专利名称：一种同步测量水压力和土压力的三向振弦式传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于土木工程测试仪器领域，涉及同步测量传感器埋设位置的水压
力、垂直及水平土压力。
背景技术：
目前，利用谐振原理设计的振弦式传感器只能测出单个方向的外部压力。在土木工程施工中，这类振弦式压力传感器常用于测量地层土压力，如振弦式土压力盒、孔压计等传感器。常用的振弦式传感器结构简单，造价低廉，能够满足一定的工程测量需要。但有如下不足之处 1)由于这类传感器只有一根振弦，仅能测出单个方向的压力，即工作膜片法线方向的压力值。 2)当土体中有地下水存在时，还会产生孔隙水压力。利用传统的振弦式传感器在测量土压力的同时无法同步测量孔隙水压力大小，只能采用单独的孔隙水压力计进行测

实用新型内容本实用新型的目的在于克服传统振弦式传感器的不足，根据谐振原理设计出能够同时测出传感器埋设位置的孔隙水压力、垂直土压力和水平土压力，并且加工方便，结构简单，造价低廉。 本实用新型外形为立方体结构，主要特征在于内部由金属隔板分割为三个空间几何尺寸相同的工作腔室C1、C2、C3和一个导线电缆腔室C4，立方体外部由工作膜片8、工作膜片17、工作膜片18、非工作膜片13、非工作膜片19、非工作膜片20和刚性膜片12组成。其中，各工作膜片上都分别安装有支架6和线圈2，振弦支架6顶端与工作膜片相连，底端与振弦1相连。各工作膜片与被测量的作用力直接接触。工作膜片8用于感应水压力，其外侧安装一个刚性膜片12，在刚性膜片12上设有通孔14，内侧安装透水石或微孔滤网15，并且透水石或微孔滤网15和工作膜片8之间留有水压作用空间16，用于避免土压力作用在刚性膜片12上产生的变形对工作膜片8的影B向，刚性膜片12由抗变形能力较强的材料制成。工作膜片17用于感应垂直方向的土压力。工作膜片18用于感应水平方向的土压力。[0007] 工作腔室Cl、 C2与C3中设置有相同结构，并分别装有振弦传感器，而三个腔室中振弦传感器所测量的作用力有所不同。腔室C3中的振弦传感器用于测量孔隙水压力，腔室C2中的振弦传感器用于测量水平土压力，顶部腔室C1中的振弦传感器用于测量垂直土压力。 在工作腔室C3的工作膜片外侧安装一个刚性膜片，如图1、图2、图3、图4所示。刚性膜片上设有通孔，内侧安装透水石或微孔滤网，透水石或微孔滤网和工作膜片之间留有水压作用空间。水压作用空间可以避免土压力作用在刚性膜片上产生的变形对工作膜片的影响，从而阻止土压力传播到工作膜片上。这样，仅有孔隙水可通过通孔和透水石或微孔滤网流到水压作用空间内，直接作用在工作膜片上，从而使腔室C3中的振弦传感器可以不受土压力的影响而直接测出孔隙水压力值，从而实现同步测量传感器埋设位置处的孔隙水压力、垂直和水平土压力的目的。 测量时，线圈2中通过一个脉冲电流，线圈2中的永久磁铁吸住振弦1，当脉冲电流消失后，振弦1即被松开产生振动，并切割线圈2的磁场，产生的感应电流从线圈2中输出。[0010] 传感器工作过程中，膜片与被测压力直接接触，即膜片感受压力而发生挠曲变形，从而带动两个振弦支架向两侧拉开，振弦被拉紧，于是振弦的振动频率发生改变，根据振弦频率的变化量可测量作用力的大小。 本发明中的三套传感结构均放置在独立的腔室中，并用屏蔽线对外部磁场进行屏蔽，可以减小外部磁场的干扰和传感器内部磁场的相互干扰。 本实用新型的优点在于能够同步测量传感器埋设位置处的孔隙水压力、垂直土压力和水平土压力，从而掌握观测点处的水压力状态及土体应力状态。

图1-立方盒体内部腔室结构及振弦布置方向图[0014] 图2-Cl-C3腔室剖面图[0015] 图3-刚性膜片设计图 图4-C1腔室剖面顶盖(工作膜片及钢弦)仰视图 图中l-振弦、2-线圈、3-屏蔽线、4-电流线、5-电缆、6-支架、7-振弦夹紧装置、8-工作膜片、9-横梁、10-导线连接件、ll-金属隔板、12-刚性膜片、13-非工作膜片、14-通孔、15-透水石或微孔滤网、16-水压作用空间，17-工作膜片、18-工作膜片、19-非工作膜片、20-非工作膜片。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型。 图1所示为同步测量水压力和土压力三向振弦式传感器，由三个工作腔室C1、C2、C3及一个导线电缆腔室C4组成。振弦1沿各工作膜片对角线方向布置。[0020] 图2为Cl-C3腔室剖面图，三个工作膜片用于接受外部压力，三个非工作膜片用于固定其它构件并形成传感器整体。传感器的内部由金属隔板分隔为三个工作腔室和一个导线电缆腔室，其中每个工作腔室中主要包括以下部分用于接受外界压力的工作膜片；沿工作膜片内侧对角线方向布置的一个线圈和二只支架，支架上均装有振弦夹紧装置，线圈位于膜片的中心位置，支架位于线圈二侧；连接二个振弦夹紧装置间的振弦，振弦与线圈间隔0. 