專利名稱：一種應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木工程室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，且特別涉及一種應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀。
背景技術(shù)：
在建立土的本構(gòu)模型時(shí)，必須首先確定塑性屈服面方程。應(yīng)力路徑試驗(yàn)是獲得塑性屈服面的重要手段，要求試驗(yàn)儀器能對(duì)荷載進(jìn)行自動(dòng)控制，以獲得符合要求的各種應(yīng)力路徑。應(yīng)力路徑試驗(yàn)中最常用的儀器母體是常規(guī)三軸儀。常規(guī)三軸儀主要用來測(cè)量土的強(qiáng)度指標(biāo)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力路徑，是直觀簡(jiǎn)單且可靠有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。自1930年研制成功以來，歷經(jīng)70多年的發(fā)展，已在土工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常規(guī)三軸儀能進(jìn)行排水和不排水剪切實(shí)驗(yàn)，可以完整的反映試樣從開始變形到破壞的整個(gè)過程，數(shù)據(jù)量測(cè)可靠，是基本的室內(nèi)土工試驗(yàn)儀器。但一般常規(guī)三軸儀有其局限性它只能進(jìn)行應(yīng)變控制實(shí)驗(yàn)，通過電機(jī)帶動(dòng)壓力室以一定速率上升來實(shí)現(xiàn)軸向應(yīng)力加載，無法進(jìn)行應(yīng)力控制實(shí)驗(yàn)；圍壓大小需要手動(dòng)控制，不便于在實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)變化?；谝陨显虺Ｒ?guī)三軸儀無法用來進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力路徑實(shí)驗(yàn)。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)具有相關(guān)性的專利為應(yīng)變控制式三軸儀剪切裝置(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?2286391. 5)，該專利在三軸主機(jī)的立柱上，放置多個(gè)壓力室支撐裝置，以實(shí)現(xiàn)三至四個(gè)土樣同時(shí)固結(jié)、分別剪切的目的，但是該技術(shù)未涉及應(yīng)力路徑自動(dòng)控制方面的技術(shù)。另外還有專利一種土工三軸儀壓力室(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?200810037713. X)，該專利涉及一種土工三軸儀壓力室，具有一個(gè)與壓力罩頂蓋中心滑配的活塞，活塞的斷面面積和形狀與壓力室中具體試驗(yàn)的試樣的斷面面積和形狀相同。實(shí)現(xiàn)了土樣無側(cè)限條件，試驗(yàn)土樣的種類和最大高度都得到了增加，提高了壓力室的通用性。但是該技術(shù)也未涉及應(yīng)力路徑自動(dòng)控制方面的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供了一種應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀。本發(fā)明通過在常規(guī)三軸儀上改進(jìn)和加裝壓力控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了三軸儀上應(yīng)力路徑自動(dòng)控制的功能。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，包括壓力控制裝置、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置、三軸儀與微機(jī)；其中，所述壓力控制裝置的輸入端與所述微機(jī)相連，所述壓力控制裝置的輸出端與所述三軸儀相連以傳輸壓力荷載；所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置的輸入端與所述三軸儀相連，傳輸位移、壓力和體變的
4模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置的輸出端與所述微機(jī)相連。進(jìn)一步的，所述壓力控制裝置包括空氣壓縮機(jī)、氣壓傳輸三通閥、軸向加壓裝置和圍壓加壓裝置；其中所述軸向加壓裝置的輸入端接收壓力信號(hào)，其輸出端與所述三軸儀相連，控制軸向壓力；所述圍壓加壓裝置的輸入端接收壓力信號(hào)，其輸出端與所述三軸儀相連，控制圍壓；所述氣壓傳輸三通閥分別與所述空氣壓縮機(jī)、軸向加壓裝置和圍壓加壓裝置相連，控制總的氣壓通斷。進(jìn)一步的，所述氣壓傳輸三通閥采用金屬制T型三通三向閥門，其耐壓范圍為-IOMPa +lOMPa。進(jìn)一步的，所述軸向加壓裝置包括第一電空轉(zhuǎn)換器、第一單向閥與軸向加壓氣缸； 所述圍壓加壓裝置包括第二電空轉(zhuǎn)換器、第二單向閥與圍壓高壓密閉蓄水瓶。進(jìn)一步的，所述第一單向閥和第二單向閥為金屬制雙通單向閥門，耐壓范圍為-IOMPa +lOMPa。進(jìn)一步的，所述第一電空轉(zhuǎn)換器和第二電空轉(zhuǎn)換器在收到電壓信號(hào)時(shí)負(fù)責(zé)氣流控制的擋板和噴嘴間的間距變窄，控制壓力上升；反之則壓力下降，其壓力輸入范圍0. 8 1. 2MPa，壓力輸出范圍0. 02 0. 84MPa,電壓范圍0 IOV。