专利名称：一种用于岩土模型试验内部微应变测量的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于工程测量领域，具体涉及一种微应变测量方法及其装置，特别是一种用于岩土模型试验内部微应变测量的方法及其装置，用于岩土模型试验内部微应变快速、准确的测量。
背景技术：
岩土模型试验是岩土工程中一项重要的工作，由于岩土材料力学性质的复杂性和多变性，目前尚未有一种力学模型能够较好地描述岩土体的各种力学性质，因此岩土模型试验在理论研究与工程实践中有着重要意义。岩土模型试验中应变成果的质量取决于应变测量装置的精度以及其安装方式，而应变成果的质量的好坏直接影响到模型成果的正确性。目前，岩土模型内部应变的测量方法，往往采用在其内部布设一定数量的标点(通常用彩色小石子)，然后通过玻璃窗在外部量测，这种方法虽然应用很普遍，但其存在以下问题(I)观测成果受标尺、读数方法等影响，精度较低。在研究一些微小变形，如膨胀土的涨缩变形、粘土的沉降、黄土的振陷时，往往很难量测出来。(2)只能观测玻璃窗附近的土体的变形，不能观测其内部变形。(3)不能实现自动、快速地连续记录。因此，研究一种可自动、连续准确测量岩土体内部微应变的方法及其装置是十分必要的。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种一种用于岩土模型试验内部微应变测量的方法及其装置，能够快速、连续的准确测量岩土模型内部微应变，提高了岩土模型内部微应变测量成果的质量与精度。为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案一种用于岩土模型内部微应变的测量方法，具体包括如下步骤步骤1:制作基板在测量开始之前，将3个霍尔位移传感器固定在一个模具中，保证三者位于同一平面内且构成一边长为3cm的等边三角形；然后将环氧树脂灌入模具，使其包围霍尔位移传感器且环氧树脂不能盖过霍尔位移传感器的顶面；步骤2 :传感器标定利用激光对霍尔位移传感器进行标定，得到标点与霍尔位移传感器位移的标定曲线；步骤3 :基板及标点的埋设将标点埋入模型试验箱中待测处的土体中，将该标点对应的基板固定在模型试验箱内侧，使作为标点的圆形磁钢片与其对应的基板平行，且标点距该基板的距离与传感器标定时两者的距离一致。步骤4 :数据采集将霍尔位移传感器的电源线通过电源�？榱又林绷鞯缭矗湫藕畔吡又潦莶杉鳎莶杉髁由衔换辉诓饬靠记捌舳莶杉鳎锹急４婷扛龌舳灰拼衅鞯某跏夹藕挪⒎⑺透衔换徊饬靠己螅甑闼嫱撂迥诓康奈灰埔贫舳灰拼衅鞣⒊鲂藕牛莶杉饕砸欢ǖ钠德什杉⒓锹济扛龌舳灰拼衅鞯氖涑鲂藕牛匝橥瓯瞎膊杉疦次，每次的采集数据包括三个霍尔位移传感器的输出数据，并将采集到的信号发送给上位机；步骤5 :数据处理上位机通过数据采集器发送的初始信号得出标点的初始位置，也即测试开始前标点距每个霍尔式位移传感器的距离；然后将某次采集到的三个霍尔位移传感器的输出值分别代入标定曲线对应的公式，得到该次采集数据时标点距每个霍尔位移传感器的一组距离数据A、r2和r3，按照同样的方式对每次采集的数据进行处理，共得到n组距离数据，其中，n表示试验期内的采集次数；分别将每组距离数据A、r2、r3转化为竖直向和水平向的位移分量。本发明的方法还包括如下其他技术特征所述步骤5中的分别将每组距离数据r1、r2、r3转化为竖直向和水平向的位移分量，具体操作过程如下I)以基板上三个霍尔位移传感器构成的等边三角形的中心作为原点建立坐标系，分别得到三个霍尔式位移传感器的坐标值U1,匕)、(a2，b2)和(a3，b3);将某组距离数据A、 r2、r3以及“汍彡^知^^和“沘^代入下列方程组求解^导到某次采集数据时标点在坐标系中的坐标(m，n)；
(/W-Of1)2 +(W-^1)2 = T1< (m-Of1 )2 + (n-Zj1)2 = r2
