一种三维矢量压应力传感器

技术领域

本发明属于应力测试领域，涉及一种三维矢量压应力传感器。

背景技术

在岩土工程中，受复杂的外部荷载和实际工程环境的影响，土的应力状态极为复杂。然而，作为一种多孔多相介质，土的力学特性受应力大小、应力方向、应力路径、应力历史等因素影响显著。为了对土的应力状态进行刻画，通常将一点的应力表述为一个矢量。在三维空间中，矢量包含六个自由度，因此需要六个独立的变量对一点的应力状态进行刻画。在主应力空间中，这六个自由度体现为主应力的三个大小量和主应力坐标系的三个方向量。因此，只有同时精确地获取土中一点的应力大小和方向，才能对应力状态进行刻画，进而科学地开展岩土工程安全稳定评价和施工维护分析。

压应力测试通常采用压阻式传感器。一般民用工程中，主要测定长期静荷载、施工荷载、交通荷载等低频荷载。而在特种工程中，主要面向于爆炸与冲击荷载、地震荷载的高频荷载。后者对传感器的整体性、刚度、固有频率等指标有较高的要求。

现有三维应力测量装置普遍为异形，带有棱角，对爆炸冲击波有较大的干扰；由动土压力盒粘结在基座上拼成，强度较低，易散落；基座固有频率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维矢量压应力传感器，解决工程中爆炸、地震等高频、高强动荷载作用下岩土三维动应力矢量测量的难题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维矢量压应力传感器，包括球形基座、设置在球形基座上的若干个压力模块、以及多芯线缆；所述多芯线缆内设有与所述压力模块的数量相匹配的导线，每个所述压力模块与一根所述导线相连。

可选的，所述压力模块包括相配合的压力敏感面以及硅压阻模块，所述压力敏感面朝向所述球形基座外侧。

可选的，所述球形基座上设有用于装配压力模块的凹槽，所述压力模块设置在凹槽内，所述凹槽的数量大于等于所述压力模块的数量。

可选的，所述凹槽内开设有用于导线穿过的线孔。

可选的，所述多芯线缆包括线缆屏蔽层以及包裹在线缆屏蔽层外侧的线缆绝缘层。

可选的，所述导线包括芯线、包裹在芯线外侧的导线屏蔽层、以及包裹在导线屏蔽层外侧的导线绝缘层。

可选的，所述压力模块的设置点有9个，包括3组，第一组包括4个设置点，均布在所述球形基座的一个轴对称面上，第二组包括1个设置点，位于与该轴对称面的垂直距离最远的端点；球形基座中心与第二组内的设置点的连线为Z轴，在轴对称面上选定X轴及Y轴，形成笛卡尔坐标系；第三组包括其余4个设置点，其法线位置为笛卡尔坐标系的等倾线。

可选的，第三组设置点位于第一组及第二组之间。

可选的，所述压力模块至少设有6个。

可选的，所述多芯线缆的布置方向与Z轴方向相反。

可选的，所述球形基座上开设有便于连接多芯线缆的光纤孔。

本发明的有益效果在于：

本发明将压力模块整合在球形基座上，缩减了传感器尺寸；通过凹槽的形式，通过机械结构对压力模块进行安装，避免了胶结方式进行固定时，刚度低、固有频率小的问题，提高了连接强度，提高了固有频率，避免了胶结方式固定在高强爆炸载荷作用下易于受损、开裂、脱落的问题，使其适用于测量爆炸冲击作用下土体内高频压应力的动态测量；通过球形基座和均匀分布的压力模块尽量避免应力集中的现象，提高测量精度；通过将所有导线整合在同一根线缆中降低了导线在基座内的布设难度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为球形基座的纵轴线剖切图；

图3为本发明的纵轴线剖切图；

图4为本发明的赤平面剖切图；

图5为本发明的赤平面爆炸图；

图6为多芯线缆的剖面图；

图7为压力模块的结构示意图；

图8为压力模块爆炸图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图8，附图中的元件标号分别表示：球形基座1、压力模块2、多芯线缆3、线缆孔11、凹槽12、线孔13、压力敏感面21、硅压阻模块22、导线23、线缆绝缘层31、线缆屏蔽层32、导线绝缘层231、导线屏蔽层232、芯线233。

本发明所涉及的一种三维矢量压应力传感器包括球形基座1、压力模块2、多芯线缆3。所述球形基座1设有线缆孔11、凹槽12、线孔13。所述压力模块2由压力敏感面21、硅压阻模块22、导线23组成。

所述多芯线缆3包括线缆绝缘层31、线缆屏蔽层32，内部至少包含7根导线23，每根导线23均为四芯屏蔽线缆，导线23由外至内分别为导线绝缘层231、导线屏蔽层232、镀银芯线233。

