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硕士论文 基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 摘要 l 嬲5 7 7 2 矾y 2 2 7 传感技术作为现代信息产业的三大支柱之一，影响和制约着信息技术的发展，同时 对工程性建设和农牧业研究领域有重要意义。压力传感技术作为起源较早、发展较成熟 的一项技术，目前已有繁多的传感器种类适用于不同的压力测量，如气压、液压和固体 压力。这些压力传感器常被使用在大坝、桥梁、铁路等工程性建设和农牧业的研究中， 能够探测和实时监控，为其安全性、长期稳定等等性能提供了保障。从探测的多功能性 出发，本文提出一种能够兼测正、负孔隙水压力的传感技术，为特殊性土体的孔隙水压 力的监测提供了新的解决方法。 基于某一实验室模型样土测量样本，对孔隙水压测量装置进行设计。孔隙水压测量 装置充分利用普通渗压计中液体传递压力的原理，结合电阻式应变传感器的工作原理， 将正、负压力转化为传压液体对传感器弹性元件的压力和吸力，使孔隙水压传感器能够 通过弹性元件的双向变形输出压力值，从而实现其正、负压力测量的功能。同时，面对 较小的测量范围，传感器弹性元件的设计需要保证传感器一定的灵敏度要求。 根据孔隙水压测量装置的工作原理，对其进行具体的结构设计并确定弹性元件等核 心元件的结构尺寸。利用a n s y s 软件对传感器的弹性元件的简化模型和三维实体模型 分别作有限元分析，通过仿真结果和理论值的比较分析，验证理论设计值的合理性。对 所需要粘贴的应变计作相关的工艺分析，使应变计的粘贴最大限度地提高传感器的性能 和降低不确定性因素的影响。最后对传感器的标定实验结果进行处理和分析，通过静态 特性的计算值进一步验证传感器设计的合理性。 关键词：孔隙水压传感器，电阻应变式，弹性元件，正、负压力 a b s t r a c t a so n eo ft h et h r e ep i l l a r so fm o d e mi n f o r m a t i o ni n d u s t r y , s e n s o rt e c h n o l o g ya f f e c t sa n d r e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n di ta l s oh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n ga n do t h e rr e l a t e da n dr e s e a r c ha r e a s p r e s s u r es e n s o rt e c h n o l o g y o r i g i n a t e db e f o r el o n gt i m ea n dh a sd e v e l o p e dm o r em a t u r e l y n u m e r o u st y p e so f s e n s o r sa r e w i d e l yu s e df o rp r e s s u r em e a s u r e m e n t ，s u c ha sp n e u m a t i c ，h y d r a u l i c ，a n ds o l i dp r e s s u r e t h e s ep r e s s u r es e n s o r sa r eo f t e nu s e di nt h ec o n s t r u c t i o no fd a m s ，b r i d g e s ，a n dr a i l w a y sa n d t h er e s e a r c ho fa g r i c u l t u r a la n ds oo n t h e s es e n s o r sp r o v i d et h e mag u a r a n t e ef o rt h e p e r f o r m a n c eo fs e c u r i t ya n dl o n g - t e r ms t a b i l i t y , b yd e t e c t i n ga n dr e a l t i m em o n i t o r i n g f o r t h en e e do fm o r em u l t i f u n c t i o n a ld e t e c t i o n ，at y p eo fs e n s o rt e c h n o l o g yt om e a s u r et h ep o r e p r e s s u r ew h i c hc a l