一種三軸試樣局部軸向應(yīng)變測量裝置及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土工試驗技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三軸試樣局部軸向應(yīng)變測量裝置及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如果在一個半導(dǎo)體薄板上通以電流，并在電流的垂直方向施加一個磁場，那么在垂直于電流和磁場的方向上將會產(chǎn)生電勢差，這種物理現(xiàn)象稱為赫爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為赫爾電壓。目前利用赫爾效應(yīng)生產(chǎn)的赫爾元件，通常用于檢測磁場和檢測電流，但在微小位移檢測中很少使用。
[0003]根據(jù)赫爾效應(yīng)原理可知，電勢差U與電流強度I和磁感應(yīng)強度B成正比，與薄板的厚度d成反比，當(dāng)其他條件不變時，磁感應(yīng)強度B與輸出電壓U有線性關(guān)系，已知輸出電壓U，可根據(jù)該線性關(guān)系測量磁感應(yīng)強度B。由于永磁體的磁場是呈均勻梯度變化的，如果赫爾元件在該均勻梯度磁場中移動，那么元件所受的磁感應(yīng)強度B由該位移量S來決定，結(jié)合輸出電壓U和磁感應(yīng)強度B之間的線性關(guān)系，可由輸出電壓U來確定位移量S，從而利用赫爾效應(yīng)來測量微小位移成為可能。
[0004]常規(guī)的三軸試驗，通常利用位于壓力室外的位移傳感器來測量試樣的軸向變形，測得的變形通常用試樣上下兩端的相對運動來表示。由于試樣、透水石、濾紙、加載帽等儀器是柔性的，在加載作用下，儀器本身也會產(chǎn)生變形，因此用該變形來代表試樣的變形將產(chǎn)生較大的誤差，也就是設(shè)備柔性誤差。再者由于濾紙和透水石很難做到完全光滑，因此試樣與其接觸部位存在摩擦，試樣受到摩擦力作用，會受到橫向或豎向的約束，端部變形較小，甚至為零，試樣中部則不受約束，變形最大，試樣的軸向變形呈梯度分布，從而導(dǎo)致試樣變形不均勻，并且上部加載帽、試樣、下部基座三者很難完全對準(zhǔn)，就算制備試樣時對準(zhǔn)了，在加載過程中也可能會出現(xiàn)偏差，因此用整個試樣上下兩端的相對位移來表示試樣的變形將存在端部約束誤差和基座誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是消除傳統(tǒng)三軸試驗外部位移傳感器測量的三大誤差，提供一種三軸試樣局部軸向應(yīng)變測量裝置及其測量方法。
[0006]為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種三軸試樣局部軸向應(yīng)變測量裝置，在傳統(tǒng)的三軸試樣裝置的基礎(chǔ)上增加了模塊I和模塊II。所述模塊I包括鋼絲1、鋼絲I1、墊塊、薄板II和兩塊條形磁鐵。所述模塊II包括薄板I和兩個赫爾元件。
[0008]所述墊塊粘貼在試樣外圍的橡皮膜上。所述墊塊的左側(cè)面與橡皮膜貼合，右側(cè)面上開有兩個圓孔。兩個圓孔的位置呈上下分布。
[0009]所述薄板II位于墊塊的下方。兩塊所述條形磁鐵平行粘貼在薄板II的一側(cè)板面上。兩塊所述條形磁鐵均平行于水平面且在豎直方向上重合。兩塊所述條形磁鐵的N極指向相同，S極指向相同。兩塊所述條形磁鐵的磁極指向試樣側(cè)壁。兩塊條形磁鐵之間的磁感應(yīng)強度B為OGs。
