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基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，可有效解決地應(yīng)力測量精確問題，采用溫度傳感器作溫度補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)由溫度變化引起的測量誤差，其結(jié)構(gòu)是，外殼是玻璃鋼材料，包括殼體和栓塞兩部分，殼體內(nèi)表面套有內(nèi)層PVC塑料管，內(nèi)層PVC管外表面粘貼有電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的外面被環(huán)氧樹脂包圍，采用外層表面由4個(gè)小圓孔的PVC管澆注；殼體的凹槽處有溫度傳感器DS18B20，外部連接有單片機(jī)控制的外圍電路顯示模塊，本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)新穎、成本較低，可以在礦山施工現(xiàn)場對地應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測量，防止工程施工中由于原巖應(yīng)力而引起的安全事故，對礦山支護(hù)設(shè)計(jì)也能提供可靠幫助。
【專利說明】基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種地應(yīng)力測試裝置，特別是一種基于溫度傳感器空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，它能引起采礦工程中圍巖和支護(hù)的變形與破壞、產(chǎn)生礦井動(dòng)力現(xiàn)象，不考慮地應(yīng)力的影響進(jìn)行施工，則礦井生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，并經(jīng)常引起嚴(yán)重事故。因此，準(zhǔn)確的地應(yīng)力測量是安全生產(chǎn)所不可缺少的。目前地應(yīng)力測量最廣泛的還是應(yīng)用基于套孔應(yīng)力解除法的空心包體應(yīng)力計(jì)，它是70年代中期由澳大利亞學(xué)者沃羅特尼基(G.Worotnicki)和沃爾頓(R.Wlton)實(shí)用新型的，我國現(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的KX-81型空心包體應(yīng)變計(jì)是在其基礎(chǔ)上研制出來的，其主體為用環(huán)氧樹脂制成的空心圓筒,外徑為36mm,內(nèi)徑為30mm,在其中間層直徑32mm處,沿同一圓周等距離嵌埋著3組電阻應(yīng)變花，每組應(yīng)變花由4支應(yīng)變片組成，互相間隔45度。它的外殼是由鋁合金制成的，由于鋁合金在生產(chǎn)鑄造過程中容易出現(xiàn)縮孔、砂眼、氣孔和夾渣等問題，價(jià)格相對也昂貴，又由于材料本身硬度超強(qiáng)，空心包體應(yīng)力計(jì)的外殼結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜，在數(shù)控車床上加工不易，因此對加工工藝要求比較高。它是使用電阻應(yīng)變片作為傳感元件，因此它會(huì)因溫度變化而引起測量誤差，致使儀器測量精度低。此外，由于空心包體應(yīng)力計(jì)本身構(gòu)造復(fù)雜和電阻應(yīng)變片比較小、引線易折斷等特點(diǎn)，這就決定了其制造過程中應(yīng)變片粘貼、環(huán)氧樹脂的澆注等加工工藝的復(fù)雜性。因此，應(yīng)用機(jī)械制造、電路理論等學(xué)科的相關(guān)知識，開發(fā)出一種外殼材料價(jià)格便宜、加工容易，溫度補(bǔ)償效果好、測量精度高的地應(yīng)力測試系統(tǒng)，找到一種制造工藝簡單可行的制造方法勢在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本實(shí)用新型之目的就是提供一種基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，可有效解決溫度變化引起的誤差，外殼結(jié)構(gòu)加工不易，制作工藝復(fù)雜的問題，提高測量的精度。
