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σ₁₀、σ₂₀、σ₃₀、σ₄₀、σ₅₀、σ₆₀，各压力模块的法向方向为{α_i，β_i，γ_i}(i＝10、20、30、40、50、60)。那么测量点处实测三维应力状态在水准-地磁坐标系中以矩阵的形式记为：

{σ_ij}＝{σ_x σ_y σ_z σ_xy σ_yz σ_zx}

＝{σ₁₀ σ₂₀ σ₃₀ -σ₄₀ -σ₅₀ -σ₆₀} (1)

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。