[發明專利]一種新型三維應力測量傳感器

有效

• 申請號: 201310349793.3
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN103398807A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 曾京生;于少春;袁海文;劉穎異;王盼盼
• 申請（專利權）人: 中交第一公路工程局有限公司土木技術研究院
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

技術領域

本發明涉及傳感器及檢測技術，尤其涉及在道路工程上進行路面內部應力檢測的傳感器。

背景技術

過去對于瀝青路面的研究大多停留在材料試驗的層面，而對其結構性能的研究，特別是對于瀝青混凝土路面結構內部的力學理論研究不多，現有的研究也只停留在理論分析層面上，對依靠傳感器的路面結構試驗研究少之又少，現有研究的壓力傳感器大多數是實現單維傳感功能，但是要想準確分析瀝青路面內部的應力，必須使傳感器具有多維傳感能力，至少是精確測量x、y、z三個方向的應力。

現有道路行業瀝青路面內部應力檢測的設備有光纖光柵應力傳感器、超聲波傳感器、水泥基壓電傳感器和電阻應變計式傳感器，但是國內外將光纖光柵應力傳感器和超聲波傳感器應用于實際土木工程結構檢測的研究才剛剛起步，在許多方面都還存在著一些需要解決的問題，例如成本高，相容性差，易受外界環境干擾等，而且檢測設備一次性投入比較大，大大制約了它的推廣速度。水泥基壓電傳感器只能測量動態的應力，而且許多因素對水泥基復合材料的性能影響規律及機理還不是特別清楚，還有待于深入研究。現有的電阻應變計式傳感器，如‘工’字型的瀝青混凝土應變傳感器結構尺寸過大，用于測量體積較大的實際道路可以較好的實現其測量功能，而且該傳感器只能測量瀝青混凝土內部水平方向上的應力。

發明內容

本發明是研究并設計一種道路工程用的三維壓力傳感器，要能夠測量瀝青混凝土路在荷載作用下x、y、z三個方向的應力響應。為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種新型三維應力測量傳感器，包括機械本體和硬件電路；所述的機械本體由金屬空心彈性體和電阻應變片組成，機械本體埋于瀝青混凝土中，電阻應變片有三組，每組包括4個電阻應變片，兩個電阻應變片為一對，分別貼于金屬空心彈性體一個面的內外兩側，兩對電阻應變片分別貼于金屬空心彈性體相對的兩個面上，第一組電阻應變片用于測量所受應力在X方向上的分量，第二組電阻應變片用于測量所受應力在Y方向上的分量，第三組電阻應變片用于測量所受應力在Z方向上的分量；當有應力作用在金屬空心彈性體上時，其上面粘貼的電阻應變片會發生拉伸或收縮，其電阻值發生相應的變化，兩個受拉應變，兩個受壓應變，應變符號相反；硬件電路包括差動式惠斯登全橋電路、調零電路、放大電路、采集模塊、數字濾波模塊、通信模塊以及電源電路；三組應變片分別組成三路差動式惠斯登全橋電路，每路差動式惠斯登全橋電路中的四個橋臂上分別接對應電阻應變片組中的四個應變片，兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，將所受應力轉換為電量輸出；調零電路由電位器R₅和電阻R₆構成，電位器R₅的電阻體跨接在差動式惠斯登全橋電路輸入電源之間，電阻R₆一端與電位器R₅的移動端相連，另一端與差動式惠斯登全橋電路的一個輸出端相連，通過調節電位器R₅使電橋達到平衡；每一路差動式惠斯登全橋電路都外接一個調零電路；三路差動式惠斯登全橋電路的輸出經放大電路放大；放大后的三路信號輸入采集模塊實現模數轉換，然后經過數字濾波模塊濾除脈沖干擾信號，接下來通過通訊模塊與PC機通訊，并在PC機上進行實時動態顯示；PC機控制采集模塊進行AD轉化和數據處理，電源電路為硬件電路中的各組成部分提供電源。

每組應變片分別組成差動式惠斯登全橋電路，電橋中的四個橋臂上全部接工作應變片，采用這種組橋方式不僅可以提高電橋的靈敏度，而且由于各臂的參數一致，各種干擾的影響可以相互抵消。

測量前，必須先使電橋處于平衡狀態，即電橋輸出為零。但由于應變片電阻值總有偏差，接觸電阻，導線電阻等存在，往往電橋不能達到平衡，因此需設置預調平衡電路。常見的調零方法有并聯電阻法和串聯電阻等方法，其原理都是使電橋中的四個橋臂電阻滿足R₁R₃=R₂R₄關系。但并聯法和串聯法需要測量應變電橋中四個應變片的電阻值，然后將電阻并聯到其中最大的電阻上或將電阻串聯到最小的電阻上，方法比較復雜。本發明設計的調零電路采用圖3所示的星形法，簡單方便，只要調節電位器R₅，就可以使電橋達到平衡，不存在上述的問題。