[0004]本實(shí)用新型解決的技術(shù)方案是，包括外殼結(jié)構(gòu)、電阻應(yīng)變片、溫度傳感器、PVC塑料管、環(huán)氧樹脂。所述的外殼結(jié)構(gòu)是有玻璃鋼材料在數(shù)控車床上加工而成的，外殼結(jié)構(gòu)包括殼體(如圖2所示)和栓塞(如圖3所示)兩部分，其中殼體尾部有導(dǎo)線電纜出口 10和螺栓銷釘1、密封圈9，前端有外套圓環(huán)13，殼體表面3套有內(nèi)層PVC塑料管6，內(nèi)層PVC管子外表面貼有電阻應(yīng)變片4，電阻應(yīng)變片4的外面被環(huán)氧樹脂7包圍著，電阻應(yīng)變片4的引線通過電纜線出口 2引出來，殼體的凹槽處有溫度傳感器11，栓塞前端有密封圈9，內(nèi)腔尾部有定位孔12、前端有膠結(jié)劑流出孔8。此外，還有澆注環(huán)氧樹脂用的外層PVC塑料管(如圖6所示)，其表面有4個(gè)小圓孔。
[0005]本實(shí)用新型測量精度高、效果好，能為礦山、鐵道、水利水電、土木建筑及其他大型地下或露天工程的設(shè)計(jì)和施工提供比較準(zhǔn)確可靠的地應(yīng)力資料，在經(jīng)濟(jì)和有效的前提下，對于推動(dòng)工程施工中的安全生產(chǎn)具有重大作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。
[0007]圖2為本實(shí)用新型的殼體圖。
[0008]圖3為本實(shí)用新型的栓塞圖。
[0009]圖4為本實(shí)用新型的溫度傳感器連接示意圖。
[0010]圖5為本實(shí)用新型的內(nèi)層PVC塑料管。
[0011]圖6為本實(shí)用新型的外層PVC塑料管。
[0012]圖7為本實(shí)用新型的外套圓環(huán)。
[0013]圖8為本實(shí)用新型的內(nèi)腔橫截面。
[0014]圖9為本實(shí)用新型的電阻應(yīng)變片連接不意圖。
[0015]以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作以詳細(xì)描述。
[0016]如圖1所示，本實(shí)用新型包括外殼結(jié)構(gòu)、電阻應(yīng)變片、溫度傳感器、PVC塑料管、環(huán)氧樹脂。
[0017]所述的外殼結(jié)構(gòu)是有玻璃鋼材料在數(shù)控車床上加工而成的，外殼結(jié)構(gòu)包括殼體和栓塞兩部分，其中殼體尾部有導(dǎo)線電纜出口 10和螺栓銷釘1、密封圈9，前端有外套圓環(huán)13，殼體內(nèi)表面3套有內(nèi)層PVC塑料管6，內(nèi)層PVC管子外表面貼有電阻應(yīng)變片4，電阻應(yīng)變片4的外面被環(huán)氧樹脂7包圍著，電阻應(yīng)變片4的引線通過電纜線出口 2引出來，殼體的凹槽處有溫度傳感器11，栓塞前端有密封圈9，內(nèi)腔尾部有定位孔12、前端有膠結(jié)劑流出孔8 ;此外還有澆注環(huán)氧樹脂用的外層PVC塑料管，其表面有4個(gè)小圓孔。
[0018]所說的溫度傳感器11，所用的是溫度傳感器DS18B20，它有3個(gè)管腳，分別為接地端GND、數(shù)字信號輸入端DQ、供電電源輸入端VCC，三根電纜引線分別接三個(gè)管腳，引出端分別接5v電源、接地、接數(shù)字信號輸入口，它由單片機(jī)控制的外圍電路顯示模塊。
[0019]所述的外殼結(jié)構(gòu)是由玻璃鋼材料在數(shù)控車床上加工而成的，殼體尾部有導(dǎo)線電纜出口 10和螺栓銷釘1、密封圈9，內(nèi)層PVC管子外表面貼有電阻應(yīng)變片4，電阻應(yīng)變片4的外面被環(huán)氧樹脂7包圍著，電阻應(yīng)變片4的引線通過電纜線出口 2引出來，栓塞前端有密封圈9，內(nèi)腔尾部有定位孔12、前端有膠結(jié)劑流出孔8。
[0020]所述的內(nèi)層PVC塑料管6，它是由聚氯乙烯樹脂制成的管子，內(nèi)徑為29mm，外徑為32mm,長度為 94mm。
[0021]所述的外套圓環(huán)13，它亦是由聚氯乙烯樹脂制成的圓環(huán)，內(nèi)徑為32mm，外徑為36mm,長度為2mm。
[0022]所說的外層PVC塑料管，它也是有聚氯乙烯樹脂制成的圓環(huán)，內(nèi)徑為36mm，外徑為40mm,長度為94mm,外表面有4個(gè)直徑3mm的小圓孔。