lt r a n s f o r mb o t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v ep r e s s u r ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a n dan e ws o l u t i o ni sp r o v i d e df o r 也ep o r ep r e s s u r em e a s u r e m e n to fs p e c i a ls o i l b a s e do nt h es a m p l es o i lm o d e lu s e di n1 a b o r a t o r y , t h ep o r ep r e s s u r em e a s u r ed e v i c el s d e s i g n e d t h et h e o r i e so ft r a n s f e r r i n gp r e s s u r eb yl i q u i di no r d i n a r yo s m o m e t e ra n dr e s i s t i v e s t r a i ns e n s o ra l eu s e di nt h ed e v i c e ，w h i c hc a nt r a n s f o r mp o s i t i v ea n dn e g a t i v ep o r ep r e s s u r e i n t ot h ep r e s s u r ea n ds u c t i o no ft h el i q u i d so p e r a t i n go nt h ee l a s t i ce l e m e n to ft h es e n s o r t h e n t h ev a l u e sa l eg i v e no u tb yt h eb i l a t e r a ld e f o r m a t i o no ft h ee l a s t i ce l e m e n t m e a n w h i l e f o r 血e l o w e rp r e s s u r eo fm e a s u r e m e n t s ，t h es e n s i b i l i t yo ft h es e n s o re dm u s tb ef u l f i l l e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h ep o r ep r e s s u r em e a s u r ed e v i c e ，t h es p e c i f i cs t r u c t u r a la n d t h ed i m e n s i o n so ft h ec o r ec o m p o n e n t s a r ed e s i g n e d t h es i m p l i f i e dm o d e la n dt h e t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h e e l a s t i ce l e m e n ta r es i m u l a t e du s i n ga n s y s b y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s o b t a i n e dw i t ht h e o r e t i c a lv a l u e s ，t h er a t i o n a l i t yo ft h e t h e o r e t i c a ld e s i g ni sv e r i f i e d 。t h e nt h er e l a t e dp r o c e s so ft h es t r a i ng a u g ep a s t e di sa n a l y z e d t oi m p r o v et h es e n s o rp e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h ei m p a c to f t h eu n c e r t a i n t yf a c t o r sm a x i m a l l y t h e nb yt h ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o c e s s e da n da n a l y z e d a n d t h