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盒式土压力传感器标定测试研究

金陵科技学院学报 2024年第1期40卷 31-38页

作者：姜彦彬周汤啸瞿浩张震东韩劭恒金陵科技学院建筑工程学院江苏南京211169 水利部水库大坝安全重点实验室江苏南京210024 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098

土压力传感器标定是土工测试的关键基础工作,标定装置与方法标准尚未形成共识。基于固结试验加载平台,提出了垫片型和等径型两种土压力传感器标定装置,并使用砂土针对盒式土压力传感器及轴力传感器开展了对比测试。研究表明,盒式土压力... 详细信息

土压力传感器标定是土工测试的关键基础工作,标定装置与方法标准尚未形成共识。基于固结试验加载平台,提出了垫片型和等径型两种土压力传感器标定装置,并使用砂土针对盒式土压力传感器及轴力传感器开展了对比测试。研究表明,盒式土压力传感器的加载卸载标定系数线性度尚可,但存在一定滞回性。垫片型、等径型标定装置所得砂土标定系数分别低于、高于液压厂标系数,标定装置的内部尺寸对标定结果影响显著。轴力传感器标定测试及数值模拟结果均表明等径型标定装置内传感器上覆压强与加载量相等,符合标定装置的基本工作条件,但垫片型标定装置内竖向应力分布不均匀,导致内部传感器上方的压强低于加载量。上述研究为深化对土压力传感器标定的认识提供了有益参考。

关键词：土压力传感器标定装置垫片型等径型竖向应力分布

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一种双面感压式光纤土压力传感器

兵工学报 2023年第S1期44卷 132-137页

作者：周会娟余尚江陈晋央陈显孟晓洁军事科学院国防工程研究院河南洛阳471023

针对现有的光纤光栅式土压力传感器易因光栅受力不均匀而导致光栅反射谱展宽甚至出现啁啾而降低测量精度等问题,基于菱形金属框架结构和金属化光纤光栅设计制作了一种双面感压式土压力传感器,将光纤光栅直接焊接固定在菱形金属结构对角... 详细信息

针对现有的光纤光栅式土压力传感器易因光栅受力不均匀而导致光栅反射谱展宽甚至出现啁啾而降低测量精度等问题,基于菱形金属框架结构和金属化光纤光栅设计制作了一种双面感压式土压力传感器,将光纤光栅直接焊接固定在菱形金属结构对角线的两端,通过菱形金属结构将外界压力放大后作用于光栅两端,使得光栅栅区始终处于悬空且均匀受力状态,避免了光栅受力不均匀导致的光谱展宽及啁啾现象,采用焊接工艺避免了胶粘带来的蠕变、老化、失效等问题,保证了传感器较高的测量精度和较好的长期稳定性。理论分析和实验结果表明,研制的光纤式土压力传感器波长-压力灵敏度系数约为624 pm/MPa,量程为3.5 MPa。

关键词：土压力传感器光纤光栅菱形金属结构双面感压

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土压力传感器在硬土介质中的非线性响应分析

岩土力学 2013年第12期34卷 3633-3640页

作者：张立祥罗强张良刘钢魏永权翁骏祺西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室成都610031 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院成都610072

为掌握土压力传感器置于硬土介质中呈现的非线性响应特性,建立了传感器与土介质的相互作用模型,运用有限元分析了满足匹配误差稳定所需的传感器与土介质的模量比条件。进行了传感器的单体标定和级配碎石土介质标定试验,探讨了传感器非... 详细信息

为掌握土压力传感器置于硬土介质中呈现的非线性响应特性,建立了传感器与土介质的相互作用模型,运用有限元分析了满足匹配误差稳定所需的传感器与土介质的模量比条件。进行了传感器的单体标定和级配碎石土介质标定试验,探讨了传感器非线性响应的主要影响因素。计算与试验表明,目前国内主流的双膜土压力传感器在量测硬土介质中的土压力时,由于模量偏小标定曲线非线性显著;土压力传感器单体标定曲线线性度较高且其模量基本稳定,表明土介质的模量变化是引起标定曲线非线性的主要因素;通过将传感器置于与使用环境相近的土介质中进行标定,并采用非线性修正可明显提高硬土介质中土压力量测的准确性。

关键词：土压力传感器匹配误差硬土介质非线性响应修正方法

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土压力传感器与土介质相互作用特性分析

土压力传感器与土介质相互作用特性分析

作者：张胜利西南交通大学

学位级别：硕士

土压力传感器的应用至今已有近百年的历史,在岩土工程相关领域科研和实践中都得到了广泛的应用。目前土压力传感器的理论和应用技术都在不断发展,但对于土压力传感器和土介质的相互作用的研究仍落后于传感器的应用,还需作进一步研究。 ... 详细信息