進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置包括壓力傳感器、位移計(jì)、體變計(jì)與孔壓計(jì)、 數(shù)據(jù)采集儀；其中所述壓力傳感器的輸入端分別與所述軸向加壓裝置與所述圍壓加壓裝置連接，測(cè)量壓力，所述壓力傳感器的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連；所述位移計(jì)設(shè)置在所述三軸儀上，測(cè)量土體軸向變形，所述位移計(jì)的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連；所述體變計(jì)與所述三軸儀的排水口相連，測(cè)量土體體變，所述體變計(jì)的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連；所述孔壓計(jì)采用所述三軸儀的測(cè)量設(shè)備，測(cè)量孔隙水壓力，所述孔壓計(jì)的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連。進(jìn)一步的，所述孔壓計(jì)采用應(yīng)變式壓力傳感器，其工作范圍為0MPa 1. OMpa ；所述位移計(jì)采用應(yīng)變式位移傳感器，其工作范圍為0mm 30mm ；所述壓力傳感器采用應(yīng)變式壓力傳感器，其工作范圍為0 1. OMPa0進(jìn)一步的，所述微機(jī)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、計(jì)算機(jī)與控制程序模塊；其中，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸入端與所述計(jì)算機(jī)相連，接收數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸出端與電空轉(zhuǎn)換器相連，傳輸模擬信號(hào)；數(shù)據(jù)采集儀輸出端與所述計(jì)算機(jī)相連，所述計(jì)算機(jī)中的控制程序模塊接收數(shù)據(jù)，處理并儲(chǔ)存，同時(shí)通過所述計(jì)算機(jī)向所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡發(fā)送數(shù)字信號(hào)控制壓力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在常規(guī)三軸儀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力路徑自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的功能，可以進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力路徑實(shí)驗(yàn)；軸向加壓氣缸的添加使常規(guī)三軸儀能進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)；圍壓與軸向壓力在實(shí)驗(yàn)過程中都可自動(dòng)變化，且數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集過程自動(dòng)。


圖1所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。請(qǐng)參考圖1，圖1所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提出一種應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，包括壓力控制裝置 1、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置2、三軸儀3與微機(jī)4;其中，所述壓力控制裝置1的輸入端與所述微機(jī)4相連，所述壓力控制裝置1的輸出端與所述三軸儀3相連以傳輸壓力荷載；所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置2的輸入端與所述三軸儀3相連，傳輸位移、壓力和體變的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置2的輸出端與所述微機(jī)4相連。根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例，所述壓力控制裝置1包括空氣壓縮機(jī)5、氣壓傳輸三通閥6、軸向加壓裝置22和圍壓加壓裝置23 ；其中所述軸向加壓裝置22的輸入端接收壓力信號(hào)，其輸出端與所述三軸儀3相連，控制軸向壓力；所述圍壓加壓裝置23的輸入端接收壓力信號(hào)，其輸出端與所述三軸儀3相連，控制圍壓；所述氣壓傳輸三通閥6分別與所述空氣壓縮機(jī)5、軸向加壓裝置22和圍壓加壓裝置23相連，控制總的氣壓通斷。背壓無需自動(dòng)控制，沿用原常規(guī)三軸儀3的加壓系統(tǒng)。進(jìn)一步的，所述氣壓傳輸三通閥6采用金屬制T型三通三向閥門，其耐壓范圍為-IOMPa +lOMPa。所述軸向加壓裝置22包括第一電空轉(zhuǎn)換器7、第一單向閥9與軸向加壓氣缸11 ； 所述圍壓加壓裝置23包括第二電空轉(zhuǎn)換器8、第二單向閥10與圍壓高壓密閉蓄水瓶12。進(jìn)一步的，所述第一單向閥9和第二單向閥10為金屬制雙通單向閥門，耐壓范圍為-IOMPa +lOMPa。所述第一電空轉(zhuǎn)換器7和第二電空轉(zhuǎn)換器8在收到電壓信號(hào)時(shí)負(fù)責(zé)氣流控制的擋板和噴嘴間的間距變窄，控制壓力上升；反之則壓力下降，其壓力輸入范圍 0. 8 1. 2MPa，壓力輸出范圍0. 02 0. 84MPa，電壓范圍0 10V。所述的軸向加壓氣缸 11直徑為20cm。所述的圍壓高壓密閉蓄水瓶12直徑為25cm，高40cm。