er a t i o n a l i t yo ft h et h e o r e t i c a ld e s i g ni sv e r i f i e df u r t h e rt h r o u g ht h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：p o r ep r e s s u r es e n s o r , r e s i s t o rs t r a i ns e n s o r , e l a s t i ce l e m e n t ，p o s i t i v e a n d n e g a t i v ep r e s s u r e i i 硕士论文 基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 目录 摘j l ； i a b s t r a c t h 1 绪论。1 1 1 研究背景及意义1 1 2 孔隙水压力及其分类2 1 3 压力传感器的发展概况2 1 4 国内外孔隙水压传感器的研究现状3 1 5 本文的主要研究工作7 2 孔隙水压测量装置的工作原理8 2 1 电阻应变式孔隙水压传感器工作原理8 2 2 正、负压力测量的工作原理1 0 2 3 本章小结1 1 3 孔隙水压测量装置的结构设计1 2 3 1 总体结构方案设计基础和要求1 2 3 2 孔隙水压测量装置结构方案确定1 3 3 2 1 孔隙水压传感器结构方案选择1 4 3 2 2 连通装置部分结构方案16 3 3 孔隙水压传感器弹性元件设计1 7 3 3 1 弹性元件圆形膜片的应力和应变理论分析1 8 3 3 2 应变计布片方式2 2 3 3 3 传感器灵敏度、线性度的理论分析2 3 3 3 4 传感器材料选择2 5 3 3 5 弹性元件和其它主要设计参数确定2 6 3 4 孔隙水压测量装置其它零部件设计参数确定2 8 3 4 1 o 型圈2 8 3 4 2 宝塔接头3 0 3 4 3 其它零部件3 0 3 5 本章小结31 4 有限元分析仿真3 2 i i i 目录 硕士论文 4 1 材料特性3 2 4 2 膜片模型3 2 4 2 1 建立模型和划分网格3 2 4 2 2 施加边界条件和载荷3 3 4 2 3 求解和数据结果查看3 4 4 3 弹性元件三维模型3 5 4 3 1 建模型和划分网格3 5 4 3 2 施加边界条件和载荷3 6 4 3 3 求解和数据结果查看3 6 4 4 理论值和仿真结果对比分析3 8 4 5 本章小结4 0 5 应变计相关工艺分析4 1 5 1 应变计的选型4 1 5 1 1 应变计形态选择4 2 5 1 2 基底材料敏感栅材料选择4 3 5 1 3 应变计电阻4 5 5 1 4 接线方式4 5 5 2 应变计的粘贴工艺4 5 5 2 1 胶粘剂的选型，4 6 5 2 2 弹性元件打磨、清洗和定位4 6 5 2 3 应变计粘贴4 6 5 2 4 加热固化4 7 5 3 应变计和p c b 板的组桥、焊接工艺4 8 5 3 1 组桥接线4 8 5 3 2 零点补偿4 9 5 3 3 性能测试5 0 5 4 应变计的防护处理5 0 5 5 本章小结5 1 6 标定实验及数据处理和分析5 2 6 1 传感器的标定方法5 2 6 2 传感器的静态特性5 2 6 3 标定实验及特性分析5 3 i v 堡主笙奎基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 一一二二：= ：= ：= ：= ：= ：= ：= = ： ：二= ： 6 4 本章小结5 6 7 总结与展望5 7 致 谢5 9 参考文献6 0 附 录6 3 v 硕士论文基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 土壤和水是构成自然环境必不可少的两项基本资源，也是人类赖以生存的两大支 柱。随着气候的变换以及温度的影响，冻融、涨缩、干湿、凝聚以及开裂和团聚等这一 系列物理、力学和化学过程使原本就不稳定的土水体系加剧了交替演变，给人类的工程 建设、农林牧业活动以及自然环境带来潜在的危害。 随着我国各项基础建设工程的不断扩大，坝体、桥梁、铁路等工程建设中，工程前 期的各种土质分析和预防措施等工作突显出了对土体孔隙水压力检测的重要性。例如在 大坝建成蓄水后，在水头作用下导致坝体、坝基、坝肩产生渗流【1 】，这对大坝是不利的， 也是不可避免的，因此需要对其中的孔隙水压力进行实时监测。在各大一线城市开展得 如火如荼的地铁工程建设项目中，仅2 0 1 2 年，杭州、青岛、广州、南京等多个地方因 地铁施工发生多起周边道路塌陷事故，为市民出行带来安全隐患，导致这一现象的大多 数原因是雨水渗透或地质中含水量的变化。由此可以看出在这些基础建设项目中，孔隙 水压力的监测成为最为重要的工作之一。 