5 2mm ;—根用于固定导线连接件的横梁，横梁两端分别固定于金属隔板和非工作膜片上；导线连接件安装于横梁上；二根电流线接于导线连接件上，一根屏蔽线连接在横梁上，三根线组合为一根电缆，穿过工作腔室与导线电缆腔室之间的金属隔板，延接至导线电缆腔室。三个工作腔室的电缆在导线电缆腔室合并，将电流信号传至传感器外部。测量时，立方体各工作膜片与需要测量的压力直接接触。当压力变化时，各工作膜片即感受压力而发生挠曲变形，从而带动两个支架6向两侧拉开，振弦1被拉紧，于是振弦1的频率发生改变。根据振弦1频率的变化量可测量压力的大小。Cl腔室工作膜片17直接与土体接触，用于感应土体垂直压力。C3腔室工作膜片8外侧安装有刚性膜片12。刚性膜片12上打有通孔14，内侧安装透水石或微孔滤网15，并且透水石或微孔滤网15和工作膜片8之间留有水压作用空间16，土体孔隙水压力可通过通孔14和透水石或微孔滤网15直接作用在工作膜片8上。 图3为刚性膜片12设计图，图中通孔14均匀布设在刚性膜片12上，使工作膜片8均匀承受孔隙水压力的作用。 图4为Cl腔室剖面顶盖仰视图，表明振弦1、线圈2、支架6与工作膜片17的相对位置关系。 在同步测量水压力和土压力三向振弦式传感器的制造中，首先制作立方盒体内部分割腔室的金属隔板11，由于设计盒体内部分割各个腔室的隔板结构的空间复杂性，可以把隔板结构按平面分别按设计尺寸制成单块隔板，有通线孔的隔板先打 L。然后，把做好的各个单块隔板通过焊接连接在一起，形成一个整体。 立方体外壳的三个工作膜片和三个非工作膜片可以分割成六个单块平面膜片，其中三个工作膜片先安装有振弦1。安装有固定振弦1的振弦夹紧装置7的三个工作膜片可以按设计制作好，将其中两个通过焊接或者在结合处通过打孔用螺栓连接并用粘结剂黏合，形成整体。另外三个不带振弦1的非工作膜片13、19、20可以与事先做好的盒体内部隔板结构通过焊接连接在一起，亦或是在结合处通过打孔用螺栓连接并用粘结剂黏合。然后把三个带有导线连接件10的横梁9通过螺丝或焊接固定在盒体内部设计位置处，并连接电缆。将第三块安装好振弦1的工作膜片，通过螺栓或焊接，与原先制作好的部分安装在一起。[0025] 把透水石或微孔滤网15安装在刚性膜片12内侧后，将刚性膜片12通过螺栓或焊接安装在C3腔室工作膜片8的表面。 制作完成的同步测量水压力和土压力的三向振弦式传感器可用于同时测量传感器埋设处的孔隙水压力、垂直和水平土压力，适用于公路、建筑、矿业等部门。本实用新型加工方便、结构简单、造价低廉。
权利要求一种同步测量水压力和土压力的三向振弦式传感器，外形为立方体结构，其特征在于，内部由金属隔板分割为三个空间几何尺寸相同的工作腔室C1、C2、C3和一个导线电缆腔室C4；立方体外部由工作膜片(8、17、18)、非工作膜片(13、19、20)和刚性膜片(12)组成，其中，各工作膜片上都分别安装有支架(6)和线圈(2)，振弦支架(6)顶端与工作膜片相连，底端与振弦(1)相连；工作膜片(8)的外侧安装一个刚性膜片(12)，在刚性膜片(12)上设有通孔(14)，内侧安装透水石或微孔滤网(15)，并且透水石或微孔滤网(15)和工作膜片(8)之间留有水压作用空间(16)。
2. 如权利要求1所述的一种同步测量水压力和土压力的三向振弦式传感器，其特征在于，工作腔室Cl、 C2与C3设置有相同结构，并分别装有振弦传感器，腔室C3中的振弦传感器用于测量孔隙水压力，腔室C2中的振弦传感器用于测量水平土压力，顶部腔室C1中的振弦传感器用于测量垂直土压力。
专利摘要一种同步测量水压力和土压力的三向振弦式传感器，属于土木工程测试仪器领域。本实用新型内部由金属隔板分割为三个空间几何尺寸相同的工作腔室和一个导线电缆腔室，立方体由三个工作膜片、三个非工作膜片及一个刚性膜片组成。其中一工作膜片用于感应水压力，其外侧安装有刚性膜片，刚性膜片上打有通孔，刚性膜片内侧安装有透水石或微孔滤网，工作膜片与透水石或微孔滤网间留有水压作用空间；另两个工作膜片用于感应垂直和水平方向土压力。工作膜片与待测压力直接接触，当压力变化时，膜片即感受作用力而发生挠曲变形，从而带动两个支架向两侧拉开，振弦被拉紧，其频率发生改变，根据频率变化量可测得压力大小。本实用新型可同时测量传感器埋设位置的水压力、垂直土压力和水平土压力，适用于公路、建筑、矿业等部门，并且加工方便，结构简单，造价低廉。
文档编号G01L1/10GK201532280SQ20092024711
公开日2010年7月21日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者吴顺川, 高永涛 申请人:北京科技大学