(m -Q1)2 +(n- bx )2 = r3式中，Ca1, bj、(a2, b2)和(a3, b3)分别是三个霍尔位移传感器的坐标值；r:> r2和r3分别是标点到三个霍尔位移传感器的距离。2)按照I)的方法处理每组距离数据，得到每次采集数据时标点在坐标系中的坐标Cm1, Ii1), (m2, n2), ......, (mn, nn),其中，n 表示采集次数；3)分别将相邻两次采集数据时标点的坐标相减，得到标点的n组位移变化量，即为试验期内岩土模型内部标点在采集周期内的竖直向位移分量和水平向位移分量(Am, AnX所述步骤3的基板及标点的埋设时，相邻标点之间的距离不小于10cm。所述标点为尺寸D20*5mm的圆形，基板厚20_50mm，且三个霍尔位移传感器组成的等边三角形的边长为3cm。上述用于岩土模型内部微应变的测量方法的测量装置，其特征在于，包括基板、测量电路、数据采集器和标点；其中，基板由3只霍尔位移传感器通过环氧树脂浇铸固定在模具内而成，3个霍尔效应传感器位于同一平面内且组成等边三角形，且环氧树脂没有埋过霍尔位移传感器的顶面；测量电路包括直流电源和电源�？椋绷鞯缭戳邮莶杉魑涔┑纾抑绷鞯缭赐ü缭茨？榱踊舳灰拼衅魑涔┑纾莶杉髁由衔换槐甑愣懒⒂诨澹上喽曰逡贫槐甑惚宦袢肽Ｐ褪匝橄渲写獯Φ耐撂逯校甑愣杂Φ幕骞潭ㄔ谀Ｐ褪匝橄淠诓啵棺魑甑愕脑残未鸥制肫涠杂Φ幕迤叫校徊饬抗讨校孀疟甑阄恢梅⑸浠保龌舳灰拼衅鹘邮盏降男藕欧⑸浠莶杉鞯氖涑鲂藕欧⑸浠衔换糜诟菔莶杉鞣⑺偷男藕疟浠惺荽恚玫奖甑阄恢玫牧浠�。本发明的装置还包括如下其他技术特征
所述标点采用钕铁硼磁钢或其他磁钢。所述标点为圆形。所述三个霍尔位移传感器组成的等边三角形的边长为3cm，标点的尺寸D20*5mm，基板厚20_50mm。所述直流电源的输出电压为24V。与现有技术相比，本发明的有益效果是(I)采用位置固定的、互成一定角度的多只高精度霍尔位移元件，可准确量测标点的位置，理论精度可达0. Olmm ;(2)测量速度快，采样速度可达5000次/S，可连续地测量岩土模型试验内部的微小应变，满足了动力试验测量要求，适用于岩土模型试验。(3)结构简单，安装、使用方便。
图1是霍尔位移传感器的安置平面图。图2是图1的剖面图。图3是本发明的实施例中一个霍尔式位移传感器位移的标定曲线。图4、图5和图6分别是本发明的实施例中三个霍尔位移传感器各自的拟合标定曲线。图7是实验模型静置期竖向位移变化。图8是实验模型静置期水平位移变化。以下结合附图和工作原理对本发明作进一步解释说明。
具体实施例方式如图1所示，本发明的用于岩土模型试验内部微应变测量的装置，包括基板、测量电路、数据采集器和标点；其中，基板由3只霍尔位移传感器通过环氧树脂浇铸固定在模具内而成，基板厚20-50mm，3个霍尔效应传感器位于同一平面内且组成边长为3cm的等边三角形，且环氧树脂没有埋过霍尔位移传感器的顶面。测量电路包括直流电源和电源�？椋弥绷鞯缭吹氖涑龅缪刮�24V;直流电源连接数据采集器为其供电，且直流电源通过电源�？榱踊舳灰拼衅魑涔┑纾莶杉髁由衔换１甑愣懒⒂诨澹上喽曰逡贫�。标点被埋入模型试验箱中待测处的土体中，标点对应的基板固定在模型试验箱内侧，使作为标点的圆形磁钢片与其对应的基板平行。测量过程中，随着标点位置发生变化时，三个霍尔位移传感器接收到的信号发生变化，数据采集器的输出信号发生变化，上位机用于根据数据采集器发送的信号变化进行数据处理，得到标点位置的连续变化值。数据采集器采用阿尔泰公司生产的USB2852数据采集器，用于实时、连续的采集位移传感器的输出信号并进行记录。标点采用钕铁硼磁钢或其他磁钢；磁钢为圆形；尺寸任意，建议选用D20*5mm。如图1所示，本发明的用于岩土模型内部微应变的测量方法，具体包括如下步骤1、制作基板在测量开始之前，将3个霍尔位移传感器固定在一个模具中，保证三者位于同一平面内且构成一边长为3cm的等边三角形；然后将环氧树脂灌入模具，使其包围霍尔位移传感器且环氧树脂不能盖过霍尔位移传感器的顶面。