[0023]由上述可以看出，本實(shí)用新型的外殼結(jié)構(gòu)是由玻璃鋼材料在數(shù)控車床上按照一定的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸加工而成的，包括殼體和栓塞兩部分。外殼結(jié)構(gòu)加工好以后，殼體的外表面上套有內(nèi)層PVC塑料管6，它是由聚氯乙烯樹脂制成的管子，它的尺寸是內(nèi)徑為29mm，外徑為32mm，長度為94mm，內(nèi)層PVC塑料管6表面貼有3組應(yīng)變花，電阻應(yīng)變片的連線結(jié)構(gòu)如圖5所示，電阻應(yīng)變片的外面被厚約2mm的環(huán)氧樹脂環(huán)繞著，殼體前部有外套圓環(huán)13擋著，防止環(huán)氧樹脂膠流出，它亦是由聚氯乙烯樹脂制成的圓環(huán)，它的尺寸是內(nèi)徑為32mm，夕卜徑為36mm，長度為2mm，在殼體的凹槽內(nèi)安置有11溫度傳感器DS18B20，它的3個(gè)管腳分別接5v電源，接地，接數(shù)字信號輸入口，外部連接有單片機(jī)控制的顯示裝置，它的連線示意如圖4所示，殼體凹槽內(nèi)有16個(gè)直徑1_的小孔2，電阻應(yīng)變片的13根引線和溫度傳感器的3根引線可通過小孔2引出，栓塞前端和殼體尾部安有密封圈9，可以防止使用過程中膠結(jié)劑的流出和水分進(jìn)入儀器內(nèi)，栓塞尾部和殼體前端有直徑2_小孔8，可以準(zhǔn)確定位殼體和栓塞的位置關(guān)系。所用的外層PVC塑料管，它也是有聚氯乙烯樹脂制成的空心圓環(huán)，內(nèi)徑為36mm,外徑為40mm,長度為94mm,外表面有4個(gè)直徑3mm的小圓孔，如圖6所不，是為了快速、精確地向腔體內(nèi)注入環(huán)氧樹脂，提高了加工的加工工藝。
[0024]本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)新穎、外觀獨(dú)特，是在傳統(tǒng)空心包體應(yīng)力計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展而來的基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，它的溫度補(bǔ)償效果好、精度高，同時(shí)它的外殼材料玻璃鋼價(jià)格便宜、加工容易，粘貼電阻應(yīng)變片、澆注環(huán)氧樹脂的加工工藝比較簡單、方便，可以比較精確的測量地應(yīng)力，防止工程施工中由于原巖應(yīng)力而引起的安全事故。
[0025]本實(shí)用新型為了達(dá)到使用效果，在制作時(shí)，外殼材料要用玻璃鋼材料在數(shù)控車床上加工而成，原因是鋁合金材料本身硬度超強(qiáng)，又外殼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在數(shù)控車床上加工工序比較復(fù)雜，而且鋁合金材料在生產(chǎn)鑄造過程中容易出現(xiàn)縮孔、沙眼、氣孔和夾渣等缺陷，加上鋁合金材料本身比較昂貴，而玻璃鋼材料屬于有機(jī)物質(zhì)，硬度比較強(qiáng)、可以承受巖石受壓，在數(shù)控車床上加工方便、對刀具要求不高，價(jià)格相對鋁合金要便宜，所以外殼材料采用玻璃鋼是更加合理的。電阻應(yīng)變片應(yīng)貼在內(nèi)層PVC塑料管子6的外表面，是因?yàn)镻VC材料它是由聚氯乙烯樹脂合成的，它的彈塑性比較好，適合電阻應(yīng)變片的工作環(huán)境，使得靈敏度比較好，再粘貼之前一定要用酒精清洗內(nèi)層PVC塑料管的外表面，使其清潔、干凈，貼好應(yīng)變片后，為了防止其被氧化，也應(yīng)該在其外表面涂上一層石蠟。使用外層PVC塑料管子，其套在內(nèi)層PVC塑料管子6的外面，它的外表面上有四個(gè)小孔，通過小孔可以用針管簡單、方便、快速地向其腔體內(nèi)部澆注環(huán)氧樹脂，為了澆注均勻，應(yīng)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)管子，同時(shí)內(nèi)層PVC塑料管子6的前端套有一個(gè)圓環(huán)，可以防止環(huán)氧樹脂的流出。為了防止使用過程中膠結(jié)劑的流出和水分進(jìn)入到內(nèi)部，在栓塞前部和殼體尾部必須裝上密封圈。為了固定電纜引線，殼體尾部必須擰上螺栓銷釘。
