果是：

本发明将反压加压、体变监测、数据记录和处理等功能整合在一套系统中，实现了在体变管中同时实现反压输入输出、试样排水体积监测、数据可视化转换和数据处理分析；

本发明提供的基于差压传感器的三轴试验体变监测装置可避免因拍摄照片而产生的后期人工读数和摄像头视线读数误差等缺点，通过将体变转化为试验数据并根据发展趋势实时监测，具有测量精度高、简化试验流程、节约大量人力等优点；

本发明大大提高了三轴试验在排水和剪切阶段的体变测量精度和测试效率，具有很强的实用性和推广价值。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图2是本发明一实施例的体变监测区下部的局部示意图；

图3是本发明一实施例的体变发展图。

图中，1-三轴试验仪；11-动力设备；12-围压室；13-上透水板；14-下透水板；15-试样；16-传力杆；17-量力环；18-第一固定杆；19-试验架；20-围压加压系统；21-反压管；3-体变系统；31-上底座；32-下底座；33-支撑杆；34-外管；35-体变管；36-反压加压系统；37-压力检测系统；371-三向阀；372-差压传感器；38-三通阀；39-反压输入管；40-第二固定杆；41-排水开关；5-数据采集系统；51-数据转换装置；52-计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

以下请综合参考图1至图3，基于差压传感器的三轴试验体变监测装置，包括三轴试验仪1、体变系统3和数据采集系统5；体变系统3包括体变管35、外管34、三通阀38、反压加压系统36和压力检测系统37，三轴试验仪1通过一反压管21与三通阀38的第一通口连通，三通阀38的第二通口与竖直设置的体变管35的底部开口连通，体变管35的顶部开口与套在其外的外管34连通，反压加压系统36与外管34连通，三通阀38的第三通口与压力检测系统37的第一测试通口连通，外管34底部与压力检测系统37的第二测试通口连通，压力检测系统37的数据输出端与数据采集系统5连接。

三轴试验仪1包括围压室12、动力设备11、围压加压系统20和轴向加压系统，一试样15位于围压室12内，围压加压系统20通过一软塑胶管与围压室12连通，试样15底部通过一反压管21与三通阀38的第一通口连通，动力设备11用以驱动围压室12抬升，使得轴向加压系统对试样15施加轴向压力。

轴向加压系统包括试验架19、第一固定杆18、量力环17和传力杆16，试验架19固定在水平面上，量力环17与传力杆16连接，量力环17通过第一固定杆18与试验架19连接，传力杆16用以对试样15顶部施加轴向压力。

反压管21为软塑胶管，用于提供试样15内部反压和试样15排水通路。

数据采集系统5包括数据转换装置51和计算机52，压力检测系统37的数据输出端口与数据转换装置51连接，数据转换装置51与计算机52连接，用以将排水体积转化为可视化数据，在计算机52软件中实时记录分析。

体变管35和外管34通过上底座31和下底座32固定连接，而上底座31和下底座32通过四个支撑杆33固定连接。反压加压系统36通过反压输入管39经过所述上底座31与外管34连通，用以提供整个三轴试验所需的反压。上底座31通过第二固定杆40与体变管35固定连接，用以保证体变管35始终处于竖直状态。

压力检测系统37包括两个三向阀371和一差压传感器372，外管34底部通过其中一个三向阀371与差压传感器372的第二膜片连接，三通阀38的第三通口通过另一个三向阀371与差压传感器372的第一膜片连接。

差压传感器372是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差，其工作原理是被测压力直接作用于差压传感器372的膜片上，膜片产生与水压成正比的微小位移，进而差压传感器372的电容值发生变化，利用电子线路检测这一变化，并转换输出一个相对应压力的标准测量信号。

进一步地，外管34底部通过下底座32与其中一个三向阀371连通，该三向阀371又与差压传感器372的第二膜片连接。下底座32前端设有一开孔，开孔与外管34底部连通，开孔处设有一排水开关41，用以调整外管34液面和体变管35液面的压力。

试样15位于围压室12内的上透水板13和下透水板14之间，透水板是由聚苯乙烯或者是聚乙烯塑胶底板经过冲压制成圆锥突台(或中控圆柱形多孔)而成，圆锥突台的顶面胶接一层过滤土工布，以阻止泥土微粒通过，从而避免排水通道阻塞，使孔道排水顺畅。但不以上透水板13、下透水板14为限，也可以是上透水石、下透水石。

三通阀38的材质为不锈钢。

图3为计算机52内所存储的数据生成的图形，可在图中分析得到固结排水阶段的排水体积和剪切阶段的排水发展趋势和排水体积，配合其他数据可以得到试样15的更多性质。

本发明提供的三轴试验体变监测装置的实施过程：

1、按照图1将装置连接好，然后将试样15装入围压室12；

2、通过三向阀371向外排水，使得外管34和体变管35所在的管路内残留的气泡被排除。

3、测量体变管35转换系数。

(1)将体变管35液面调至最低刻度处，然后将数据转换装置51面板上显示的数据调零。

(2)将体变管35液面调至最高刻度处，然后将数据转换装置51面板上显示数据调至某一合适值。

(3)计算出体变管35转换系数，并将体变管35转换系数输入计算机5242软件中。

4、反压加压系统36通过反压输入管39、反压管21给试样15加反压，同时围压加压系统20在围压室12内施加围压，开始三轴试验。固结阶段开始前，调整体变管35液面在最大量程的1/3至1/2之间，然后通过数据转换装置51、计算机52开始记录固结阶段排水情况。

5、固结阶段结束后，动力设备11通过驱动围压室12抬升，使传力杆16轴向施加压力给试样15，从而对试样15进行剪切，试样15进入剪切阶段，通过体变管35和计算机52记录剪切阶段的排水情况，直至实验结束。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。