專(zhuān)利名稱(chēng)：用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移計(jì)，具體地說(shuō)是一種用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位 移計(jì)。
背景技術(shù)：
以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)，起源于17世紀(jì)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和完善，到20世 紀(jì)70年代，得到了空前的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及科學(xué)研究的所有學(xué)科。地 下洞室模型試驗(yàn)正是起始于這一時(shí)期，主要是由于交通、水電等工程中一些地下洞室的規(guī)模 越來(lái)越大，需要認(rèn)真研究其圍巖的穩(wěn)定性。這種需要有力地促進(jìn)了地下洞室模型試驗(yàn)的發(fā)展； 反過(guò)來(lái)，地下洞室模型試驗(yàn)解決了工程實(shí)際中的許多當(dāng)時(shí)難以解決的問(wèn)題，推動(dòng)了大型地下 洞室工程的建設(shè)。在國(guó)內(nèi)，地下洞室模型試驗(yàn)開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末期80年代初期，也是 由于工程建設(shè)的需要而發(fā)展起來(lái)的。進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，就必然要進(jìn)行位移測(cè)量。位移 測(cè)量多采用位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，以下先對(duì)國(guó)內(nèi)外一些主要應(yīng)用于模型試驗(yàn)的位移測(cè)量方法 和設(shè)備進(jìn)行介紹
(1) 在大朝山水電站巖壁吊車(chē)梁模型試驗(yàn)研究采用了百分表對(duì)位移標(biāo)定進(jìn)行位移測(cè)量， 這種古老的方法無(wú)法應(yīng)用無(wú)模型內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。
(2) 總參工程兵科研三所研制了一套由模型塊體內(nèi)的預(yù)埋件和外部的千分表組成的聯(lián)桿 系統(tǒng)，解決了洞壁絕對(duì)位移的量測(cè)問(wèn)題。這套系統(tǒng)采用千分表進(jìn)行測(cè)量，精度較低。采用聯(lián) 桿件進(jìn)行位移傳遞，占用模型內(nèi)部空間大，并影響模型自身變形。
(3) 山東大學(xué)研制了一套由光柵尺，鋼絲繩和模型塊體內(nèi)預(yù)埋件組成的多點(diǎn)位移計(jì)系統(tǒng)， 測(cè)量精度高。它需要把位移通過(guò)鋼絲繩傳遞到模型外部進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)鋼絲繩遇到洞室或其他 不可穿越的結(jié)構(gòu)時(shí)，就無(wú)法將位移傳遞到外部的光柵尺進(jìn)行測(cè)量。
(4) 在三維模型中，地質(zhì)構(gòu)造(如斷層或夾層)內(nèi)部相對(duì)位移的測(cè)量十分重要,而內(nèi)部位移 傳感器并沒(méi)有現(xiàn)成的產(chǎn)品。長(zhǎng)江科學(xué)院研制出一種高精度位移計(jì)，采用等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)形式， 用0. 5 mm厚的磷銅片制成,在梁上、下部共貼4片電阻片,組成全橋電路,使用時(shí)將其埋設(shè)在 構(gòu)造面的下盤(pán),其上埋一個(gè)固定樁,這樣就可以測(cè)量結(jié)構(gòu)面上、下盤(pán)的相對(duì)位移。這種位移計(jì) 可以埋設(shè)在模型內(nèi)部，但是由于位移計(jì)只能埋設(shè)在測(cè)點(diǎn)附近，并采用固定樁進(jìn)行位移傳遞， 這樣大大破壞了測(cè)點(diǎn)周邊模型材料，并阻礙模型自身的變形，無(wú)法應(yīng)用于多個(gè)洞室之間邊墻 的位移測(cè)量。
(5) 目前國(guó)內(nèi)各廠生產(chǎn)和出售的傳感器長(zhǎng)度一般大于6厘米，而且直徑較大，難以埋設(shè) 于模型內(nèi)部的較小空間內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高、占用空間空間小、可調(diào)節(jié)的用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)。
本實(shí)用新型的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置 懸臂梁式位移計(jì)，包括彈簧鋼片、鋼絲繩、應(yīng)變片，鋼絲繩的兩端分別連接于彈簧片上端和 模型體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處的固定片在彈簧片上端設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓，彈簧片下端固定于厚鋼條上，應(yīng) 變片設(shè)置于靠近彈簧片下端的根部并通過(guò)信號(hào)線與信號(hào)接收處理裝置相連接 所述的鋼絲繩外部設(shè)有塑料保護(hù)套管。