[0026]本實(shí)用新型型的制作步驟是:(I)在數(shù)控車床上，用玻璃鋼棒材料加工成外殼(2)在殼體的外表面套上內(nèi)層PVC塑料管子6，用酒精清洗后貼上電阻應(yīng)變片，在應(yīng)變片外表面涂上一層石蠟(3)在殼體的凹槽內(nèi)裝上溫度傳感器DS18B20，將引線引出，引線連接有單片機(jī)控制的顯示裝置(4)將溫度傳感器的引線按照圖2連接起來，將電阻應(yīng)變片的引線，按照圖7連接起來(5 )在內(nèi)層PVC塑料管6的外表面套上外層PVC塑料管，并在前端套上外套圓環(huán)13 (6)用針管通過外層PVC塑料管的小孔向內(nèi)腔中注入環(huán)氧樹脂，并不停地轉(zhuǎn)動(dòng)管子，待到環(huán)氧樹脂固化后，取出外層PVC塑料管即可(7)在殼體尾部裝上螺栓銷釘，在殼體尾部和栓塞前端凹槽內(nèi)裝上密封圈。
[0027]本實(shí)用新型型的工作原理是:本實(shí)用新型型的目的是基于應(yīng)力解除方法來測量原巖應(yīng)力，指導(dǎo)工程中安全生產(chǎn)。本實(shí)用新型利用電阻應(yīng)變片作為敏感元件，通過把感受到的力轉(zhuǎn)換為電阻的變化顯示出來，包括3組電阻應(yīng)變花，每組應(yīng)變花有四支應(yīng)變片組成，相互間隔45度排列，連接線路如圖9所示。它使用的是惠斯通電橋的原理，電阻應(yīng)變片作為四分之一橋臂，每次只有一個(gè)電阻應(yīng)變片作為工作片，電橋的另外四分之三橋臂的電阻均采用超低溫度系數(shù)的電阻，它們隨溫度的改變電阻的變化非常小，對測量結(jié)果幾乎沒有影響。這樣原巖應(yīng)力的量值可以通過電阻應(yīng)變片反映出來，但與此同時(shí)，由溫度的變化也會(huì)引起電阻應(yīng)變片阻值的變化。因此，本實(shí)用新型在殼體的凹槽內(nèi)安裝有溫度傳感器DS18B20，它是一種數(shù)字式的溫度傳感器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍環(huán)境溫度的變化，可以直接讀取溫度示數(shù)。溫度傳感器DS18B20有3個(gè)管腳，接地端GND、接電源VCC、數(shù)字信號輸入端DQ，這3個(gè)管腳分別有電纜線引出，外部連接有自行開發(fā)設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制的顯示部分，電路圖接法如圖4所示。這樣每記錄一個(gè)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值，同時(shí)也記錄下溫度傳感器DS18B20的讀數(shù)。待到結(jié)果記錄完以后，取出巖芯，把巖芯放入變溫箱中，調(diào)節(jié)變溫箱的溫度值，巖芯周圍的溫度會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)電阻應(yīng)變片會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓?，?yīng)變值也相應(yīng)的變化，這樣由溫度的變化引起的應(yīng)變值的變化便可求出，最終通過標(biāo)定可以得到準(zhǔn)確的電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值。
[0028]本實(shí)用新型的工作過程是:按照正確的制作步驟完成本實(shí)用新型型以后，就要按照正確的方法來使用本實(shí)用新型型測量地應(yīng)力，方法如下。
[0029](I)按照選取地應(yīng)力測試點(diǎn)的要求選好測試點(diǎn)以后，使用配有鉆桿的地質(zhì)鉆機(jī)和特制的取心套筒及鉆頭，在所測巷道壁上打直徑為130_的水平鉆孔，至巷道跨度的3 - 5倍深處，以保證應(yīng)變計(jì)安裝位置位于原巖應(yīng)力區(qū)。鉆孔上傾3度到5度，以便冷水流出并易于清洗鉆孔。
[0030](2)用平鉆頭將孔底磨平，并用錐形鉆頭打出喇叭口，然后從孔底打直徑為36mm的同心小孔，小孔深35 - 40cm，小孔打好后，用水沖洗干凈，再用酒精擦洗。
[0031](3)然后開始安裝本實(shí)用新型型。用粘結(jié)劑注入本實(shí)用新型型的內(nèi)腔內(nèi)，固定好栓塞塞，用帶有定向器的安裝桿將本實(shí)用新型型送入小孔中預(yù)定位置，推斷固定銷，將粘結(jié)劑從應(yīng)力計(jì)內(nèi)腔擠出進(jìn)入應(yīng)力計(jì)與小孔之間的間隔中，等到粘結(jié)劑固化后，記下應(yīng)力計(jì)的偏角以及鉆孔的方位和傾角。