根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例，所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置2包括壓力傳感器13和14、 位移計(jì)17、體變計(jì)16與孔壓計(jì)15、數(shù)據(jù)采集儀18 ；其中所述壓力傳感器13和14的輸入端分別與所述軸向加壓裝置22中第一電空轉(zhuǎn)換器7以及所述圍壓加壓裝置23中第二電空轉(zhuǎn)換器8連接，測(cè)量壓力，所述壓力傳感器13和14的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀18相連；所述位移計(jì)17設(shè)置在所述三軸儀3上，測(cè)量土體軸向變形，所述位移計(jì)17的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀18相連；所述體變計(jì)16與所述三軸儀3的排水口相連，測(cè)量土體體變，所述體變計(jì)16的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀18相連；所述孔壓計(jì)15采用所述三軸儀3的測(cè)量設(shè)備， 測(cè)量孔隙水壓力，所述孔壓計(jì)15的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀18相連。進(jìn)一步的，本實(shí)施例選用的三軸儀3是國(guó)內(nèi)具有大量用戶的SJ-IA常規(guī)三軸儀，該常規(guī)三軸儀3包括壓力室、變速箱、支架、電機(jī)和孔壓計(jì)15。所述孔壓計(jì)15采用應(yīng)變式壓力傳感器，其工作范圍為=OMPa 1. OMpa ；所述位移計(jì)17采用應(yīng)變式位移傳感器，其工作范圍為0_ 30_ ；所述壓力傳感器13和14采用應(yīng)變式壓力傳感器，其工作范圍為0 1. OMPa。根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例，所述微機(jī)4包括數(shù)模轉(zhuǎn)換卡21、計(jì)算機(jī)19與控制程序模塊20 ；其中，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡21的輸入端與所述計(jì)算機(jī)19相連，接收數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡21的輸出端與第一電空轉(zhuǎn)換器7以及第二電空轉(zhuǎn)換器8相連，傳輸模擬信號(hào)；數(shù)據(jù)采集儀18輸出端與所述計(jì)算機(jī)19相連，所述計(jì)算機(jī)19中的控制程序模塊20接收數(shù)據(jù)， 處理并儲(chǔ)存，同時(shí)通過所述計(jì)算機(jī)19向所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡21發(fā)送數(shù)字信號(hào)控制壓力。本發(fā)明較佳實(shí)施例的工作過程如下1、安裝試件至壓力室，并調(diào)整位移計(jì)17和體變計(jì)16至合適的初始狀態(tài)。2、打開氣壓傳輸三通閥6至連通狀態(tài)，將壓力室內(nèi)注滿水。3、打開計(jì)算機(jī)19，打開數(shù)據(jù)采集儀18，開始進(jìn)行壓力調(diào)整。4、第一電空自動(dòng)轉(zhuǎn)換器7和第二電空自動(dòng)轉(zhuǎn)換器8逐漸提高輸出電壓(從0到 9v)，將壓力由0提升至某任意值，并測(cè)得各電壓值對(duì)應(yīng)的輸出空氣壓力值，得到電壓與輸出空氣壓力的相關(guān)曲線與比例系數(shù)。后續(xù)工作中將按照該比例系數(shù)在用電壓來控制輸出空氣壓力。5、將自動(dòng)控制部分的壓力歸零，打開第一單向閥9和第二單向閥10。6、在控制程序模塊20中輸入試樣尺寸，固結(jié)及剪切時(shí)間，測(cè)試應(yīng)力路徑等信息。7、啟動(dòng)控制程序模塊20，測(cè)試由電腦全自動(dòng)控制固結(jié)和剪切過程，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)19的記憶裝置(一般為硬盤)內(nèi)，直至剪切結(jié)束。8、對(duì)計(jì)算機(jī)19內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，得到所需結(jié)果。綜上所述，本發(fā)明在常規(guī)三軸儀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力路徑自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的功能， 可以進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力路徑實(shí)驗(yàn)；軸向加壓氣缸的添加使常規(guī)三軸儀能進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)；圍壓與軸向壓力在實(shí)驗(yàn)過程中都可自動(dòng)變化，且數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集過程自動(dòng)，具有功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，其特征在于，包括 壓力控制裝置、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置、三軸儀與微機(jī)；其中，所述壓力控制裝置的輸入端與所述微機(jī)相連，所述壓力控制裝置的輸出端與所述三軸儀相連以傳輸壓力荷載；所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置的輸入端與所述三軸儀相連，傳輸位移、壓力和體變的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置的輸出端與所述微機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述壓力控制裝置包括空氣壓縮機(jī)、氣壓傳輸三通閥、軸向加壓裝置和圍壓加壓裝置； 