用环氧树脂作为灌封胶包围霍尔位移传感器一方面是为了固定，另一方面是为了防止使用过程中样土中水分影响霍尔位移传感器工作。2、传感器标定利用激光对霍尔位移传感器进行标定，得到标点与霍尔位移传感器位移的标定曲线。3、基板及标点的埋设将标点埋入模型试验箱中待测处的土体中，将该标点对应的基板固定在模型试验箱内侧，使作为标点的圆形磁钢片与其对应的基板平行，且标点距该基板的距离与传感器标定时两者的距离一致。为防止磁钢对土体中其他基板上的位移传感器产生影响，相邻标点之间的距离不小于10cm。4、数据采集将霍尔位移传感器的电源线通过电源�？榱又�24V直流电源，将·其信号线连接至数据采集器，将数据采集器连接上位机；在测量开始前启动数据采集器，记录保存每个霍尔位移传感器的初始信号(基准值)并发送给上位机；测量开始后，标点随土体内部的位移移动，霍尔位移传感器发出信号，数据采集器以一定的频率采集并记录每个霍尔位移传感器的输出信号，试验完毕共采集N次，每次的采集数据包括三个霍尔位移传感器的输出数据，并将采集到的信号发送给上位机；采集的频率根据试验需要进行调整。5、数据处理上位机通过数据采集器发送的初始信号得出标点的初始位置，也即测试开始前标点距每个霍尔式位移传感器的距离；然后将某次采集到的三个霍尔位移传感器的输出值分别代入标定曲线对应的公式，得到该次采集数据时标点距每个霍尔位移传感器的一组距离数据IM2和r3，按照同样的方式对每次采集的数据进行处理，共得到n组距离数据，其中，n表示试验期内的采集次数；分别将每组距离数据r1、r2、r3转化为竖直向和水平向的位移分量，具体操作如下I)以基板上三个霍尔位移传感器构成的等边三角形的中心作为原点建立坐标系，分别得到三个霍尔式位移传感器的坐标值U1,匕)、(a2，b2)和(a3，b3);将某组距离数据A、r2、r3以及“汍彡^知^^和“沘^代入下列方程组求解^导到某次采集数据时标点在坐标系中的坐标(m，n)；
{pi — flj)" + (n—) =< (m -Of1)2 + (n -bx)2 = r2
(W1-Ql)2 +(n-b^2 =r3式中，Ca1, bj、(a2, b2)和(a3, b3)分别是三个霍尔位移传感器的坐标值而、r2和r3分别是标点到三个霍尔位移传感器的距离。2)按照I)的方法处理每组距离数据，得到每次采集数据时标点在坐标系中的坐标Cm1, Ii1), (m2, n2), ......, (mn, nn),其中，n 表示采集次数；3)分别将相邻两次采集数据时标点的坐标相减，得到标点的n组位移变化量，即为试验期内岩土模型内部标点在采集周期内的竖直向位移分量和水平向位移分量(Am, AnX实施例为了测量膨胀土填方边坡内部位移变化在大气作用下的演化规律，在某膨胀土地区建立了模型试验箱(长5m，宽2m，高2. 5m)，考虑到所用膨胀土的膨胀潜势为弱膨胀性，其位移变化较小，常规模型试验位移测量的方法和装置不能满足要求，尤其是测量精度难以保证。因此，采用霍尔位移传感器来进行微小应变测量，具体过程如下1、制作基板首先，在测量之前进行基板的制作，并做好3个霍尔传感器的供电及信号输出电路线。在现场工作中，为保证霍尔位移传感器呈等边三角形分布且处于同一平面内(将图1、图2中的A、B、C三点分别安装了一个霍尔位移传感器)，采用单孔电路板来进行此项工作。固定好霍尔位移传感器后，将单孔电路板装入事先备好的塑料盒内，用环氧树脂对塑料盒进行灌封，待其硬化。2、传感器标定利用激光对霍尔位移传感器进行标定。由于现场基板制作时，人工操作可能产生 误差，在此次试验中对每个霍尔位移传感器都进行单独标定(如果是在室内，基板则可利用机械制作，误差较�。扌璧ザ辣甓ǎ恍枰淮伪甓纯�)。得到标点与霍尔位移传感器位移的标定曲线(见图3)，该曲线总的标定距离为20mm。3、基板及标点的埋设在边坡表层及底部的土体中需要量测的部位均布设标点，根据检测需要共布置有5个标点，对每个标点对应配置一个基板进行测量，将每个基板在其对应的标点附近使用环氧树脂黏贴至模型试验箱内侧。