所述的固定片為圓鋼片，其側(cè)面上設(shè)有三個(gè)側(cè)翼，端面中間設(shè)有小孔，鋼絲繩穿過(guò)小孔 與固定片連接。
所述的應(yīng)變片在彈簧片的根部上下表面各貼有兩片，并接成半橋電路。 其中，信號(hào)接收處理裝置是通用設(shè)備，在此不再贅述。
本實(shí)用新型與國(guó)內(nèi)外其他用于模型試驗(yàn)的位移計(jì)相比，微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)具有如 下顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)
(1) 小型化，占用空間小。懸臂梁式位移計(jì)采用固定片和鋼絲繩來(lái)傳遞所測(cè)兩點(diǎn)間的位 移，因體型小(長(zhǎng)度為3~4厘米)，對(duì)測(cè)點(diǎn)周?chē)牧掀茐某潭刃??？梢苑奖愕穆裨O(shè)在模型內(nèi)部。
(2) 靈敏度高。懸臂梁根部對(duì)位移相應(yīng)靈敏，并且懸臂梁剛度小，對(duì)鋼絲繩的拉力也小， 不會(huì)阻礙測(cè)點(diǎn)的位移。
(3) 構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便，成本低。所用的部件都可以很容易的買(mǎi)到，價(jià)格低，很具有 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
(4) 可調(diào)節(jié)性。懸臂梁式位移計(jì)埋設(shè)到模型內(nèi)部后，若因?yàn)槠渌蛩厥刮灰朴?jì)初始狀態(tài) 改變，可以通過(guò)調(diào)節(jié)裝置改變其初始狀態(tài)，使其符合以后的量測(cè)要求。
(5) 可以埋設(shè)于模型內(nèi)部。在無(wú)法將位移傳遞到模型外部進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以將懸臂梁式 位移計(jì)埋設(shè)在模型內(nèi)部，引出信號(hào)線進(jìn)行測(cè)量。


圖l是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖2為本實(shí)用新型的使用狀態(tài)圖3是懸臂梁式彈性元件的力學(xué)模型其中l(wèi).調(diào)節(jié)螺栓，2.鋼絲繩，3.彈簧片，4.應(yīng)變片，5.厚鋼條，6.模型體，7.測(cè)試端，8. 固定端，9.導(dǎo)線，10.靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)原理如下
1.懸臂梁式彈性元件原理
如圖3所示，懸臂梁AB的力臂長(zhǎng)度為1， B端固定，自由端A點(diǎn)有作用力F，在梁的上 表面C點(diǎn)貼有應(yīng)變片，A、 C兩點(diǎn)的距離為a。橫截面為矩形，厚度為h,寬度為b.由材料 表面C點(diǎn)貼有應(yīng)變片，A、 C兩點(diǎn)的距離為a。橫截面為矩形，厚度為h，寬度為b.由材料 力學(xué)可知，A點(diǎn)的撓度f(wàn)與C點(diǎn)的應(yīng)變s的關(guān)系為-
e=3hmf/212 式中長(zhǎng)度單位均為毫米，則m-a/1。
將上式微分即得靈敏度
de/d卜3hm/212
它與梁的厚度成正比，與梁的長(zhǎng)度平方成反比。作用力(或稱(chēng)變形反力)F與撓度f(wàn)的關(guān)系
為
F=Eb(M)3f/4
由上式可見(jiàn)，改變材料彈性模量E或梁的寬度b,可調(diào)整變形反力的大小，而不影響撓度 與應(yīng)變的關(guān)系。 2.測(cè)量電路
在梁的根部上下表面各貼兩片應(yīng)變變，接成半橋電路。這個(gè)可以消除溫度應(yīng)變，并且應(yīng) 變讀數(shù)為2s,提高了靈敏度。
圖1中，鋼絲繩2的一端連接于彈簧3片的一端，鋼絲繩2的另一端與模型內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的 固定片相連；彈簧片3與鋼絲繩2連接一端上設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓1，調(diào)節(jié)螺栓1可以用來(lái)調(diào)節(jié)位 移計(jì)的初始狀態(tài)，避免位移計(jì)超過(guò)量測(cè)范圍；彈簧片3另一端固定于厚鋼條5上，作為懸臂 梁的固定端；應(yīng)變片4設(shè)置于彈簧片3與厚鋼條5連接端的根部并通過(guò)信號(hào)線與信號(hào)接收處 理裝置相連接。鋼絲繩2外部設(shè)有塑料管。固定片為圓鋼片，其側(cè)面上設(shè)有三個(gè)側(cè)翼，端面 中間設(shè)有小孔，鋼絲繩2穿過(guò)小孔與其連接。應(yīng)變片4在彈簧片3的根部上下表面各貼有兩 片，并接成半橋電路。其中，信號(hào)接收處理裝置是現(xiàn)有設(shè)備，在此不再贅述。
