高溫高寒lvdt測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于室內(nèi)巖石測試領(lǐng)域，特別涉及高溫高寒LVDT測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫高寒災(zāi)害成為地下隧道和邊坡工程的一種常見災(zāi)害。隨著工程建設(shè)和人類固定的需要，大量深埋隧道將穿越地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運(yùn)動和地?zé)?、低溫低壓環(huán)境活躍的區(qū)域。通常地殼中的溫度高達(dá)1000°C，而地球表面最寒冷地方的溫度低達(dá)_90°C。所以，深埋硬巖隧道將受到高溫的影響，高原邊坡和隧道進(jìn)出口又受到高寒作用，這將導(dǎo)致測量儀器由于環(huán)境的影響存在誤差。如日本的安防公路隧道，最大埋深700m，地溫75°C;中國云南大理到瑞麗鐵路的高黎貢山隧道，最大主應(yīng)力為15?28MPa，最高溫度高達(dá)50°C;中國青海的大坂山隧道海拔3490m，冬令期長達(dá)228d，極端最低氣溫為_34°C ;昆侖山隧道海拔4600m，最低氣溫為_36°C。另外，無論是室內(nèi)試驗(yàn)還是現(xiàn)場監(jiān)測，儀器都將長期處于高溫高寒環(huán)境中，因此本專利更側(cè)重長期穩(wěn)定條件下巖石位移測量的精確性。
[0003]目前在國內(nèi)巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)中，除電阻應(yīng)變片外的軸向變形測試方法，基本未采用如線性可變差動變壓器(LVDT)測量等其他測試方法。而電阻應(yīng)變片的測試方法極易受溫度變化影響，在高溫高寒環(huán)境中根本無法消除溫度的影響。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會在室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法中建議使用電阻應(yīng)變計(jì)，或LVDT傳感器等位移測量裝置，規(guī)定了軸向變形測量傳感器的精度和采集儀的分辨率的要求，但未規(guī)定或或者建議如何消除軸向LVDT傳感器受環(huán)境影響帶來的誤差的方法。如果簡單采用LVDT傳感器在高溫高寒環(huán)境中測量巖石變形，則易造成較大誤差。而目前國內(nèi)測試方法幾乎沒有涉及到測量儀器在高溫高寒環(huán)境中誤差分析及消除方法，如專利號201310172397.8公開的一種巖樣軸向變形測量方法，主要是消除系統(tǒng)變形和接觸面效應(yīng)；專利號201420145413.4公開的LVDT式位移傳感器及汽車載重測量系統(tǒng)，僅僅是采用防塵罩來保證傳感器不受灰塵干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種測試精度、結(jié)果可靠的在室內(nèi)試驗(yàn)測量巖石試樣的裝置和測量方法。
[0005]具體的技術(shù)方案為:
[0006]高溫高寒LVDT測量裝置，包括附加裝置和LVDT傳感器；
[0007]所述的附加裝置，包括彈簧、桿芯、活動底板、活動頂板、上半部空箱、下半部空箱?；顒拥装逦挥谏习氩靠障?、下半部空箱之間，活動頂板在上半部空箱頂部；所述彈簧垂直安裝在上半部空箱內(nèi)，彈簧上下端分別固定在活動頂板和活動底板上；所述桿芯垂直固定在下半部空箱內(nèi)，桿芯上端固定在活動底板，下端連接在下半部空箱箱底固定裝置內(nèi)，固定裝置有消除桿芯的位移空間；
[0008]所述的LVDT傳感器，包括外管、固定桿、感應(yīng)芯、內(nèi)管、測量頭；外管頂部有測量頭，測量頭上有隔溫罩；外管和內(nèi)管之間填充有隔溫材料；內(nèi)管底部固定在外管的底部，頂部固定有彈簧壓縮回彈裝置，內(nèi)管的內(nèi)壁上有感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈的中心有感應(yīng)芯；感應(yīng)芯通過彈簧壓縮回彈裝置與固定桿連接，固定桿安裝在外管內(nèi)，固定桿另一端連接測量頭；感應(yīng)線圈通過出線端蓋與外部設(shè)備連接；外管外壁有上部固定支架和下部固定支架；
[0009]所述的LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱內(nèi)，測量頭和活動底板的下表面無壓力接觸。
