用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器及其测量方法与流程

本发明涉及土压力检测领域，特别涉及一种用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器及其测量方法。

背景技术：

岩土介质中土压力测量是土力学理论和岩土工程实验研究中的一个重要内容，大量岩土工程理论和实际中问题的解决，往往依靠现场模型或模型试验直接的测量结果，目前土测量的基本方法是采用将土压力传感器埋于土中或者埋于土中结构物表面，进而对土压力进行直接测量。由于相较其他测量方式条件更易达到，土压力传感器仍然是世界各国进行土介质实验研究的基本工具。

在实际运用过程中，传统的圆盘结构的土压力传感器，在测量黄土及软土压力时，存在以下问题：

(1)多采用探井安装的方式，施工周期长，难度大，成本高，尤其是在松软岩土体或水下安装时，施工困难，坍孔风险较大；

(2)安装过程需要较大的工作面，造成传感器周边岩土体扰动，改变了原来的应力场，使得传感器测出的实际压力与真实压力有误差；

(3)一个传感器仅能测定一个方向的土压力；传感器置于深部，传感器本身无法侦测位置变化，在滑坡等监测中，传感器位置或角度变化，严重影响测量成果；

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器及其测量方法，简化黄土及软土的土压力的测量，提高测量精度。

本发明的技术方案是：用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器，包括探头外壳，所述探头外壳包括用于连接触探杆的探头外壳卡扣部分以及与该探头外壳卡扣部分连接的位于探头外壳卡扣部分下方的探头外壳上部；所述探头外壳上部的侧壁的下部由三个互为60°夹角的平面围成，且三个互为60°夹角的平面之间的三条相交线不同时平行；在每个平面的中部位置开有圆形卡槽，所述圆形卡槽内覆盖并固定有刚性片，所述刚性片的中心固定有附着于其上的电阻应变片；所述电阻应变片通过信号引线与设于探头外壳内部的现场总线式采集模块信号连接，所述现场总线式采集模块通过传感器引线与上位机信号连接；所述探头外壳内部还水平固定有电子罗盘，电子罗盘通过电子罗盘引线与上位机信号连接。

较佳地，所述圆形卡槽的直径为30mm；所述刚性片为钢片，钢片的直径为29mm，厚度为1mm；所述钢片固定于所述圆形卡槽内。

较佳地，所述探头外壳上部的侧壁为圆柱面，圆柱面的圆柱直径为48mm。

较佳地，所述探头外壳上部的中部开有用于引出传感器引线以及电子罗盘引线的通孔。

较佳地，所述现场总线式采集模块的信号输出的传感器引线、电子罗盘的信号输出的电子罗盘引线的输出信号通过A/D转换后，直接将数据传入上位机进行数据分析和处理。

较佳地，所述探头外壳上部与探头外壳卡扣部分之间的连接方式是卡扣连接；探头外壳卡扣部分与触探杆螺纹连接。

较佳地，所述现场总线式采集模块采用舟正科技公司生产的型号为DAQM-4202的采集模块。

用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器的测量方法，包括如下步骤：

第一步，先平整场地，放平压入主机，以便使探头外壳沿竖向与地面垂直，并下好地锚，以便固定压入主机；

第二步，将多根能够依次连接的钢管作为触探杆，将供电电缆线、传感器引线以及电子罗盘引线穿入触探杆，并将触探杆与土压力传感器连接，接通电路，调整好仪器；

第三步，在压力机械的作用下将土压力传感器和作为触探杆的钢管打入地底，在此过程中应保持土压力传感器的探头匀速垂直压入土中；

第四步，将所述传感器引线以及电子罗盘引线连接上位机，根据反馈回的信号判断压入位置和角度，调整至达到预期后，停止压力机械作用，并取出钢管及探头外壳卡扣部分。

本发明的有益效果：本发明实施例中，提供一种用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器及其测量方法，与现有技术相比，本发明具有以下技术优点：

1、本发明采用自压入式结构，在黄土及软土地区测试土压力时，不需要进行回填，安装迅速，节约成本。

2、本发明采用三相压力传感器和电子罗盘相结合的方式，可实现传感器位置精确定位及压力的更精准测量。

3、本发明适用于测试地下水位以下土层的土压力，解决了成孔难及成本高昂的问题。

5、通过现场总线式采集模块采集应变片及电子罗盘测量数据，直接放大传输减少信号衰减，使得信号不受干扰，提高测量精度。

本发明传感器的体积小，能耗低，结构简单，成本较现有技术大大降低。

附图说明

图1为本发明传感器的整体结构示意图；

图2为本发明传感器的内部连接示意图；

图3是应用本发明的传感器进行加载过程的工作原理图。

附图标记说明：

1、传感器引线；2、通孔；3、探头外壳卡扣部分；4、探头外壳上部；5、现场总线式采集模块；6、电子罗盘；7、刚性片；8、电阻应变片；9、触探架；10、触探杆。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明实施例提供了一种用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器及其测量方法，其土压力传感器包括探头外壳，所述探头外壳包括用于连接触探杆10的探头外壳卡扣部分3以及与该探头外壳卡扣部分3连接的位于探头外壳卡扣部分3下方的探头外壳上部4；所述探头外壳上部4的侧壁的下部由三个互为60°夹角的平面围成，且三个互为60°夹角的平面之间的三条相交线不同时平行；即探头外壳压入部分为圆柱被三个互为60°夹角的三个平面所截得到的三棱锥形，便于进行压入操作；，在每个平面的中部位置开有圆形卡槽，所述圆形卡槽内覆盖并固定有刚性片7，所述刚性片7的中心固定有附着于其上的电阻应变片8；所述电阻应变片8通过信号引线与设于探头外壳内部的现场总线式采集模块5信号连接，所述现场总线式采集模块5通过传感器引线1与上位机信号连接；所述电阻应变片8的引线直接连接现场总线式采集模块5，现场总线式采集模块5引出四条导线电源正、电源负、A、B。现场总线式采集模块具体采用舟正科技公司生产的型号为DAQM-4202的采集模块(RS485总线8路模数隔离模拟量输入)；所述探头外壳内部还水平固定有电子罗盘6，电子罗盘6通过电子罗盘引线与上位机信号连接，便于定位三向土压力传感器的检测位置并提高测量精度。