土压力传感器的应用至今已有近百年的历史,在岩土工程相关领域科研和实践中都得到了广泛的应用。目前土压力传感器的理论和应用技术都在不断发展,但对于土压力传感器和土介质的相互作用的研究仍落后于传感器的应用,还需作进一步研究。为分析传感器和土介质的相互作用机理,针对传感器在量测时的匹配误差进行了有限元计算和室内试验研究,主要结论如下： 1)有限元计算结果证明,其它条件相同的情况下,匹配误差随土压力传感器与土介质模量比（Eg/Es）变化而变化,但同时土介质的其它参数对传感器匹配误差也有影响。在其它条件相同的情况下,传感器的匹配误差随厚径比增大逐渐增大,在Eg/Es=0.1的情况下呈非线性关系,在Eg/Es=10的情况下基本与厚径比成正比。该特性与经典理论吻合,进一步证实了增大土压力传感器刚度、减小厚径比的重要性。 2)根据有限元计算,传感器造成的边缘部位应力扰动远大于中心部分。 3)对于平动式土压力传感器,试验获得砂介质中匹配误差值大于按三种方法（巴兰洛夫公式、改进刚模法、本文有限元法）计算得到的匹配误差值。 4)试验结果显示,单膜片挠曲式传感器在模量比大时匹配误差与二次压陷法计算值差别不大,但在模量比小时误差较大。 5)试验所得的平动式、单膜片挠曲式土压力传感器砂介质中匹配误差均超过40%,不可忽略。传感器的匹配误差随土介质的条件（粒径、模量）变化较大,不仅仅和模量比、厚径比有关。因此,传感器在使用前应在尽量等同真实工作状态进行标定。 6)试验显示,在不同粒径的土介质中,土压力传感器的输出值离散性在小粒径条件下基本稳定,当土介质最大粒径大于传感器直径的1/4～1/3时,土压力传感器的输出曲线斜率离散性随粒径增加逐步增大,因此推测土压力传感器的适用最大粒径在直径的1/4～1/3之间,否则其输出曲线斜率离散性较大。

关键词：土压力传感器土介质相互作用匹配误差有限元法室内试验

薄板挠曲型光纤Bragg光栅土压力传感器设计与分析

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应用光学 2015年第1期36卷 145-149页

作者：赵艳张继军邹虹陈志军赵咏梅西北核技术研究所陕西西安710024

根据土压力传感器与土介质的匹配原则,设计了一种圆平膜片薄板挠曲型FBG土压力传感器。通过在圆膜片上设计一组对称的光栅固定柱,有效避免了传感器在使用过程中产生谱峰分裂。同时,利用光栅固定柱张角引起的应变效应,大幅度地提高了传... 详细信息

根据土压力传感器与土介质的匹配原则,设计了一种圆平膜片薄板挠曲型FBG土压力传感器。通过在圆膜片上设计一组对称的光栅固定柱,有效避免了传感器在使用过程中产生谱峰分裂。同时,利用光栅固定柱张角引起的应变效应,大幅度地提高了传感器的压力灵敏度。理论分析了该结构的增敏机理并给出传感器灵敏度公式,计算结果表明,传感器的压力灵敏度可达1 374.3pm/MPa。使用ANSYS建立薄板挠曲的有限元模型,通过提取固定柱中心点处在光纤方向上的位移,获得了有限元模型的压力灵敏度为1 360.8pm/MPa。有限元分析和理论设计结果的相对误差为0.98%,具有很高的一致度,验证了理论设计和分析的正确性。

关键词：土压力传感器 FBG 薄板挠曲有限元分析

微型FBG土压力传感器的优化设计及其模型试验应用研究

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工程地质学报 2015年第6期23卷 1085-1092页

作者：王正方王静隋青美叶青霖贾磊李术才山东大学光纤传感技术与工程研究中心济南250061 山东大学苏州研究院苏州215123 山东大学岩土与结构研究中心济南250061

本文针对地质力学模型试验,特别是针对含水地质结构的模型试验中土压力测量的不足,利用光纤光栅体积小、易封装、防水抗腐蚀、防电磁干扰等特点,基于短栅距光纤布拉光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）设计了适用于地质力学模型试验的微型... 详细信息

本文针对地质力学模型试验,特别是针对含水地质结构的模型试验中土压力测量的不足,利用光纤光栅体积小、易封装、防水抗腐蚀、防电磁干扰等特点,基于短栅距光纤布拉光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）设计了适用于地质力学模型试验的微型FBG土压力传感器.采用有限元力学仿真对传感器的膜片尺寸、传感器厚径比进行优化,得到传感器在0～1MPa土压力测量范围内,直径20mm、高度为0.2mm的圆平膜片灵敏度高且不易造成FBG光谱畸变,厚径比为0.16（H4mm/D：25mm）的传感器测量结果更可靠且对被测岩土介质影响较小.标定试验表明,传感器在0～1MPa压力范围内具有很好的重复性与一致性.将该传感器应用于海底隧道模型试验,监测隧道开挖过程的围岩应力释放规律,该传感器很好地监测了隧道从迅速失稳到逐渐稳定的变化过程,从而证明了设计的微型FBG应用于模型试验的可行性.

