一種液壓式土壓力傳感器，屬于土壓力檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

巖土介質(zhì)中土壓力測量是土力學理論和巖土工程試驗研究的一個重要內(nèi)容，大量巖土工程理論和實際問題的解決，往往主要依靠現(xiàn)場原型或室內(nèi)模型試驗直接的測量結(jié)果。而現(xiàn)場試驗的周期長、過程復雜、費用高一直是制約現(xiàn)場試驗的重要問題，因此長期以來室內(nèi)模型試驗一直是土力學理論和巖土工程試驗研究的重要手段。

目前，應用于土壓力檢測的傳感器主要有振弦式、電阻應變式、差動電阻式、氣壓式和電感調(diào)頻式等。振弦式、電阻應變式、差動電阻式、氣壓式、電感調(diào)頻式土壓力傳感器存在長期穩(wěn)定性差、量程大、精度低、靈敏度低、易受電磁侵擾等弊端。在室內(nèi)模型試驗中，土壓力值一般都比較小，因此保證土壓力測試的準確度就成了室內(nèi)模型試驗成功與否的關(guān)鍵，然而上述這些傳感器都很難滿足室內(nèi)模型試驗中土壓力檢測的小量程、高靈敏度的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種小量程、高靈敏度的土壓力檢測裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案：一種液壓式土壓力傳感器，包括盒體、量測裝置和密封裝置；所述盒體包括頂蓋、側(cè)盒和底盒；

所述底盒為頂部敞口、底部封閉的空心圓柱體結(jié)構(gòu)，底盒的頂面上開有一圈U型槽將底盒的頂面分為外環(huán)面和內(nèi)環(huán)面兩部分，底盒側(cè)面設有與其內(nèi)底面平齊的連接孔，所述側(cè)盒為頂、底均敞口的空心圓管結(jié)構(gòu)，側(cè)盒的底部插裝在底盒頂部的U型槽內(nèi)，并且在側(cè)盒底面與底盒的U型槽底面之間設有彈簧，側(cè)盒的頂部設置有臺階，頂蓋的邊緣也設置有臺階，頂蓋的邊緣搭在側(cè)盒頂部的臺階上并用多個第一螺釘固定，所述頂蓋上設有溢流孔，溢流孔中設置有封堵組件；

所述量測裝置包括管架、刻度面板和透明玻璃管，所述刻度面板和透明玻璃管均豎直固定在管架上，且透明玻璃管緊挨刻度面板，透明玻璃管的底部與水平連接管的一端連通，水平連接管的另一端與底盒側(cè)面的連接孔連通；

所述密封裝置包括可伸縮密封套、內(nèi)密封壓圈和橡膠套，所述可伸縮密封套套裝在側(cè)盒外壁，所述橡膠套安裝在側(cè)盒內(nèi)部，橡膠套為薄壁環(huán)形，且其截面為開口向外的槽形，橡膠套的上邊沿位于側(cè)盒和頂蓋接觸的臺階上被頂蓋壓緊，橡膠套的下邊沿位于底盒內(nèi)環(huán)面上，內(nèi)密封壓圈位于橡膠套下邊沿上，第二螺釘將內(nèi)密封壓圈及橡膠套下邊沿壓緊在底盒的內(nèi)環(huán)面上。

所述側(cè)盒上部外側(cè)具有凸沿，所述凸沿的底面上、底盒頂部外環(huán)面上均開有T型凹槽，所述可伸縮密封套的頂端、底端均為與T型凹槽相適應的T型結(jié)構(gòu)，可伸縮密封套通過頂端、底端插入T型凹槽與側(cè)盒、底盒固定在一起。

所述底盒的外環(huán)面與內(nèi)密封壓圈的頂面平齊。

所述封堵組件包括帽式壓桿、壓板、復位彈簧和環(huán)形密封圈，所述帽式壓桿豎直設置在溢流孔中，所述復位彈簧套裝在帽式壓桿外部，且其下端支撐在溢流孔內(nèi)的臺階上，上端頂住帽式壓桿，所述壓板水平固定在帽式壓桿底部，所述環(huán)形密封圈位于壓板和頂蓋之間。

在所述封堵組件的上方還設有蓋板，所述蓋板通過轉(zhuǎn)軸鉸接在頂蓋上。

所述量測裝置還包括至少兩個管卡，所述管卡用于將刻度面板和透明玻璃管卡接固定。

所述側(cè)盒底部與底盒頂部U型槽為間隙配合。

本實用新型在室內(nèi)模型試驗中檢測土壓力前，需要在土壓力盒中和玻璃管之間空腔中先灌入一定容量的已知密度液體，然后通過下按帽式壓桿、復位彈簧，進而推動環(huán)形密封圈和壓板，使環(huán)形密封圈與頂蓋分離，于是盒體內(nèi)的氣體可以通過帽式壓桿與溢流孔之間的縫隙溢出，從而使測試前，盒體內(nèi)不存在空氣。盒體內(nèi)氣體排完后松開帽式壓桿，在復位彈簧的作用下，環(huán)形密封圈和壓板復位，保證頂蓋重新密封。