如图1、图2所示，三个电阻应变片8分别固定在三个刚性片7中心，三个刚性片7对应固定在探头外壳压入部分的三向上(即三个斜面上)，电阻应变片8的引线引出至现场总线式采集模块5，现场总线式采集模块5的四条引线再引出探头；电子罗盘6水平固定于探头外壳压入部分内部，亦连接现场总线式采集模块5；电子罗盘6引出的正、负电源导线经过12V-5V降压模块与现场总线式采集模块5的电源正、负导线连接，接12V电源；最终输出四条传感器引线1从通孔2连出，可接至PC端。

进一步地，所述圆形卡槽的直径为30mm；所述刚性片7为钢片，钢片的直径为29mm，厚度为1mm；所述钢片固定于所述圆形卡槽内。

进一步地，所述探头外壳上部4的侧壁为圆柱面，该圆柱面的圆柱直径为48mm。探头压入部分(直径50mm)比上部略大，压入时探头整体直接接触土层面积小，摩擦力小，便于压入操作。压入时，上层硬土可通过打洞的方式处理，黄土及软土部分可将三向土压力传感器组装完毕后将引线穿过压入管道，通过外界加压的方式，配合电子罗盘6得到的数据，将三向土压力传感器压入至预定位置，进行测量。

进一步地，所述探头外壳上部4的中部开有用于引出传感器引线1以及电子罗盘引线的通孔2。

进一步地，所述现场总线式采集模块5的信号输出的传感器引线1、电子罗盘6的信号输出的电子罗盘引线的输出信号通过A/D转换后，直接将数据传入上位机进行数据分析和处理。数据分析部分，所述电子罗盘6可测出探头所处的位置与Y三轴的夹角记为γ，测量得到的三个数据记为F1、F2、F3，那么，测得X轴方向的土压力Y轴方向的土压力Z轴方向的土压力

进一步地，所述探头外壳上部4与探头外壳卡扣部分3之间的连接方式是卡扣连接；探头外壳卡扣部分3与触探杆10螺纹连接。

用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器的测量方法，包括如下步骤：

第一步，先平整场地，放平压入主机，以便使探头外壳沿竖向与地面垂直，并下好地锚，以便固定压入主机；

第二步，将多根能够依次连接的钢管作为触探杆10，将供电电缆线、传感器引线1以及电子罗盘引线穿入触探杆10，并将触探杆10与土压力传感器连接，接通电路，调整好仪器；

第三步，在压力机械的作用下将土压力传感器和作为触探杆10的钢管打入地底，在此过程中应保持土压力传感器的探头匀速垂直压入土中；其中触探杆10通过触探架9进行支撑。

第四步，将所述传感器引线1以及电子罗盘引线连接上位机，根据反馈回的信号判断压入位置和角度，调整至达到预期后，停止压力机械作用，并取出钢管及探头外壳卡扣部分3。

图3是应用本发明的传感器进行加载过程的工作原理图。

综上所述，本发明实施例提供的一种用于黄土及软土的压入式三向土压力传感器，该土压力传感器包括探头外壳、钢片、电阻应变片、电子罗盘、现场总线式采集模块和传感器引线，其中，探头外壳压入部分为直径50mm的圆柱被三个互为60°的三个平面截得，三平面在中心部位开有直径30mm的圆形卡槽，直径29mm厚度1mm的钢片中心贴有电阻应变片并固定于圆形卡槽中央；电阻应变片引线直接连接现场总线式采集模块并通过传感器引线可将数据直接传至上位机；电子罗盘水平固定于探头内部，数据通过传感器引线传输；便于定位三向土压力传感器的检测位置并提高测量精度。从探头引出的诸多传感器引线可通过降压模块和转换器经转换，最终输出4条，引出可直接将数据传导入PC机及其他设备中进行数据分析和处理，操作方便。探头外壳压入部分直径50mm，其他部分直径48mm，探头外壳压入部分略大，压入时探头上部及压入装置直接接触土层面积小，摩擦力小，便于压入操作。本发明的土压力传感器为压入式土压力传感器，适用于多种土压力测量，尤其是不适宜打洞放入传感器的黄土及软土的土压力测量，其探头可以直接插入土中进行压力测量，相较于目前的其他软土压力测量方式，更加简洁，操作简单并且便宜。本发明的土压力传感器可测量三个方向的土压力，并通过位置传感器和方向测量模块通过计算得出该位置的土压力，避免了由于其他安装方式造成的土压力传感器倾斜或达不到预定位置造成的土压力测量误差，相较于单相传感器，精度更高。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优点：

1、本发明采用自压入式结构，在黄土及软土地区测试土压力时，不需要进行回填，安装迅速，节约成本。

2、本发明采用三相压力传感器和电子罗盘相结合的方式，可实现传感器位置精确定位及压力的更精准测量。

3、本发明适用于测试地下水位以下土层的土压力，解决了成孔难及成本高昂的问题。

5、通过现场总线式采集模块采集应变片及电子罗盘测量数据，直接放大传输减少信号衰减，使得信号不受干扰，提高测量精度。

本发明传感器的体积小，能耗低，结构简单，成本较现有技术大大降低。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。