[0010]高溫高寒LVDT測量裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0011](I)測量頭在彈簧的壓力和活動底板的帶動下移動，固定桿和感應(yīng)芯同時沿軸線移動，從而改變感應(yīng)線圈之間的互感量，感應(yīng)芯的位移量就變成了感應(yīng)線圈的實(shí)時差動電壓信號從出線端蓋中的線纜輸出；測量附加裝置的桿芯在室溫和特定溫度下壓縮位移ε1、ε 2，計(jì)算出此特定溫度導(dǎo)致的感應(yīng)線圈誤差；
[0012](2)通過上部固定支架和下部固定支架將LVDT傳感器安裝在被測巖石試樣上，使巖石試樣處于同特定溫度環(huán)境中，測量巖樣的位移ε 3；
[0013](3)計(jì)算巖樣的絕對位移ε 4= ε 3+( ε r ε 2) 0
[0014]本發(fā)明提供的高溫高寒LVDT測量裝置及測量方法，在通用的室內(nèi)試驗(yàn)儀器上應(yīng)用，包括MTS、三軸儀、流變儀等，測試誤差可以提升到I %之內(nèi)，測試精度高，結(jié)果可靠，該方法具有可行性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明LVDT傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明LVDT傳感器工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]高溫高寒LVDT測量裝置，包括附加裝置和LVDT傳感器；
[0020]所述的附加裝置，包括彈簧1、桿芯2、活動底板3、活動頂板4、上半部空箱5、下半部空箱6?；顒拥装?位于上半部空箱5、下半部空箱6之間，活動頂板4在上半部空箱5頂部；所述彈簧I垂直安裝在上半部空箱5內(nèi)，彈簧I上下端分別固定在活動頂板4和活動底板3上；所述桿芯2垂直固定在下半部空箱6內(nèi)，桿芯2上端固定在活動底板3，下端連接在下半部空箱6箱底固定裝置內(nèi)，固定裝置有消除桿芯2的位移空間；
[0021]所述的LVDT傳感器，包括外管7、固定桿8、感應(yīng)芯9、內(nèi)管10、測量頭13 ;外管7頂部有測量頭13，測量頭13上有隔溫罩14 ;外管7和內(nèi)管10之間填充有隔溫材料18 ;內(nèi)管10底部固定在外管7的底部，頂部固定有彈簧壓縮回彈裝置16，內(nèi)管10的內(nèi)壁上有感應(yīng)線圈11，感應(yīng)線圈11的中心有感應(yīng)芯9 ;感應(yīng)芯9通過彈簧壓縮回彈裝置16與固定桿8連接，固定桿8安裝在外管7內(nèi)，固定桿8另一端連接測量頭13 ;感應(yīng)線圈11通過出線端蓋12與外部設(shè)備連接；外管7外壁有上部固定支架15和下部固定支架17 ;
[0022]所述的LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱6內(nèi)，測量頭13和活動底板3的下表面無壓力接觸。
[0023]高溫高寒LVDT測量裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0024](I)測量頭13在彈簧I的壓力和活動底板3的帶動下移動，固定桿8和感應(yīng)芯9同時沿軸線移動，從而改變感應(yīng)線圈11之間的互感量，感應(yīng)芯9的位移量就變成了感應(yīng)線圈11的實(shí)時差動電壓信號從出線端蓋12中的線纜輸出；測量附加裝置的桿芯2在室溫和特定溫度下壓縮位移h、ε2，計(jì)算出此特定溫度導(dǎo)致的感應(yīng)線圈11誤差；
[0025](2)通過上部固定支架15和下部固定支架17將LVDT傳感器安裝在被測巖石試樣上，使巖石試樣處于同特定溫度環(huán)境中，測量巖樣的位移ε 3；
[0026](3)計(jì)算巖樣的絕對位移ε 4= ε 3+( ε r ε 2) 0
[0027]上部固定支架15和下部固定支架17之間的標(biāo)距是可調(diào)的。