但是土壤中孔隙水压力不是持续保持非正压力或非负压力，在某些环境下，正、负 压力是交替出现的，例如冻土。这对孔隙水压力的监测又带来了难度。冻土是指零摄氏 度以下，并含有冰的各种岩石和土壤【2 】。但是冻土中并非所有的液态水都全部变成固态 的冰，其中始终保持着一定数量的液态水，这是由于土体颗粒表面能的作用。温度越低， 未冻结的液态水越少，土体中的水势就会低于大气压，形成负压；温度越高，固态的冰 又会融化成液态水，土体中的水势就又变为正压。由于季节气候的变化，引起上述变化 是不可避免的，我国的冻土分布面积约占国土面积的2 1 5 ，是世界上第三冻土大国， 主要分布在青藏高原【2 】【3 】。冻土的特性，包括孔隙水压的监测，对青藏高原地区建筑的 稳定性有着至关重要的影响，这也是青藏铁路修建问题中多年冻土、高原缺氧、生态脆 弱三大难题之一。 孔隙水压力的监测在农业上也有着同样重要的作用。水不但是农作物生长的重要因 素之，而且是肥料能否有效被其有效利用的重要前提。如果土壤中水分太少，农作物 无法充分吸收及利用肥料，从而造成土壤的盐碱化；如果土壤水分太多，水分流失，肥 料会随着水分渗漏到地下水，造成污染。这不仅仅导致肥料和水资源的浪费，也是对地 下水资源的严重污染，这就需要提高监测性能来优化灌溉技术。 综上所述，多功能的测量土体孔隙水压力传感技术的研究也就成了土壤学家、农学 家和一些工程技术人员的一个热点问题。针对各个领域和使用环境的特点，对测量孔隙 水压传感技术的研究越来越多，标准化、定制化、微型化、精确化、电子化都是其传感 1 绪论 硕士论文 技术的发展方向，为越来越多的工程性和研究性工作提供持久准确、可靠的检测结果。 1 2 孔隙水压力及其分类 多孔多相介质是指由固体颗粒的集合体与粒间孔隙中所填充的液体或气体所组成 的介质。土壤是一种典型的多孔多相松散介质，它由固体( 矿物颗粒) 、水分( 孔隙水体) 和气体( 孑l 隙气体) - - 相组成。矿物颗粒互相接触形成骨架，孔隙中充满水分和气体，土 壤水分可分为粘着在颗粒表面的粘结水和可以自由流动的自由水，孔隙水压力就是由自 由水引起的【4 j 。 对大多数砂土来讲，在外部荷载作用下土体颗粒和水体本身的变形模量远大于土骨 架的变形模量，因此一般地可以认为砂土受载荷以后的变形主要产生于颗粒的运动和重 排，也就是应力状态变化所导致的砂土细观结构变化，表现为砂土体宏观变形的产生。 在这一变形的发展过程中，若砂土体内部或渗流边界的排水受阻，砂土就表现为孔隙水 压力与土骨架应力之间的相互演化，并随负荷条件、起始条件、边界条件等内外因素的 不同表现出差异的力学行为。因此可以说，孔隙水压力是多孔多相松散介质一个主要的 应力特征。 一般情况下，孔隙水压力按其产生的机理，可分为静水压力和超静水压力。上述的 静水压力是指由土层中地下水的静水位所引起的，即静止水位以下单位面积上的水体自 身重量所产生的压力1 5 】；超静水压力则是指外加载荷或是水位变化所产生的孔隙水压力， 随着时间的增长而逐渐消散，最后全部转化为有效应力。 1 3 压力传感器的发展概况 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器 件。国际电工委员会( i e c ：i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 的定义为：“传感器是 测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照g b 7 6 6 5 2 0 0 5 t 传感器通用术语中来说，传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 是指能感受被测量 并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组 成。敏感元件( s e n s i n ge l e m e n t ) 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件 ( t r a n s d u c i n ge l e m e n t ) 是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或 测量的电信号部分1 6 】。压力传感器就是传感器的敏感元件感应压力，然后输出测量电信 号。其发展主要有以下几个阶段1 7 j ： ( 1 ) 发明阶段：2 0 世纪3 0 年代末，第一批应变计被美国e s i m m o n s 和a c r u g e 制造出来，随后1 9 4 5 年，史密斯( c s s m i t h ) 发现了当有外力作用于半导体材料时，其电 阻将明显发生变化，即硅与锗的压阻效应，根据此原理制成的压力传感器是把电阻应变 硕士论文基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。 ( 2 ) 技术发展阶段：随着硅扩散技术的发展，到六、七十年代，技术人员在制成 较薄的硅弹性膜片，即硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、 稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属硅共晶体，为商业化发展提供了 可能。 ( 3 ) 微机械加工阶段：上世纪8 0 年代以后出现了纳米技术，将微机械加工工艺应 用于各个领域。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出微型的压力传感器，其线 度可以控制在微米级范围内。随着m e m s ( 微电子机械系统) 的兴起，将微电子与微机 械加工及封装技术巧妙地结合起来，尤其是最近十多年的研究与发展，m e m s 技术已经 显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化 和可靠性水平提高到了一个新的高度。改革开放3 0 年来，我国建立了传感技术国家重 点实验室、微米、纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地；m e m s 、 m o e m s ( 微光机电系统) 等研究项目列入了国家高新技术发展重点【引，可见这项技术 的发展趋势。 经过半个多世纪的发展，如今的压力传感器按工作原理的不同可划分为：电阻式、 电容式、压电式、谐振式、半导体、光学等，研究发展主要方向有 9 1 ： ( 1 ) 微型化采用m e m s 技术、纳米技术； ( 2 ) 集成化采用i c 技术和s o c 技术等； ( 3 ) 智能化采用人工智能与信息融合技术： ( 4 ) 网络化网络和传感器技术相结合。 1 4 国内外孔隙水压传感器的研究现状 按被测量的性质分，孔隙水压传感器属于压力传感器这一大类，孔隙水压传感器( 也 称孔隙水压力计或渗压计) 是一种用于测量土壤孔隙水压力的仪器，把水压力从测量的 总土压力中分离出来并测量，是目前各项工程领域和农牧业领域中检测土壤孔隙水压力 的常用的一种方法。目前常用的孔隙水压传感器主要有以下几种形式。 ( 1 ) 电阻应变式 电阻应变式压力传感器是利用金属应变片的阻值随受载荷力的敏感元件的变形而 变化的原理进行工作，其优点是结构简单，体积小，成本低廉。半个多世纪的发展以来， 几乎每隔1 0 年就出现一次质的飞跃。2 0 世纪8 0 年代后，随着应变计制造工艺及其加 工、粘贴等工艺的发展和进步，电阻应变式压力传感器的准确度、可靠性得到很大提高， 使其在测量技术领域得到了广泛应用。 电阻应变式孔隙水压传感器大多数是在土压力传感器的基础上进行改装设计而成， 主要区别在于孔隙水压传感器需要将液体和其它土壤颗粒等固体分离开来，透水石的安 3 l 绪论 硕士论文 装就是为了实现这样的功能，目前市场上这种传感器的种类繁多，例如德国克勤 ( c o m p u r ) 的电阻应变式孔隙水压力计m 3 4 5 0 5 9 ，如图1 1 所示，顶端设置的白色零 部件即透水石，其量程规格从o 1 - 1 0 m p a 不等，满量程输出应变为6 0 0 p , e ，外形尺寸 3 2 8 5 m m 。虽然其输出并不是很大，但体积大小上在当时偏小，使用在某些体积受限 的场合，并且其量程配置很广，选择范围很大，各项性能比国内较好。 图1 1c o m p u r 电阻应变式孔隙水压力计m 3 4 5 0 5 9 此外，还有其它形式的电阻应变式传感器，例如美国基康( b g k ) b g k 3 4 0 0 压阻 式孔隙水压力计，如下图1 2 。测量范围是0 - 2 0 0 k p a ，外形尺寸3 4 1 3 5 m m 。压阻式 孔隙水压力计的特点是不但能测水压，还能测气压。 图1 2b g k 3 4 0 0 压阻式孔隙水压力计 国内也有这样的改装设计，例如常州金坛天地传感器有限公司生产的微型渗压计 t d l y 3 5 0 ，如下图1 3 ，专为模型试验使用，测量范围为0 0 1 m p a ，外形尺寸2 8 7 m m ，采用的硬铝合金材质，其较小的外形尺寸是这款孔隙水压传感器的最大特点。 图1 3 微型渗压计t d l y 3 5 0 ( 2 ) 振弦式 谐振式压力传感器主要利用振动元件的固有振动频率随被测参量改变而改变，再通 过相应的测量电路得到一定关系的电信号。7 0 年代基于电子技术、半导体集成电路等技 术发展起来的，主要有分辨率高、精度高、受环境温度影响小等优点，广泛应用于桥梁、 大坝等工作环境恶劣但技术要求高的场合。