一种可动态定向的三维矢量土压力传感器
阅读说明：本技术 一种可动态定向的三维矢量土压力传感器 (Three-dimensional vector soil pressure sensor capable of being dynamically oriented ) 是由 董彤 魏丽娟 刘引 陈晓 张雪研 于 2021-03-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于应力测试领域,涉及一种可动态定向的三维矢量土压力传感器,包括球形基座、设置在球形基座上的若干个压力模块、设置在球形基座内的数据采集模块以及光纤；所述光纤与所述数据采集模块相连,所述数据采集模块上连接有若干导线,每个所述压力模块与一根所述导线相连,所述球形基座上还设有三轴倾角传感器,三轴倾角传感器通过一根所述导线连接至数据采集模块。本发明的以球形构造为基础,通过三轴倾角传感器,采用较低的成本便可以实现对应力方向的动态监测,真正实现对土体内一点处三维应力状态的实时矢量化描述,并同工程进行关联。(The invention belongs to the field of stress testing, and relates to a dynamically-oriented three-dimensional vector soil pressure sensor which comprises a spherical base, a plurality of pressure modules arranged on the spherical base, a data acquisition module arranged in the spherical base and an optical fiber, wherein the pressure modules are arranged on the spherical base; the optical fiber is connected with the data acquisition module, the data acquisition module is connected with a plurality of wires, each pressure module is connected with one wire, the spherical base is further provided with a three-axis tilt angle sensor, and the three-axis tilt angle sensor is connected to the data acquisition module through one wire. The invention is based on spherical structure, can realize dynamic monitoring of stress direction by a triaxial tilt angle sensor with lower cost, really realizes real-time vectorization description of three-dimensional stress state at one point in a soil body, and is associated with engineering.)
技术领域
本发明属于应力测试领域，涉及一种可动态定向的三维矢量土压力传感器。
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。
三轴倾角传感器，可以在多种姿态下完成空间相对方向的定位，输出测量值给计算机，精确测定传感器当前三维姿态的方位角与初始方位角之间的关系，并通过计算程序完成在任意坐标下对当前姿态的三维刻画。可选用北京国科舰航传感技术有限公司生产的FEC-100-3RS422型三轴倾角传感器。
实际工程中，某一点处三维应力状态的精确测量一直是工程届的难点，现有的测试装置存在以下问题：装置的几何形状不规则，各表面的面积不同，面与面之间的夹角也不同，因而会导致土体的应力集中和应力分布不均匀现象，降低了应力大小测试的精确度，甚至会诱使土体沿装置表面的平面发生剪切破坏。此外，由多个土压力盒组成的应力测量球的走线复杂，线在土压力盒测量表面外侧，影响土压力传播规律，导致测量精度下降。另外，已有方案都只能测得三维应力状态的大小，而忽略了对每个应力方向的刻画，致使所量测应力的方向不明确，无法将所测得的一点应力状态同工程实际方位角进行关联，也无法用矢量或张量的方式在工程中对应力状态进行刻画，难以真正用于描述工程实际应力状态。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可动态定向的三维矢量土压力传感器，实现对应力方向的动态监测，真正实现对土体内一点处三维应力状态的实时矢量化描述，并同工程进行关联。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可动态定向的三维矢量土压力传感器，包括球形基座、设置在球形基座上的若干个压力模块、设置在球形基座内的数据采集模块以及光纤；所述光纤与所述数据采集模块相连，所述数据采集模块上连接有若干导线，每个所述压力模块与一根所述导线相连，所述球形基座上还设有三轴倾角传感器，三轴倾角传感器通过一根所述导线连接至数据采集模块。
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及三轴倾角传感器的凹槽，所述压力模块及三轴倾角传感器均一一对应地设置在凹槽内，所述凹槽的数量大于等于所述压力模块与三轴倾角传感器的数量之和。
可选的，所述凹槽内开设有用于导线穿过的线孔，所述导线穿过线孔设置。
可选的，所述光纤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，所述压力模块及三轴倾角传感器的设置点有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，所述三轴倾角传感器设置在第二组内。