[0032](4)待到膠結(jié)劑固化以后，開始進(jìn)行應(yīng)力解除試驗(yàn)。用鉆機(jī)開始進(jìn)行套心，每進(jìn)尺3cm記錄一下儀器的讀數(shù)，同時(shí)記錄下溫度傳感器DS18B20的溫度值，等到進(jìn)尺之后儀器讀數(shù)不再變化時(shí)，停止進(jìn)尺，取出巖芯。
[0033](5)將取出的巖芯放進(jìn)變溫箱中，調(diào)節(jié)變溫箱的溫度值，記錄電阻應(yīng)變片由溫度變化引起的應(yīng)變值的變化，這樣通過標(biāo)定就可得到由溫度引起的應(yīng)變值的改變量，將此改變量和先前應(yīng)力解除時(shí)記錄的應(yīng)變值作對比，即可得到準(zhǔn)確的應(yīng)變值。將應(yīng)變值帶入數(shù)據(jù)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，就可得到準(zhǔn)確的地應(yīng)力。
【權(quán)利要求】
1.一種基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，包括外殼結(jié)構(gòu)、電阻應(yīng)變片、溫度傳感器、PVC塑料管、環(huán)氧樹脂；所述的外殼結(jié)構(gòu)是有玻璃鋼材料在數(shù)控車床上加工而成的，外殼結(jié)構(gòu)包括殼體和栓塞兩部分，其中殼體尾部有導(dǎo)線電纜出口( 10 )和螺栓銷釘(I)、密封圈(9 )，前端有外套圓環(huán)(13 )，殼體內(nèi)表面3套有內(nèi)層PVC塑料管(6 )，內(nèi)層PVC管子外表面貼有電阻應(yīng)變片(4)，電阻應(yīng)變片(4)的外面被環(huán)氧樹脂(7)包圍著，電阻應(yīng)變片(4)的引線通過電纜線出口(2)引出來，殼體的凹槽處有溫度傳感器(11)，栓塞前端有密封圈(9)，內(nèi)腔尾部有定位孔(12)、前端有膠結(jié)劑流出孔(8);此外還有澆注環(huán)氧樹脂用的外層PVC塑料管，其表面有4個(gè)小圓孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所說的溫度傳感器(11 )，所用的是溫度傳感器DS18B20，它有3個(gè)管腳，分別為接地端GND、數(shù)字信號輸入端DQ、供電電源輸入端VCC，三根電纜引線分別接三個(gè)管腳，引出端分別接5v電源、接地、接數(shù)字信號輸入口，它由單片機(jī)控制的外圍電路顯示模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的外殼結(jié)構(gòu)是由玻璃鋼材料在數(shù)控車床上加工而成的，殼體尾部有導(dǎo)線電纜出口(10)和螺栓銷釘(I)、密封圈(9)，內(nèi)層PVC管子外表面貼有電阻應(yīng)變片(4)，電阻應(yīng)變片4的外面被環(huán)氧樹脂7包圍著，電阻應(yīng)變片(4)的引線通過電纜線出口(2)引出來，栓塞前端有密封圈(9 )，內(nèi)腔尾部有定位孔(12 )、前端有膠結(jié)劑流出孔(8 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的內(nèi)層PVC塑料管(6)，它是由聚氯乙烯樹脂制成的管子，內(nèi)徑為29mm，外徑為32mm,長度為 94mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的外套圓環(huán)13，它亦是由聚氯乙烯樹脂制成的圓環(huán)，內(nèi)徑為32mm，外徑為36mm，長度為2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于溫度傳感器的空心包體應(yīng)力計(jì)的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所說的外層PVC塑料管，它也是有聚氯乙烯樹脂制成的圓環(huán)，內(nèi)徑為36mm，外徑為40mm，長度為94mm,外表面有4個(gè)直徑3mm的小圓孔。
【文檔編號】G01L1/22GK203534737SQ201320397151
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月5日
【發(fā)明者】劉少偉, 樊克松, 張榮花 申請人:河南理工大學(xué)