因振动元件不同，振弦式是谐振式的一种， 以拉近的金属弦作敏感元件，钨丝、提琴弦、高强度钢丝、钛丝等是常用的振弦材料。 其中振弦一端固定、一端连接在受力机构上。当弦的长度确定后，其固有振动频率随受 力机构的变形而产生变化，通过测量电路，可得到振动频率与压力的关系。 除了受体积、响应时间等因素限制的场合外，孔隙水压振弦传感器使用最为广泛， 4 硕士论文基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 其结构形式简单，其中以美国基康的产品最有代表性，例如b g k 4 5 0 0 s 振弦渗压计， 如下图1 4 。其标准量程有o 3 5 、o 7 、1 、2 、3 m p a ，灵敏度达o 0 2 5 ，外径尺寸为1 9 0 5 13 3 r a m 。主要部件均是特殊钢材，具有有效克服大气压对测量值产生的附加影响等特 点适用恶劣环境。 图1 4b g k 4 5 0 0 s 振弦渗压计 振弦式孔隙水压传感器还有一种形式，如下图1 5 所示的t d k y j 3 0 和t d k y j 3 0 a 振弦式孔隙水压力计，测量范围可达到0 1 - 4 m p a ，t d k y j 3 0 的最小尺寸外形是1 1 7 3 5 m m ，t d k y j 3 0 a 最小尺寸为3 0 1 8 0 m m ，测量的温度可达2 5 + 6 0 。c ，有防水性 能高，受温度影响小等特点。 ( a ) t d k y j 3 0( b ) t d k y j 3 0 a 图1 5 振弦式孔隙水压力计 ( 3 ) 负压式 负压式孔隙水压传感器又称张力计，其测量方法称为张力法。张力计法一般有真空 表式张力计和u 形汞柱形张力计两种，如下图1 6 所示【l o 】，后者测量的精度较高，能检 测出微小的差异。将充满水、密封后的张力计陶土头插入非饱和水的土壤中，张力计内 的自由水通过多孔陶土头的壁与土壤水建立水力上的联系，在达到平衡后，仪器内产生 的负压值由负压表或u 形汞柱指示出来，即为土壤水吸力，这里的土壤吸力即为负压。 ( a )( b ) ( a ) 真空表型张力计；( b ) u 形汞柱型张力计 图1 6 张力计 1 绪论 硕士论文 张力计一般用于现场测量负压，以国外产品居多，例如美国s e c 公司0 9 年出产的 2 1 0 0 f 土壤张力计( 如图1 7 ) 、瑞典b a tg e o s y s t e m sa b 的孔隙水压测量仪。以上两 种产品均以陶土探头为探测元件。张力计一般由多孔陶瓷头、塑料管和真空表组成。安 装的陶瓷头与土壤水分接触良好，可使壤中的水分可以根据张力情况透过陶瓷头自由 出入张力计。张力计内部的真空与土壤水分张力达到平衡后，就可直接根据真空表的读 数读取张力计中真空压力，此值即为土壤张力。 魄藏 图1 7s e c 2 1 0 0 f 土壤张力计 综上所述，孔隙水压传感器现有标准化的产品中，基本以测正压和测负压区分，并 没有一个既能测正压又能侧负压的产品。在某些特殊的测量环境，必然会有正压和负压 都存在的被测量土体。 针对上述这一特殊情况，河北农业大学的冯苍旭等人进行了这方面的研究，用来分 析土壤孔隙水压力检测系统试验研究及关系模型建立，其中被测土壤孔隙水压存在正、 负压的变化，为了兼测正、负压力，他们在研究中将压力传感器和张力计整合在一起， 结构如下图所示。其工作原理为当土体内水分不饱和时，土体毛细孔对土壤中的水分产 生吸力，使测量仪器内形成负压，再通过置于其中的压力传感器测出此负压值的大小； 当探头所处的位置土壤水分饱和时，压力为零；当所处土壤位置的水压是正值时，孔隙 水压力就是土中观测点至饱和层上界的水柱高度值【1 1 | 。 6 图1 8 孔隙水压力仪整合结构 硕士论文基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 上述改装整合后的孔隙水压力仪虽实现了正、负压测量的需求，但是正、负压力测 量所选取的标准不同，容易出现零点误差；其次，该仪器在其所需要测量的土体中埋入 方便，但若更换测量环境，当遇到空间限制、测量点较多等问题时就难以解决，这样的 孔隙水压力仪，使用场合有一定限制，有较强的使用针对性。 1 5 本文的主要研究工作 本文主要是实现孔隙水压力的正、负压力测量，并适用于实验室用或模型类的孔隙 水压力测量。首先分析电阻应变式孔隙水压传感器的工作原理，并结合负压式孔隙水压 传感器的原理，实现用引压液体传递压力来测量正、负压力的功能。本文的主要设计以 某一项目所要求的被测土体为基础，对所用的传感器及其连通装置作相应的理论设计计 算，并通过a n s y s 软件进行仿真分析，验证通过理论计算所取的相应设计参数的合理 性。对应变计也进行了相关的工艺分析，充分保证传感器的设计需求。最后，进行标定 实验，对实验数据进行误差分析。 