使作为标点的磁钢与基板平行；标点距基板距离应与步骤2中的传感器标定时的距离一致。可在标点和基板之间增加一块玻璃板，标点与基板均紧贴玻璃板。为防止磁钢对其他基板上的位移传感器产生影响，相邻标点之间的距离不小于IOcm04、数据采集将霍尔位移传感器的电源线连接直流电源，将其信号线连接至数据采集器，将数据采集器连接至上位机。在测量开始前，启动数据采集器采集每个霍尔位移传感器的初始信号进行记录保存；测量开始后，当土体产生位移，标点随之移动，数据采集器采集并记录每个霍尔位移传感器的输出信号，采集频率为5min。数据采集器将采集到的信号发送给上位机，共采集n次数据。5、数据处理从步骤2得到的标定曲线看出，霍尔位移传感器的输出信号与位移呈非线性关系，且标定时总的标定距离为20mm。但实际的岩土试验模型内部在试验期内产生的变形并没有这么大，直接利用标定曲线会造成生误差。因此，根据测量开始前保存的初始数据得到标点的初始位置(即标点距每个霍尔式位移传感器的距离)，结合试验期内的每个霍尔位移传感器的输出信号得到试验期内标点位移量的范围，在该范围内用步骤2中的标定值进行重新拟合，这样能够提高数据的准确度。根据本次试验的结果，得到如图4-图6的三条拟合标定曲线及它们分别对应的拟合公式1# 霍尔位移传感器y=_21. 465Ln(x)+179. 62 (式 I)2# 霍尔位移传感器y=_33. 187Ln (x) +272. 24 (式 2)3# 霍尔位移传感器y=_19.481Ln(x)+164(式 3)式中，X为传感器信号值mv, y为位移量，mm。将某次采集的一组三个传感器输出信号的实测值对应代入拟合公式(I) (3)，得到标点对于每个霍尔式位移传感器的距离A、r2和r3，共得到n组距离数据。其中，n表示试验期内的采集次数；但此时的数据并不能反应标点的位移变化，不能直接使用，需将其转化为竖直向、水平向的位移分量。I)以基板上三个霍尔位移传感器构成的等边三角形的中心(见图1、图2中的0点)作为原点建立坐标系，分别得到三个霍尔式位移传感器的坐标值U1, bi)、(a2，b2)和(a3，b3);将某组距离数据以及U1, bi)、(a2，b2)和(a3，b3)代入下列方程组求解，得到某次采集数据时标点在坐标系中的坐标(m, n)；
权利要求
1.一种用于岩土模型内部微应变的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤步骤1:制作基板在测量开始之前，将3个霍尔位移传感器固定在一个模具中，保证三者位于同一平面内且构成一边长为3cm的等边三角形；然后将环氧树脂灌入模具，使其包围霍尔位移传感器且环氧树脂不能盖过霍尔位移传感器的顶面；步骤2 :传感器标定利用激光对霍尔位移传感器进行标定，得到标点与霍尔位移传感器位移的标定曲线；步骤3 :基板及标点的埋设将标点埋入模型试验箱中待测处的土体中，将该标点对应的基板固定在模型试验箱内侧，使作为标点的圆形磁钢片与其对应的基板平行，且标点距该基板的距离与传感器标定时两者的距离一致。步骤4 :数据采集将霍尔位移传感器的电源线通过电源�？榱又林绷鞯缭矗湫藕畔吡又潦莶杉鳎莶杉髁由衔换辉诓饬靠记捌舳莶杉鳎锹急４婷扛龌舳灰拼衅鞯某跏夹藕挪⒎⑺透衔换徊饬靠己螅甑闼嫱撂迥诓康奈灰埔贫舳灰拼衅鞣⒊鲂藕牛莶杉饕砸欢ǖ钠德什杉⒓锹济扛龌舳灰拼衅鞯氖涑鲂藕牛匝橥瓯瞎膊杉疦次，每次的采集数据包括三个霍尔位移传感器的输出数据，并将采集到的信号发送给上位机；步骤5 :数据处理上位机通过数据采集器发送的初始信号得出标点的初始位置，也即测试开始前标点距每个霍尔式位移传感器的距离；然后将某次采集到的三个霍尔位移传感器的输出值分别代入标定曲线对应的公式，得到该次采集数据时标点距每个霍尔位移传感器的一组距离数据IM2和r3，按照同样的方式对每次采集的数据进行处理，共得到η组距离数据，其中，η表示试验期内的采集次数；分别将每组距离数据Γι、r2、r3转化为竖直向和水平向的位移分量。