本實用新型和現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果。

1、本實用新型的透明玻璃管通過連接管與底盒的連接孔連接，測量時盒體中液體將受到頂蓋的均布壓力而做的功轉(zhuǎn)換為透明玻璃管中液體的勢能，因此透明玻璃管中液柱高度的變化即可反映土壓力的變化。由此看出，本實用新型不僅構(gòu)思簡單，思路清晰，而且量程小、靈敏度高，用流體力學中重力作用下液體靜壓強的分布規(guī)律，轉(zhuǎn)換為被測體所產(chǎn)生的壓力，同時在被測體壓力變化過程中，可以根據(jù)刻度面板直接觀察透明玻璃管中液柱的變化，進而了解被測體壓力的變化規(guī)律，受力與變形結(jié)果的可視性高。

2、本實用新型的側(cè)盒部與底盒頂部U型槽為間隙配合，這種設計使側(cè)盒可以在試驗測量過程中隨U形槽底部彈簧的形變而上下浮動，進而保證盒體內(nèi)液體受到的壓力為均布力。

3、本實用新型通過在側(cè)盒內(nèi)設置內(nèi)密封壓圈和橡膠套作為密封件，使得側(cè)盒的密封性得到保證，能夠防止試驗過程中盒體中的液體外漏；在側(cè)盒外壁設置可伸縮密封套作為密封件，可防止外界的灰塵等雜物進入U形槽或盒體內(nèi)，影響精度。

4、本實用新型制作簡單、試驗成本低，易于推廣。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型中底盒的剖面圖。

圖3為本實用新型中側(cè)盒的剖面圖。

圖4為本實用新型中頂蓋的俯視圖。

圖5為本實用新型中橡膠套的剖面圖。

圖6為本實用新型中橡膠套的立體圖。

圖7為本實用新型中頂蓋的剖面圖。

圖8為圖7中封堵組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本實用新型的液壓傳遞數(shù)學模型圖。

圖中，1為底盒，2為側(cè)盒，3為頂蓋，4為彈簧，5為可伸縮密封套，6為內(nèi)密封壓圈，7為橡膠套，8為溢流孔，9為連接孔，10為連接管，11為透明玻璃管，12為刻度面板，13為管架，14為T型凹槽，15為U型槽，16為第一螺釘，17為第二螺釘，18為管卡，19為封堵組件，20為環(huán)形密封圈，21為復位彈簧，22為帽式壓桿，23為壓板，24為轉(zhuǎn)軸，25為蓋板。

具體實施方式

如圖1-圖8所示，一種液壓式土壓力傳感器，包括盒體、量測裝置和密封裝置；所述盒體包括頂蓋3、側(cè)盒2和底盒1；

所述底盒1為頂部敞口、底部封閉的空心圓柱體結(jié)構(gòu)，底盒1的頂面上開有一圈U型槽15將底盒1的頂面分為外環(huán)面和內(nèi)環(huán)面兩部分，底盒1側(cè)面設有與其內(nèi)底面平齊的連接孔9，所述側(cè)盒2為頂、底均敞口的空心圓管結(jié)構(gòu)，側(cè)盒2的底部插裝在底盒1頂部的U型槽15內(nèi)，并且在側(cè)盒2底面與底盒1的U型槽15底面之間設有彈簧4，側(cè)盒2的頂部設置有臺階，頂蓋3的邊緣也設置有臺階，頂蓋3的邊緣搭在側(cè)盒2頂部的臺階上并用多個第一螺釘16固定，所述頂蓋3上設有溢流孔8，溢流孔8中設置有封堵組件19；

所述量測裝置包括管架13、刻度面板12和透明玻璃管11，所述刻度面板12和透明玻璃管11均豎直固定在管架13上，且透明玻璃管11緊挨刻度面板12，透明玻璃管11的底部與水平連接管10的一端連通，水平連接管10的另一端與底盒1側(cè)面的連接孔9連通；

所述密封裝置包括可伸縮密封套5、內(nèi)密封壓圈6和橡膠套7，所述可伸縮密封套5套裝在側(cè)盒2外壁，所述橡膠套7安裝在側(cè)盒2內(nèi)部，橡膠套7為薄壁環(huán)形，且其截面為開口向外的槽形，橡膠套7的上邊沿位于側(cè)盒2和頂蓋3接觸的臺階上被頂蓋3壓緊，橡膠套7的下邊沿位于底盒1內(nèi)環(huán)面上，內(nèi)密封壓圈6位于橡膠套7下邊沿上，第二螺釘17將內(nèi)密封壓圈6及橡膠套7下邊沿壓緊在底盒1的內(nèi)環(huán)面上。

所述側(cè)盒2上部外側(cè)具有凸沿，所述凸沿的底面上、底盒1頂部外環(huán)面上均開有T型凹槽14，所述可伸縮密封套5的頂端、底端均為與T型凹槽14相適應的T型結(jié)構(gòu)，可伸縮密封套5通過頂端、底端插入T型凹槽14與側(cè)盒2、底盒1固定在一起。