[0028]LVDT傳感器中的固定桿8和感應(yīng)芯9為鐵鎳合金，熱膨脹系數(shù)極低，能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定長度，所以假定感應(yīng)芯不受溫度的影響；由于LVDT本身的電磁場特性，如兩個次級線圈的電氣參數(shù)會受到溫度變化的影響；另外，在實(shí)際測試過程中，LVDT所感受到的高溫高寒條件，對LVDT內(nèi)置線圈也會產(chǎn)生激勵作用，給系統(tǒng)產(chǎn)生一個附加的輸出。根據(jù)LVDT的實(shí)際工作情況，可以分析出LVDT的主要誤差源為高溫高寒條件下LVDT內(nèi)置線圈的參數(shù)變化，進(jìn)而導(dǎo)致LVDT線圈特性的變化。該測量方法上旨在消除溫度作用在線圈上產(chǎn)生的誤差，進(jìn)而得到巖石試樣的絕對位移值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.高溫高寒LVDT測量裝置，其特征在于:包括附加裝置和LVDT傳感器； 所述的附加裝置，包括彈簧(I)、桿芯(2)、活動底板(3)、活動頂板(4)、上半部空箱(5)、下半部空箱(6);活動底板(3)位于上半部空箱(5)、下半部空箱(6)之間，活動頂板(4)在上半部空箱(5)頂部；所述彈簧(I)垂直安裝在上半部空箱(5)內(nèi)，彈簧(I)上下端分別固定在活動頂板(4)和活動底板(3)上；所述桿芯(2)垂直固定在下半部空箱￠)內(nèi)，桿芯(2)上端固定在活動底板(3)，下端連接在下半部空箱(6)箱底固定裝置內(nèi)，固定裝置有消除桿芯(2)的位移空間； 所述的LVDT傳感器，包括外管(7)、固定桿(8)、感應(yīng)芯(9)、內(nèi)管(10)、測量頭(13);外管(7)頂部有測量頭(13)，測量頭(13)上有隔溫罩(14);外管(7)和內(nèi)管(10)之間填充有隔溫材料(18);內(nèi)管(10)底部固定在外管(7)的底部，頂部固定有彈簧壓縮回彈裝置(16)，內(nèi)管(10)的內(nèi)壁上有感應(yīng)線圈(11)，感應(yīng)線圈(11)的中心有感應(yīng)芯(9);感應(yīng)芯(9)通過彈簧壓縮回彈裝置(16)與固定桿(8)連接，固定桿(8)安裝在外管(7)內(nèi)，固定桿(8)另一端連接測量頭(13);感應(yīng)線圈(11)通過出線端蓋(12)與外部設(shè)備連接；外管(7)外壁有上部固定支架(15)和下部固定支架(17); 所述的LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱￠)內(nèi)，測量頭(13)和活動底板(3)的下表面無壓力接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高寒LVDT測量裝置的測量方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)測量頭(13)在彈簧(I)的壓力和活動底板(3)的帶動下移動，固定桿(8)和感應(yīng)芯(9)同時沿軸線移動，從而改變感應(yīng)線圈(11)之間的互感量，感應(yīng)芯(9)的位移量就變成了感應(yīng)線圈(11)的實(shí)時差動電壓信號從出線端蓋(12)中的線纜輸出；測量附加裝置的桿芯(2)在室溫和特定溫度下壓縮位移ει、ε2，計(jì)算出此特定溫度導(dǎo)致的感應(yīng)線圈(11)誤差; (2)通過上部固定支架(15)和下部固定支架(17)將LVDT傳感器安裝在被測巖石試樣上，使巖石試樣處于同特定溫度環(huán)境中，測量巖樣的位移ε 3； (3)計(jì)算巖樣的絕對位移ε4= ε 3+ ( ε ε 2) 0
【專利摘要】本發(fā)明屬于室內(nèi)巖石測試領(lǐng)域，特別涉及高溫高寒LVDT測量裝置及測量方法，包括附加裝置和LVDT傳感器；附加裝置的活動底板位于上半部空箱、下半部空箱之間，活動頂板在上半部空箱頂部；彈簧上下端分別固定在活動頂板和活動底板上；桿芯上端固定在活動底板，下端連接在下半部空箱箱底固定裝置內(nèi)，固定裝置有消除桿芯的位移空間；LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱內(nèi)，測量頭和活動底板的下表面無壓力接觸。先測量附加裝置的桿芯在室溫和特定溫度下壓縮位移ε1、ε2，計(jì)算出此特定溫度導(dǎo)致的感應(yīng)線圈誤差；測量巖樣同特定溫度環(huán)境的位移ε3；計(jì)算巖樣的絕對位移ε4＝ε3+(ε1-ε2)。本該裝置在通用的室內(nèi)試驗(yàn)儀器上應(yīng)用，測試誤差小，測試精度高，結(jié)果可靠。
【IPC分類】G01B7/02
【公開號】CN105222696
【申請?zhí)枴緾N201510698029
【發(fā)明人】陳國慶, 郭帆, 趙聰, 李天斌, 裴向軍
【申請人】成都理工大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月22日