鋼絲繩2直徑為0.5皿，由7X7股細(xì)鋼絲絞成，抗拉剛度大并且柔軟，用于在位移計(jì)受 拉時(shí)傳遞位移；應(yīng)變片4貼在懸臂梁的根部，用來(lái)測(cè)量懸臂端位移而產(chǎn)生的懸臂梁根部應(yīng)變。 懸臂梁式位移計(jì)的懸臂梁為長(zhǎng)28cm、厚lmm的彈簧片3。彈簧片3的側(cè)向剛度很小，懸臂 端發(fā)生位移所產(chǎn)生的反力也很小，不會(huì)對(duì)模型側(cè)點(diǎn)的位移產(chǎn)生阻礙；彈簧片3為高強(qiáng)彈簧鋼， 彈性好，在懸臂梁根部的應(yīng)變片達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)彈簧片3仍處于彈性階段，可回復(fù)到初始狀 態(tài)，有效的增加了位移計(jì)的量程，也滿(mǎn)足了位移計(jì)可重復(fù)性的要求；彈簧片3根部的應(yīng)變對(duì) 懸臂端的位移響應(yīng)靈敏，在根部上下表面各貼兩片應(yīng)變片4，可接成半橋電路，這樣可以消 除溫度應(yīng)變，應(yīng)變讀數(shù)為實(shí)際應(yīng)變的兩倍，使得測(cè)量精度提高到0.005mm。懸臂梁式位移計(jì) 在模型測(cè)點(diǎn)埋設(shè)所用部件尺寸小，鋼絲繩2在模型內(nèi)部所需要的空間小，對(duì)模型破壞小，不 影響模型洞室邊墻的變形。鋼絲繩2另一端與模型內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的固定片相連，鋼絲繩2采用直 徑lcm的塑料管保護(hù)，保證位移傳遞不受模型材料阻礙。固定片為直徑8mm，厚2ram的圓 鋼片，三側(cè)伸出8mm的側(cè)翼，體積小，對(duì)模型內(nèi)部側(cè)點(diǎn)附近的材料破壞小，又能保證固定片 能夠與測(cè)點(diǎn)處模型材料固定牢固。固定片中間鉆小孔，與鋼絲繩2連接，安裝時(shí)先埋設(shè)固定 片，再固定位移計(jì)，最后連接鋼絲繩2，這種分離式的裝配方法適應(yīng)了地質(zhì)模型試驗(yàn)的特點(diǎn)，
使得位移計(jì)能夠很方便的埋設(shè)于模型內(nèi)部。
圖2所示，埋設(shè)于模型體6內(nèi)部的懸臂梁式位移計(jì)測(cè)試端7通過(guò)鋼絲繩2與設(shè)置于模型 體6內(nèi)部的固定端8相連接。測(cè)試端7再通過(guò)導(dǎo)線9連接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀10上。
權(quán)利要求
1.一種用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)，包括彈簧片、鋼絲繩、應(yīng)變片，其特征在于鋼絲繩的兩端分別連接于彈簧片上端和模型體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處的固定片；在彈簧片上端設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓，彈簧片下端固定于厚鋼條上，應(yīng)變片設(shè)置于靠近彈簧片下端的根部并通過(guò)信號(hào)線與信號(hào)接收處理裝置相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)，其特征在 于所述的鋼絲繩外部設(shè)有塑料保護(hù)套管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)，其特征在 于所述的固定片為圓鋼片，其側(cè)面上設(shè)有三個(gè)側(cè)翼，端面中間設(shè)有小孔，鋼絲繩穿過(guò)小孔 與固定片連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)，其特征在 于所述的應(yīng)變片在彈簧片的根部上下表面各貼有兩片，并接成半橋電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置懸臂梁式位移計(jì)，包括彈簧片、鋼絲繩、應(yīng)變片等，鋼絲繩的兩端分別連接于彈簧片上端和模型內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處；在彈簧片上端上設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓。彈簧片下端固定于厚鋼條上，應(yīng)變片設(shè)置于靠近彈簧片下端的根部，并通過(guò)信號(hào)線與信號(hào)接收處理裝置相連接。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)小型化，占用空間小。(2)靈敏度高。(3)構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便，成本低。(4)可調(diào)節(jié)性。(5)可以埋設(shè)于模型內(nèi)部?？梢詫⒈疚灰朴?jì)埋設(shè)在模型內(nèi)部，引出信號(hào)線進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B7/02GK101344372SQ20081013897
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者孫林鋒, 張乾兵, 朱維申, 李術(shù)才 申請(qǐng)人:山東大學(xué)