所述压力模块2整体封装在凹槽12上。假定线缆孔11的方向为z方向，在与z垂直的赤平面上选择x和y方向，使其共同构成笛卡尔坐标系。凹槽12可分为三组，第一组共1个，与线缆孔11对称，沿z轴负方向；第二组共4个，沿x-y平面均匀分布，且法线方向与x轴或y轴平行；第三组共4个，在线缆孔11与第二组之间，其法线为x-y-z坐标系的等倾线。

所述多芯线缆3由线缆孔11穿入球形基座1内部，而后剥去前端的线缆绝缘层31和线缆屏蔽层32，将其内部的7根导线23分别接到压力模块2上。多芯线缆3用于将压力模块的压电信号传输到采集端。为了尽量削弱传感器对应力分布的影响，根据现有技术能力，所述压力模块直径约为25mm，底座凹槽深3mm，据此，球形基座1直径约为60-70mm。球形基座1和预留光纤孔(包括线缆孔11、线孔13)的内部空隙可采用热熔胶或玻璃胶进行填充和密封，以固定内部元件。球形测量基座为矢量化三维应力测量球的框架，球形几何形状具有强度高、稳定性好等特点，适合于深部土层和高附加荷载下作业。球形基座1上三组共9个圆柱形凹槽12用于封装压力模块。

在实施过程中，将矢量化三维主应力测量球埋设到需要测量应力的位置。在埋设时，可采用掘开的方式，通过人工定位进行埋设。若采用钻孔的方式，孔深较浅时可以人工手持传感器伸入洞中进行摆放和安置。若孔深较大，可采用埋设辅助工具埋设。为了便于操作和后续数据分析，通常使多芯线缆3位于正上方。

数据采集后的具体计算方法如下：

根据实际需要，选择测试时所需的压力模块数量。以六个为例，分别记为10、20、30、40、50、60，所测量的应力分别为σ

{σ

＝{σ

后续关于应力的计算为本领域的基础性计算，详细内容不再展开。压力模块的尺寸与量程可根据实际需求选型或定制，数据线缆可根据实际需求选型或定制。

本发明意在保护压力模块一体封装设计、数据线缆一体出线设计。

与现有技术相比，本发明具备以下优势：

(1)现有测量装置几何形状不规则，容易导致应力集中和应力分布不均匀，降低了应力大小测试的精确度，甚至会诱使土体沿装置表明发生剪切破坏。球形基座1的几何形状较为规则，可以很好地削弱由于测试装置形状不规则而导致的应力分布不均匀现象。各测量平面之间距离较远且分布较均匀，在一定程度上提高了测量精度。

(2)尺寸太大：岩土体中埋设的传感器对爆炸地冲击波的传播有一定的影响，特别是传感器尺寸较大时，这种影响较为显著。现有技术大都是将已有土压力盒成品装配在三维异性基座上，实现三维应力矢量的测量。成品装配式连接，使得基座和土压力盒之间存在功能重叠，导致最终制成的传感器尺寸较大。而本发明上设有凹槽，便于对压力模块2的固定，也可以缩减整体传感器的尺寸。

(3)固有频率太低：现有技术大都是将已有土压力盒成品装配在三维异性基座上，实现三维应力矢量的测量。这种装配普遍采用胶结的方式，基座为聚合物材料，胶结物和基座的刚度普遍较低，固有频率偏小，难以适用于测定爆炸冲击作用下土体内高频压应力的动态测量。而本发明的固有频率高，适用于测定爆炸冲击作用下土体内高频压应力的动态测量。

(4)整体强度较低：采用胶结装配方式所制作的测量装置的胶结部位为关键薄弱部位，在高强爆炸荷载作用下，易于受损开裂与脱落，影响整体测试精度。本发明通过机械结构进行压力模块2的安装，整体结构连接稳固，强度大，在高强爆炸荷载作用下可以保持稳定。

(5)现有三维应力测量装置几何形状不规则，各测量面面积和面面夹角不同，在局部存在显著的应力集中现象，严重影响了测量的精度，甚至会诱使土体沿装置表明发生剪切破坏。本发明通过球形的制作尽可能避免了应力集中的现象。

(6)每一个土压力盒均需要一根导线，导致土压力球需要6根以上的线路，实际应用时难度较大、效率较低。本发明通过多芯线缆，将多跟数据线缆汇总到一根线缆中进行传输，大幅提高效率；通过同一根线缆进行装配固定，也便于整体装置的集成化，提高整体装置的布线效率，提高结构稳定性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。