本文的行文结构如下： 第一章主要分析了课题的研究背景及意义，分析孔隙水压力及其特点，并对现有的 孔隙水压传感器国内外研究现状进行总结。 第二章以现有的分别能测孔隙水正、负压力产品的原理为基础并结合，提出兼测正、 负压力实现的方案原理。 第三章对孔隙水压测量装置的主要零部件进行总体结构方案的确定，并对其中关键 部位进行理论分析和具体的结构尺寸设计。 第四章通过a n s y s 软件分别对简化模型和三维实体模型进行有限元分析，验证理 论设计分析所确定的结构方案的合理性。 第五章主要对传感器上粘贴的应变计进行相关工艺分析，减少其对传感器的设计性 能的影响。 第六章对传感器实物进行标定实验，通过标定数据进行误差分析。 第七章对本文的研究工作进行了总结与展望。 2 孔隙水压测量装置的工作原理 硕士论文 2 孔隙水压测量装置的工作原理 国内外兼测正、负孔隙水压的传感器或压力计甚少，个别产品虽拥有这项功能，但 其体积过大，只适用于实际现场测量，对于实验室用或不能将传感器埋入被测量介质中 等类似场合就显现出其弊端。本文所研制的孔隙水压测量装置主要特点就是既能兼测 正、负孔隙水压力，适用于实验室模型和非埋入法测量的场合，同时还保证了小量程下 较高的灵敏度。 2 1 电阻应变式孔隙水压传感器工作原理 电阻式传感器常用的形式主要有以下几种：( 1 ) 非粘贴式电阻传感器：( 2 ) 压阻式 传感器：( 3 ) 粘贴式电阻传感器。电阻应变式传感器就是第3 种形式，利用将应变计粘 贴在传感器的弹性元件上制成。电阻应变式传感器具有以下特点【4 】： ( 1 ) 可以测量多种力学参数，如结构上所受荷载，结构内部或表面的应变，以及 结构的位移和加速度等； ( 2 ) 量程大、灵敏度高、测量精度完全能满足工程测试的要求； ( 3 ) 与电阻应变式传感器配套使用的应变仪是常用的测量仪器，整个测量系统的 性能比较稳定； ( 4 ) 既能进行稳态的测量，也能进行动态测量，还能进行多点、集中的远距离测 且 里； ( 5 ) 设计、加工制造比较简单，价格较低，且可将传感器的尺寸做得较小，以适 应特殊需要。 电阻应变式孔隙水压传感器是电阻应变式压力传感器的一种，其主要区别在于测量 的介质。由于孔隙水中可能含有其它杂质，测量时需要先通过透水石等过滤，继而测得 较准确的孔隙水压力。 电阻应变式孔隙水压传感器的原理是孔隙水通过透水石过滤后，其压力直接作用于 弹性元件。弹性元件受压产生变形，使粘贴在弹性元件上的应变计与弹性元件一起变形 从而产生应变计的敏感栅电阻变化。电阻应变计的工作原理是吸附在基体材料上应变电 阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应【1 2 1 金属导体的电阻值r 可 用下式表示： 尺= p 考 式中广金属导体的电阻率； s 一导体的截面积； 硕士论文 基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 三导体的长度。 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化， 从上式中可看出，其电阻值会发生改变。如果金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加， 截面积却减少，电阻值便会增大；当金属丝受外力作用而压缩时，则反之。只要测出电 阻的变化，即测量电阻两端的电压，即可获得应变金属丝的应变情况，这样就可以通过 输出电量的测量来反映传感器的变形情况。 应变计同步传感器弹性元件的变形，使其电阻值发生变化，但是细微的电阻变化并 不能直接测量出来。利用惠斯通电桥反映电阻的变化是一种常用的测量方法，通过测量 电桥中的电压差即可测得应变计的电阻变化。输出的电压差信号一般须经过电阻应变仪 放大测出输出电压的大小，即可反映出电阻应变计和传感器的应变值。惠斯通电桥可全 由应变片或应变片与补偿片共同组成，可以构成多种测试方式。惠斯通电桥见下图2 1 。 b a 图2 1 惠斯通电桥 上图中电源u 为恒压源，其内阻为零，是供桥电压，乩为输出端。r l 、r 2 、r 3 、 尺4 均是应变计。当负载阻抗远大于电桥的输出阻抗时，可看成负载阻抗为无穷大，即b 、 d 断开路，为电压输出。 由电工原理可知 厶= 最；厶= 击 所以 u o = u 0 一u 0 = 厶局一厶心 2 熹墨一最心2 雨r i r 丽3 - r 2 雨r 4 u 墨+ 马1b + 凡4( r + 如) ( 恐+ 蜀) 1 一般电阻应变式孔隙水压传感器采用全桥方式，即r 1 、r 2 、r 3 、r 4 为等臂电阻， r i = r 2 = r 3 = r 4 = r ，则输出电压既= 0 ，电桥平衡。如果四个桥臂的电阻各自受到应变后分 别有微小的电阻增量纰，欲：，皑，她，这时电桥的输出则为 2 孔隙水压测量装置的工作原理 硕士论文 玑：! 