所述底盒1的外環(huán)面與內(nèi)密封壓圈6的頂面平齊。

所述封堵組件19包括帽式壓桿22、壓板23、復位彈簧21和環(huán)形密封圈20，所述帽式壓桿22豎直設置在溢流孔8中，所述復位彈簧21套裝在帽式壓桿22外部，且其下端支撐在溢流孔8內(nèi)的臺階上，上端頂住帽式壓桿22，所述壓板23水平固定在帽式壓桿22底部，所述環(huán)形密封圈20位于壓板23和頂蓋3之間。

在所述封堵組件19的上方還設有蓋板25，所述蓋板25通過轉(zhuǎn)軸24鉸接在頂蓋3上。

所述量測裝置還包括至少兩個管卡18，所述管卡18用于將刻度面板12和透明玻璃管11卡接固定。

所述側(cè)盒2底部與底盒1頂部U型槽15為間隙配合。

本實用新型土壓力傳感器的工作過程為：

1)根據(jù)待測對象的抗壓模量等級要求，確定土壓力傳感器盒體材料，使其與待測對象的剛度接近。盡量保證盒體附近少產(chǎn)生應力集中，減少待測對象的自身受力模式的影響；

2)將已知密度的液體裝入盒體中，排盡里面的氣體，組裝土壓力傳感器；

3)對該土壓力傳感器進行標定，觀察透明導管中液柱高度與標定壓力的變化關(guān)系，留待后續(xù)試驗使用；

4)將該土壓力傳感器埋入待測對象的具體位置，觀察透明玻璃管中液柱高度的變化，從而得到待測對象的壓力值。

圖9為本實用新型的液壓傳遞數(shù)學模型，根據(jù)該模型可以得出待測對象壓力值的計算方法。

透明玻璃管11上端開口，內(nèi)部截面接為A_管，底部與底盒1連通，透明玻璃管11和底盒1中裝已知密度ρ的液體，底盒1中安裝剛度為k的彈簧4，彈簧4支持在底盒1底部與活塞之間，不考慮活塞與缸壁阻力，活塞的重量為G_活，活塞上面積為S_外，下面積為S_內(nèi)，假設在活塞上可填土，土的截面與活塞1上面積S_外相同。

1、初始不填土時，透明玻璃管11和底盒1中裝已知密度液體ρ_液，透明玻璃管11中液面起始高度為L₀的位置，土壓力盒中液面起始高度為h₀，也即活塞底面的位置為h₀。

2、在活塞上填土高度為H₁時，土的密度為ρ_土，活塞下移到距離容器的距離為h₁的位置，玻璃管3中液面上升到L₁的位置。

3、填土的高度與測試液面高度之間的換算關(guān)系

以下計算取活塞底面為計算面。

2)初始，設P_氣為大氣壓，則有

F_向下＝G_活+P_氣·S_外

F_向上＝kx₀+P_氣·S_內(nèi)+ρ_液g·S_內(nèi)(L₀-h₀)

F_向下＝F_向上

故可得：G_活+P_氣·S_外＝kx₀+P_氣·S_內(nèi)+ρ_液g·S_內(nèi)(L₀-h₀) (1)

式中x₀為彈簧初始壓縮量，G_活為活塞的重量；

2)填土高度為H₁時，由

F_向下＝ρ_土gH₁·S_外+G_活+P_氣·S_外

F_向上＝ρ_液g·S_內(nèi)(L₁-h₁)+P_氣·S_內(nèi)+k[x₀+(h₀-h₁)]

F_向下＝F_向上

可得：

ρ_土gH₁·S_外+G_活+P_氣·S_外＝ρ_液g·S_內(nèi)(L₁-h₁)+P_氣·S_內(nèi)+k[x₀+(h₀-h₁)] (2)

式中ρ_土為土的密重，ρ_液為盒體中液體密度；

則有(2)式-(1)式可得

ρ_土gH₁·S_外＝ρ_液g·S_內(nèi)[(L₁-h₁)-(L₀-h₀)]+k(h₀-h₁) (3)

底盒1中活塞向下移動排除的液體體積等于玻璃管3中上升的液體體積，即

S_內(nèi)(h₀-h₁)＝A_管(L₁-L₀)

故可得：h₁＝h₀-A_管(L₁-L₀)/S_內(nèi) (4)

(4)式代入(3)式得

ρ_土gH₁·S_外＝ρ_液g·S_內(nèi)(1+A_管/S_內(nèi))(L₁-L₀)+k·A_管(L₁-L₀)/S_內(nèi)

＝(ρ_液g·S_內(nèi)+ρ_液g·A_管+k·A_管/S_內(nèi))(L₁-L₀)

令L₁-h₀＝Δh₁

可得：ρ_土gH₁＝(ρ_液g·S_內(nèi)/S_外+ρ_液g·A_管/S_外+k·A_管/(S_內(nèi)S_外))Δh₁

當S_內(nèi)/S_外≈1，A_管<<S_內(nèi)時，A_管/(S_內(nèi)·S_外)≈0，A_管/S_外≈0

此時，H₁＝ρ_液Δh₁/ρ_土

上述實施例是對本實用新型結(jié)構(gòu)的解釋而非限制，在不脫離本實用新型原理前提下所作的變形也在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。