可选的，所述压力模块至少设有6个。
可选的，所述光纤的布置方向与Z轴方向相反。
可选的，所述球形基座上开设有便于连接光纤的光纤孔。
本发明的有益效果在于：
(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。本发明的球形基座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)现有装置所测应力方向不确定。本发明将三轴倾角传感器固定在球形基座上，用于测定球形基座的空间姿态，一方面用以确定三维应力测量装置的埋设方向，另一方面实时监测大变形后球形基座的姿态变化情况。具体实施时，先赋予三轴倾角传感器一个初始坐标，为便于后续分析，可以将初始坐标与地磁坐标或工程坐标匹配。埋设传感器时，可根据测点需要任意放置，待埋设完成后，读取三轴倾角传感器数据，建立埋设坐标系。加载与监测过程中，实时读取三轴倾角传感器数据，建立动态坐标系。根据力学的基础运算关系，可以得到不同坐标系下的应力转换关系。
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为本发明的三维等倾图；
图2为本发明的三维正视图；
图3为本发明的三维俯视图；
图4为球形基座的剖面图；
图5为本发明的剖面图；
图6为压力模块构造图。
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6，附图中的元件标号分别表示：压力模块1、三轴倾角传感器2、数据采集模块3、球形基座4、光纤5、光纤孔41、线孔42、凹槽43、导线10、压力敏感面11、硅压阻元件12。
本发明主要包括压力模块1、三轴倾角传感器2、数据采集模块3、球形基座4、光纤5。
所述球形基座4设有光纤孔41、线孔42、凹槽43。所述压力模块1导线10、压力敏感面11、硅压阻元件12组成。所述三轴倾角传感器2为市场上的成熟产品，可在陕西航天长城测控有限公司生产的FNN-3400型电子罗盘的基础上进行外观改造，使其适配凹槽43。
假定光纤5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43上共分三组，第一组共1个，与光纤孔41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，在光纤孔41与第二组之间，其法线为x-y-z坐标系的等倾线。所述三轴倾角传感器2安装在第二组凹槽43中某一个上，所述压力模块1直接安装在其他8个凹槽43上，并进行整体封装。
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1直径约为25mm，凹槽43深3mm，据此，球形基座4直径约为60-70mm。
所述数据采集模块3的技术较为成熟。所述压力模块1带有导线10，其一端连接在压力模块内部的硅压阻元件12，另一端穿过线孔42连接到数据采集模块。球形基座4和光纤孔41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。
球形基座4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4上两组共八个圆柱形的凹槽43用于封装压力模块1及三轴倾角传感器2。导线10用于将压力模块1所量测数据传输到数据采集模块3，另一端穿过线孔42连接到数据采集模块3。数据采集模块3将三轴倾角传感器2和压力模块1的数据收集和调制后统一通过光纤5传输。三轴倾角传感器2定在球形基座4，用以确定三维应力测量装置的实时姿态。
在实施过程中，可通过大范围掘开或小面积挖孔的方式，将三维矢量土压力传感器埋设到需要测量应力的位置。在埋设时，可根据量测需要，随意放置三维矢量土压力传感器的位置，然后覆土、夯实，完成三维矢量土压力传感器的埋设工作。具体试验过程中，通过三轴倾角传感器2可实时获取三维矢量土压力传感器在三维空间中的姿态，进而通过数学运算确定每一个压力模块1的方位。
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1的数量。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{αi，βi，γi}(i＝10、20、30、40、50、60)。那么测量点处实测三维应力状态在初始坐标系中以矩阵的形式记为：
{σij}＝{σx σy σz σxy σyz σzx}
＝{σ10 σ20 σ30 -σ40 -σ50 -σ60} (1)
(1)任意坐标系下的三维应力状态计算方法
任意坐标系下的三维应力状态均可以通过下式进行计算：
σkl＝Tklijσij (2)
式中，T为测量坐标与所需坐标之间的坐标变换张量。
此部分为本领域的基础性计算，详细内容不再展开。
(2)三维空间中主应力大小与方向的计算方法
此部分计算源自线性代数中的多元一次函数的内容，涉及特征方程、特征值和特征向量，具体计算过程如下：
在主应力坐标系中，作用在每个主平面上只有正应力，没有剪应力。以x-y-z为参考，设主平面的方向余弦分别为l、m和n，根据向量运算可以求出主应力的大小和方向，即
上式可以改写为：
上式为l、m和n的齐次线性方程组如需存在非零解，根据克莱姆法则，其系数行列式必须为零，
展开得到应力的特征方程
σ3-I1σ2+I2σ-I3＝0 (6)
式中，I1、I2和I3为三个应力不变量。
上述一元三次方程的三个根即为三个主应力的大小，分别记为σ1、σ2和σ3。把三个主应力的大小分别带回式(4)，并联立恒等式
l2+m2+n2＝1 (7)
可以求得每个主应力的特征向量，即主应力的方向矢量：
σ＝σ1时，n1＝(l1,m1,n1)
σ＝σ2时，n2＝(l2,m2,n2)
σ＝σ3时，n3＝(l3,m3,n3)
本案中压力模块为整体封装，具体实施时，也可以将成品土压力盒粘贴在三维底座上，本案意在保护传感器三维方向姿态的动态测量。
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。
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