[0010]所述鋼絲I和鋼絲II粘貼在薄板II的另一側(cè)板面上。所述鋼絲I和鋼絲II均分為上端的垂直彎折段、中間的直線段和下端的彎鉤段。所述鋼絲I和鋼絲II的垂直彎折段分別水平插入兩個圓孔內(nèi)。所述鋼絲I和鋼絲II的直線段均垂直于水平面。所述鋼絲I和鋼絲II的彎鉤段勾住薄板II的下端。所述鋼絲1、鋼絲I1、薄板II和兩塊條形磁鐵用PTFE帶纏繞并密封固定在一起。
[0011]所述薄板I位于墊塊的正下方。所述薄板I粘貼在試樣外圍的橡皮膜上。所述薄板I與薄板II位于同一水平位置。所述薄板I與薄板II的板面相互垂直。所述薄板I的板面上貼有兩個赫爾元件。兩個所述赫爾元件的水平位置位于兩塊條形磁鐵的水平位置之間。所述薄板I和兩個赫爾元件用PTFE帶纏繞并密封固定在一起。
[0012]進(jìn)一步，兩個所述赫爾元件正面(有編號面)對應(yīng)正面或背面(無編號面)對應(yīng)背面進(jìn)行重疊放置，然后粘貼在薄板I上?；蛘撸瑑蓚€赫爾元件的正面和背面朝向相反，間隔適當(dāng)距離進(jìn)行平鋪。
[0013]本發(fā)明還公開一種基于上述裝置的一種三軸試樣局部軸向應(yīng)變測量方法，包括以下步驟:
[0014]I)制備三軸試樣并用橡皮膜包裹密封；
[0015]2)在薄板II的一側(cè)上平行放置兩塊條形磁鐵，兩塊條形磁鐵的N極指向相同，S極指向相同，然后用高斯計測量兩塊條形磁鐵之間的磁感應(yīng)強度，不斷調(diào)整兩塊條形磁鐵的距離，直至高斯計測量出的磁感應(yīng)強度為OGs ;
[0016]3)在薄板II的另一側(cè)粘貼鋼絲I和鋼絲II，且將鋼絲I和鋼絲II的下端做成彎鉤狀，然后勾住薄板II的下端；
[0017]4)將貼好的兩塊條形磁鐵、鋼絲1、鋼絲II和薄板II用PTFE帶纏繞密封固定在一起；
[0018]5)將鋼絲I和鋼絲II上端進(jìn)行直角彎折，把彎折段插入墊塊的圓孔中，然后在孔洞四周涂抹密封膠進(jìn)行固定密封，組成模塊I ;
[0019]6)將兩個赫爾元件正面對應(yīng)正面或者背面對應(yīng)背面進(jìn)行重疊，兩個赫爾元件之間用密封膠進(jìn)行粘貼；或者，將兩個赫爾元件的正面和背面朝向相反，間隔適當(dāng)距離進(jìn)行平鋪；然后任選一種布置方式，把兩個赫爾元件粘貼在薄板I上；
[0020]7)將兩個赫爾元件和薄板I用PTFE帶纏繞密封在一起，組成模塊II ；
[0021]8)將模塊I的墊塊粘貼在試樣上端三分之一處的橡皮膜上；將模塊II的薄板I粘貼在試樣下端三分之一處的橡皮膜上；并保證兩個赫爾元件的水平位置位于兩塊條形磁鐵的水平位置之間；
[0022]9)將帶有模塊I和模塊II的三軸試樣放入壓力室，并將每個赫爾元件的三條數(shù)據(jù)線用PTFE帶包裹成一股從基座引出；
[0023]10)將壓力室就位調(diào)零，然后將引出的三條數(shù)據(jù)線分別接電源線、零線和電壓表；
[0024]11)進(jìn)行常規(guī)三軸剪切試驗；
[0025]12)在試驗過程中，用電壓表測量赫爾電壓并記錄；
[0026]13)在試驗過程中，測量模塊I和模塊II的相對位移，并繪制位移與赫爾電壓的線性關(guān)系圖；
[0027]14)結(jié)合位移與赫爾電壓之間的線性關(guān)系，由電壓表測得的赫爾電壓換算赫爾元件的位移值，即試樣的局部軸向變形值。