其中所述軸向加壓裝置的輸入端接收壓力信號(hào)，其輸出端與所述三軸儀相連，控制軸向壓力；所述圍壓加壓裝置的輸入端接收壓力信號(hào)，其輸出端與所述三軸儀相連，控制圍壓； 所述氣壓傳輸三通閥分別與所述空氣壓縮機(jī)、軸向加壓裝置和圍壓加壓裝置相連，控制總的氣壓通斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述氣壓傳輸三通閥采用金屬制T型三通三向閥門，其耐壓范圍為-IOMPa +lOMPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述軸向加壓裝置包括第一電空轉(zhuǎn)換器、第一單向閥與軸向加壓氣缸；所述圍壓加壓裝置包括第二電空轉(zhuǎn)換器、第二單向閥與圍壓高壓密閉蓄水瓶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述第一單向閥和第二單向閥為金屬制雙通單向閥門，耐壓范圍為-IOMPa +lOMPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述第一電空轉(zhuǎn)換器和第二電空轉(zhuǎn)換器在收到電壓信號(hào)時(shí)負(fù)責(zé)氣流控制的擋板和噴嘴間的間距變窄，控制壓力上升；反之則壓力下降，其壓力輸入范圍0· 8 1. 2MPa,壓力輸出范圍0· 02 0.84MPa,電壓范圍0 IOV。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置包括壓力傳感器、位移計(jì)、體變計(jì)與孔壓計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀；其中所述壓力傳感器的輸入端分別與所述軸向加壓裝置與所述圍壓加壓裝置連接， 測(cè)量壓力，所述壓力傳感器的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連；所述位移計(jì)設(shè)置在所述三軸儀上，測(cè)量土體軸向變形，所述位移計(jì)的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連；所述體變計(jì)與所述三軸儀的排水口相連，測(cè)量土體體變，所述體變計(jì)的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連；所述孔壓計(jì)采用所述三軸儀的測(cè)量設(shè)備，測(cè)量孔隙水壓力，所述孔壓計(jì)的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集儀相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述孔壓計(jì)采用應(yīng)變式壓力傳感器，其工作范圍為0ΜΙ^ l.OMpa ；所述位移計(jì)采用應(yīng)變式位移傳感器， 其工作范圍為0mm 30mm ；所述壓力傳感器采用應(yīng)變式壓力傳感器，其工作范圍為0 1.OMPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，其特征在于，所述微機(jī)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、計(jì)算機(jī)與控制程序模塊；其中，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸入端與所述計(jì)算機(jī)相連，接收數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸出端與電空轉(zhuǎn)換器相連，傳輸模擬信號(hào)；數(shù)據(jù)采集儀輸出端與所述計(jì)算機(jī)相連，所述計(jì)算機(jī)中的控制程序模塊接收數(shù)據(jù)，處理并儲(chǔ)存，同時(shí)通過所述計(jì)算機(jī)向所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡發(fā)送數(shù)字信號(hào)控制壓力。
全文摘要
本發(fā)明提出一種應(yīng)力路徑自動(dòng)控制三軸儀，包括壓力控制裝置、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置、常規(guī)三軸儀微機(jī)。其中，壓力控制裝置的輸入端與微機(jī)相連，輸出端與常規(guī)三軸儀相連以傳輸壓力荷載；數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置輸入端與三軸儀相連，傳輸位移、壓力和體變的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，輸出端與微機(jī)相連，記錄數(shù)據(jù)。本發(fā)明在常規(guī)三軸儀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力路徑自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的功能，可以進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力路徑實(shí)驗(yàn)；軸向加壓氣缸的添加使常規(guī)三軸儀能進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)；圍壓與軸向壓力在實(shí)驗(yàn)過程中都可自動(dòng)變化，且數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集過程自動(dòng)，具有功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/24GK102353596SQ20111025350
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者葉冠林, 王建華, 盛佳韌 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)