2.如权利要求1所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法，其特征在于，所述步骤 5中的分别将每组距离数据Γι、r2、r3转化为竖直向和水平向的位移分量，具体操作过程如下O以基板上三个霍尔位移传感器构成的等边三角形的中心作为原点建立坐标系，分别得到三个霍尔式位移传感器的坐标值(a1; bi)、(a2，b2)和(a3，b3);将某组距离数据r2、 r3以及(a1; bi)、(a2，b2)和(a3，b3)代入下列方程组求解，得到某次采集数据时标点在坐标系中的坐标(m，η)；
3.如权利要求1所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法，其特征在于，所述步骤3的基板及标点的埋设时，相邻标点之间的距离不小于10cm。
4.如权利要求1所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法，其特征在于，所述标点为尺寸D20*5mm的圆形，基板厚20_50mm，且三个霍尔位移传感器组成的等边三角形的边长为 3cm。
5.权利要求1所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法的测量装置，其特征在于， 包括基板、测量电路、数据采集器和标点；其中，基板由3只霍尔位移传感器通过环氧树脂浇铸固定在模具内而成，3个霍尔效应传感器位于同一平面内且组成等边三角形，且环氧树脂没有埋过霍尔位移传感器的顶面；测量电路包括直流电源和电源模块，直流电源连接数据采集器为其供电，且直流电源通过电源�？榱踊舳灰拼衅魑涔┑纾莶杉髁由衔换槐甑愣懒⒂诨澹上喽曰逡贫槐甑惚宦袢肽Ｐ褪匝橄渲写獯Φ耐撂逯校甑愣杂Φ幕骞潭ㄔ谀Ｐ褪匝橄淠诓啵棺魑甑愕脑残未鸥制肫涠杂Φ幕迤叫校徊饬抗讨校孀疟甑阄恢梅⑸浠保龌舳灰拼衅鹘邮盏降男藕欧⑸浠� 数据采集器的输出信号发生变化，上位机用于根据数据采集器发送的信号变化进行数据处理，得到标点位置的连续变化值。
6.如权利要求5所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法的测量装置，其特征在于，所述标点采用钕铁硼磁钢或其他磁钢。
7.如权利要求5所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法的测量装置，其特征在于，所述标点为圆形。
8.如权利要求5所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法的测量装置，其特征在于，所述三个霍尔位移传感器组成的等边三角形的边长为3cm，标点的尺寸D20*5mm，基板厚 20_50mm。
9.如权利要求5所述的用于岩土模型内部微应变的测量方法的测量装置，所述直流电源的输出电压为24V。
全文摘要
本发明公开了一种用于岩土模型内部微应变的测量方法及其装置将3个霍尔位移传感器固定在模具中并用环氧树脂灌入利用激光对霍尔位移传感器进行标定，得到标点与霍尔位移传感器位移的标定曲线；将标点埋入模型试验箱中待测处的土体中，将该标点对应的基板固定在模型试验箱内侧，使作为标点的圆形磁钢片与其对应的基板平行，且标点距该基板的距离与传感器标定时两者的距离一致；数据采集；数据处理后得到每组距离数据的竖直、水平位移分量。本发明能够快速、连续的准确测量岩土模型内部微应变，提高了岩土模型内部微应变测量成果的质量与精度。
文档编号G01B7/16GK103017650SQ20121052099
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者王家鼎, 谷天峰, 赵金刚, 夏蒙 申请人:西北大学
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