鱼些丛鱼些! 二【垒些丛鱼些! 厂 ”( 墨+ 他+ 坞+ 峨) ( 恐+ 皑+ 蜀+ 皑) 1 分子分母同除以r l r 3 ，并略去高阶微量，得： 砜= 等【等一鲁+ 等一等】_ 等k ( c ，- s 2 + - 6 4 ) ( 2 - 1 ) ” 4i 冠 r ，r ，r 。j 4 5 、7 7 式中悠应变计的灵敏度系数。 此外，如果环境温度变化时，应变计电阻值会发生变化，因此如果直接测量，测得 的应变包含了因温度引起的电阻变化，即虚假应变。消除应变计电阻因温度变化引起的 虚假应变，需要对应变计温度变形进行补偿，主要方法有桥路补偿和应变计补偿。桥路 补偿指将两个长度和特性相同的应变计放置于相同温度环境中一起接入电桥，分别参与 和不参传感器的变形。当温度变化时，两个应变计发生相同的变形，那么电阻增量也相 同，电桥仍保持平衡，从而达到温度补偿的目的。另一种方法是利用应变计本身的特性， 使因温度变化引起电阻增量互相抵消，达到温度补偿的目的。全桥方式中，四个桥臂电 阻均是一样，相邻桥臂因温度引起的应变可以相抵消，可以自身温度补偿。 测量出了输出电压乩，那么和应变计的一起变形的弹性元件的应变也就可以根据 式( 2 1 ) 计算出，根据传感器标定出的应变与压力的比值关系，即可得到传感器所测量的 孔隙水压值。 2 2 正、负压力测量的工作原理 一般的孔隙水压传感器在测量正压时，直接将传感器埋入所要检测的位置，被测液 体直接作用于传感器的弹性元件；在使用负压计测量负压时，利用液体的压力可传递性 和不可压缩性，形成密封仪器内的真空，利用真空表测量数值。为了让同一传感器同时 能测量正、负孔隙水压力，将测正压和负压的特点相结合，该装置的原理框图如下所示。 传感器的弹性元件不直接受被测液体的载荷，同样利用液体的压力可传递性和不可压缩 性，对弹性元件产生压力或吸力，使弹性元件产生变形。传递压力的过程必须处于密闭 装置中。 1 0 图2 2 孔隙水压测量装置原理框图 硕士论文基于正、负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究 陶土探头是孔隙水压测量装置的感应被测液体的主要部件，如下图2 3 所示。它和 一般孔隙水压传感器中的透水石具有一样的作用。陶土探头具有很多的微小孔隙，被水 浸润后，在其孔隙中形成一层水膜。当陶土探头中的孔隙全部充满水后，孔隙中的水具 有表面张力，且这种张力能够保证水在一定的压力下通过陶土探头，并且阻止空气通过。 但是，如果通过的水压超过一定压力后，陶土探头孔隙中形成的水膜就会破裂，造成漏 气，其所能测得的最大正、负压力值与孔隙大小有关。当孔隙的直径d = 1 0 1 5 1 t m 时， 最大所能承受的压值为2 0 k p a 左右；当d = - 2 5 9 m 时，最大所能承受的压值为6 0 k p a ； 当d 2 1 t m 时，最大所能承受的压值能够达到1 5 0 k p a 以上【1 。孔隙越小，测量范围越大； 孔隙越大，测量范围越小。本孔隙水压测量装置的设计要求为8 0 i a + 8 0 k p a ，要使陶 土探头能够承受这样的压力，其孔隙的直径选择为d = 1 5 1 t m 。 图2 3 陶土探头实物图 当充满水的陶土探头插入被测样土时，水膜就与土壤中孔隙水连接起来，产生水力 上的联系。陶土探头的另一侧则与引压液体也产生水力上的联系，这样整个测量装置的 液体就处于连通状态，被测样土力的孔隙水可通过引压液体间接作用于传感器的弹性元 件。测量装置系统的水势不相等时，液体便会从水势高处通过陶土探头向水势低处流动， 直至系统的水势平衡为止。当被测样土中的孔隙水呈正压( 相对于大气压) 时，引压液 体会受到孔隙水正压力而对弹性元件传递这部分压力，使弹性元件向一侧变形；当被测 样土中的孔隙水呈负压时，样土就透过陶土探头吸取连通装置和传感器中的引压液体， 直至平衡，因为测量装置是密封的，液体有比较小的可压缩性，引压液体就对弹性元件 产生吸力，使弹性元件向另一侧变形。 弹性元件的变形会使粘贴在其表面的应变计跟随变形产生电压输出，由上一节孔隙 水压传感器的工作原理可知，弹性元件向两侧的变形产生的应变输出只会因正、负压力 值的符号而存在输出应变值得符号不同，其绝对值是相同的，所以对于设计分析，可以 从单侧方向的载荷压力产生的变形考虑。 2 3 本章小结 在孔隙水压传感器现有的技术基础上，综合电阻应变式孔隙水压传感器因载荷压力 变形的原理和负压孔隙水压力计利用液体不可压缩性测量负压的原理，使孔隙水压测量 装置既能兼测正、负孔隙水压力，而且避免受场合使用限制。本章详细叙述了孔隙水压 测量装置测正、负压力的具体工作原理，并分析了主要探测元件陶土探头的工作原理及 使用条件。 3 孔隙水压测量装置的结构设计硕士论文 3 孔隙水压测量装置的结构设计 本论文以实验室用冻土孔隙水压测量为背景，研究其实现正、