[0028]進(jìn)一步，所述步驟8)中兩個赫爾元件與兩塊條形磁鐵的水平相對位置通過選用合適長度的鋼絲I和鋼絲II進(jìn)行保證。
[0029]本發(fā)明裝置及測試方法具有的優(yōu)點和效果如下:
[0030]1、所述的條形磁鐵的N極指向相同、S極指向相同且平行布置，相互之間間隔適當(dāng)距離，保證兩條形磁鐵之間的磁力線相互抵消，磁感應(yīng)強度B為OGs，然后將赫爾元件置于兩條形磁鐵的水平位置之間，輸出電壓為0V，可對赫爾元件進(jìn)行調(diào)零處理，使測量數(shù)據(jù)更加可靠；
[0031]2、兩塊所述赫爾元件之間形成雙赫爾差分電路，輸出電壓的差值為單個赫爾電壓的兩倍，增大變形測量的范圍，輸出的電壓值為兩個赫爾電壓的平均值，因此輸出的電壓變化更加穩(wěn)定，誤差更小，甚至可以忽略。
[0032]本發(fā)明的測量裝置能消除常規(guī)三軸試驗的三大誤差，使試驗數(shù)據(jù)更加可靠，且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格便宜，穩(wěn)定性好。
【附圖說明】
[0033]圖1為三軸試樣局部軸向應(yīng)變測量裝置測量時的立面示意圖；
[0034]圖2為圖1的A處局部放大圖；
[0035]圖3為圖1中B-B處剖面示意圖；
[0036]圖4為圖2中C-C處剖面示意圖；
[0037]圖5為圖2中D-D處剖面示意圖01 ;
[0038]圖6為圖2中D-D處剖面示意圖02 ;
[0039]圖7為兩塊條形磁鐵的磁力線分布圖。
[0040]圖中:橡皮膜1、鋼絲I 2、鋼絲II 20、墊塊3、薄板I 4、薄板II 40、赫爾元件5、赫爾元件引線6、條形磁鐵8、圓孔9。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0042]實施例1:
[0043]一種三軸試樣局部軸向應(yīng)變測量裝置，在傳統(tǒng)的三軸試樣裝置的基礎(chǔ)上增加了模塊I和模塊II。所述模塊I包括鋼絲I 2、鋼絲II 20、墊塊3、薄板II 40和兩塊條形磁鐵8。所述模塊II包括薄板I 4和兩個赫爾元件5。
[0044]參見圖1，所述墊塊3粘貼在試樣外圍的橡皮膜I上。所述墊塊3大致在試樣上端三分之一處。所述墊塊3的左側(cè)面與橡皮膜I貼合，右側(cè)面上開有兩個圓孔9。兩個圓孔9的位置呈上下分布。
[0045]所述薄板II 40位于墊塊3的下方。兩塊所述條形磁鐵8平行粘貼在薄板II 40的一側(cè)板面上。兩塊所述條形磁鐵8均平行于水平面且在豎直方向上重合。兩塊所述條形磁鐵8的質(zhì)量輕盈，它們的N極指向相同，S極指向相同。兩塊所述條形磁鐵8的磁極指向試樣側(cè)壁。兩塊條形磁鐵8之間的距離經(jīng)過調(diào)整，直至用高斯計測量出的磁感應(yīng)強度B為OGs時，用密封膠粘貼住。
[0046]所述鋼絲I 2和鋼絲II 20粘貼在薄板II 40的另一側(cè)板面上。所述鋼絲I 2和鋼絲II 20均分為上端的垂直彎折段、中間的直線段和下端的彎鉤段。所述鋼絲I 2和鋼絲II 20的垂直彎折段分別水平插入兩個圓孔9內(nèi)，然后在圓孔9四周均勻涂抹密封膠進(jìn)行密封和防水處理。所述鋼絲I 2和鋼絲II 20的直線段均垂直于水平面。所述鋼絲I 2和鋼絲II 20的彎鉤段勾住薄板II 40的下端。所述鋼絲I 2、鋼絲II 20、薄板II 40和兩塊條