关键词：光纤布拉格光栅土压力传感器模型试验厚径比优化

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基于正交设计的土压力传感器匹配误差分析

传感器与微系统 2011年第3期30卷 50-53,56页

作者：张立祥罗强刘钢刘潇潇张胜利西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031

针对双膜平动式土压力传感器的结构特点,建立了简化分析模型,基于正交设计对传感器与土介质的相互作用特性进行了有限元计算,并通过标定试验验证了计算结果的合理性。研究表明:1)传感器与土介质的模量比Eg/Es、传感器厚度H、直径D的交... 详细信息

针对双膜平动式土压力传感器的结构特点,建立了简化分析模型,基于正交设计对传感器与土介质的相互作用特性进行了有限元计算,并通过标定试验验证了计算结果的合理性。研究表明:1)传感器与土介质的模量比Eg/Es、传感器厚度H、直径D的交互作用只在Eg/Es>1后对匹配误差β有显著影响,但均小于各因素自身对β的影响程度;2)Eg/EsH>D;1D>H;Eg/Es>5后,主次顺序为D>H>Eg/Es;3)β具有随H基本呈线性增加,随D非线性减小的特性;4)Eg/Es是控制β的关键因素;Eg/Es1后,β随Eg/Es增加而逐渐趋于稳定;Eg/Es≥6.45,8.17,12.18后,对应的β分别约为稳定值的90%,9 5%,99%以上。

关键词：土压力传感器匹配误差正交设计有限元计算

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微型布拉格光栅土压力传感器的设计与试验

仪表技术与传感器 2016年第10期 20-23,27页

作者：孙搏隋青美王静曹帅帅王宁李海燕刘斌山东大学控制科学与工程学院山东济南250061 山东大学岩土与结构中心山东济南250061

基于金属膜片受压径向拉伸特性。依据土压力传感器与土介质的匹配原则,设计了一种微型布拉格光栅土压力传感器。传感器充分利用金属膜片受到外界压力而产生的最大应变。传感器理论压力灵敏度为2.337 6 nm/MPa。用ANSYS建立金属膜片有限... 详细信息

基于金属膜片受压径向拉伸特性。依据土压力传感器与土介质的匹配原则,设计了一种微型布拉格光栅土压力传感器。传感器充分利用金属膜片受到外界压力而产生的最大应变。传感器理论压力灵敏度为2.337 6 nm/MPa。用ANSYS建立金属膜片有限元模型,提取膜片中心点径向位移,得到仿真灵敏度为2.332 0 nm/MPa。用台式气压源、光纤光栅解调仪等设备组建气压标定平台,对传感器进行标定试验。试验表明,在0.3~1.0 MPa范围内,压力灵敏度为1.962 9 nm/MPa,较裸光栅提高654倍,线性度为99.4,具有低啁啾、稳定性高的特点。

关键词：光纤Bragg光栅土压力传感器金属膜片匹配原则有限元分析低啁啾

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温度补偿式光纤光栅土压力传感器

应用光学 2010年第1期31卷 110-113页

作者：胡志新王震武马云宾张君长安大学工程机械学院陕西西安710064 中国石油管道研究中心河北廊坊065000

针对现有土压力传感器无法实现长期、实时监测的要求,设计了温度补偿式光纤光栅土压力传感器。选用有硬中心的平膜片作弹性元件,选用灵敏度高、体积小、质量轻、易于波分复用和组成传感网络的光纤光栅作敏感元件;同时采用了不受力光栅... 详细信息

针对现有土压力传感器无法实现长期、实时监测的要求,设计了温度补偿式光纤光栅土压力传感器。选用有硬中心的平膜片作弹性元件,选用灵敏度高、体积小、质量轻、易于波分复用和组成传感网络的光纤光栅作敏感元件;同时采用了不受力光栅法进行了温度补偿。经实验测试,该传感器的灵敏度为1.5 nm/M Pa;线性度误差为0.35%;重复性为0.06%;迟滞为2.19%;静态误差为2.21%;这些指标能够满足实际工程应用要求。

关键词：光纤光栅土压力传感器温度补偿