一种土压力传感器及其埋设与回收方法与流程

1.本发明涉及土压力监测技术领域，具体涉及一种土压力传感器及其埋设与回收方法。


背景技术：

2.岩土工程中，强度和位移指标对岩土体局部和整体稳定性起着重要作用，必须采用技术手段进行监测以此来判别工程的安全性，为实际工程设计提供可靠依据。随着电子信息技术和计算机技术的迅速发展，岩土工程信息化进程不断加快，监测方式和监测仪器的创新也为工程信息化提供了有力的支持。
3.由于地质环境复杂，施工过程中荷载等因素，土压力作为岩土工程中最基本的参数之一，对其进行实时监测以防止工程事故的发生显得尤为重要。而压力传感器作为获取应力参数的关键仪器具有广阔的发展前景和较为广泛的应用。例如隧道的衬砌应力监测、边坡支护应力监测，这些监测数据不仅能准确反映结构的稳定性，同时能在数据分析的基础上进行数值模拟工作，更好地优化设计结构及其支护。
4.目前，土中传感器埋设通常采用钻孔法，利用钻机的钻杆将传感器压入指定标高，埋入传感器并回填压实土体，但该方法无法实现传感器的回收，传感器使用完毕后只能遗弃在钻孔内，从而增加了监测成本。另外，实际工程中对土压力传感器进行埋设时容易发生偏移，无法确定测得数据是否为实际方向，难以对土体应力状态进行准确刻画。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种土压力传感器及其埋设与回收方法，能有效解决现有钻孔法无法实现传感器回收以及无法确定测得数据是否为实际方向的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
7.一种土压力传感器，包括传感器组件和套筒；所述传感器组件包括柱形安装部，所述柱形安装部上设有光纤光栅传感器，柱形安装部的上底面设有定位杆、下底面设有钻头，柱形安装部内部设有陀螺仪；所述套筒与柱形安装部拆卸式连接，且套筒内设有用于固定柱形安装部的固定件，所述定位杆、柱形安装部以及套筒同轴布置。
8.进一步地方案为，所述固定件包括沿套筒内壁周向等距间隔布置的各活动卡扣，所述活动卡扣包括第一连接片、第二连接片和第三连接片；所述第一连接片的布置方向与套筒径向一致，且第一连接片的首端固定在套筒内壁、尾端与第二连接片的首端固定连接，所述第二连接片的布置方向与套筒轴向一致，且第二连接片的尾端与第三连接片的首端固定连接，所述第三连接片倾斜布置、且第三连接片的尾端与第一连接片的首端位于套筒的同一条素线上；各活动卡扣的第二连接片围成用于固定柱形安装部的空间筒形结构。
9.进一步地方案为，所述光纤光栅传感器包括应变光栅和温补光栅，所述应变光栅和温补光栅均是通过光纤光栅胶粘剂固定在柱形安装部的上底面和侧壁；所述光纤光栅胶粘剂是将环氧树脂与脂肪胺溶液按照1:8～12的比例进行混合并不断搅拌至乳黄色或白色
制成的。其中，光纤光栅传感器绕柱形安装部周向间隔布置，用以测量不同方向土压力。
10.进一步地方案为，所述应变光栅和温补光栅粘贴至柱形安装部之前先打磨光栅粘贴位置，打磨完毕后用酒精清洁，之后在光栅粘贴位置的两端涂抹硅橡胶，将胶粘剂涂覆在应变光栅和温补光栅上，涂胶完成后对胶粘剂进行热固化处理。
11.另外，本发明还提供一种上述土压力传感器的埋设与回收方法，包括以下步骤：
12.首先，根据埋设方案确定土压力传感器的埋设地点，在断面位置两侧插入钢钎，记录土压力传感器与钢钎相对位置；
13.将套筒与柱形安装部连接，以将柱形安装部密封在内，之后将土压力传感器埋入指定位置，拔出套筒回填至钻孔标高，对传感器组件的埋设深度进行记录；
14.回收时，先在埋设地点进行钻孔，至埋设深度时利用孔内定位杆定位到柱形安装部，再将套筒与柱形安装部相连，拔出套筒即实现传感器组件的回收。
15.上述技术方案中提供的土压力传感器，通过在柱形安装部内设置陀螺仪进行纠偏，以实现对土体应力状态进行准确刻画；设置多个光纤光栅并经过温度修正，通过换算得到土体六个有效应力分量，测量精度较高。
16.另外，上述技术方案还提供了上述土压力传感器的埋设与回收方法，其使用套筒与钻头相连进行埋设与回收时，光纤光栅密封在套筒中，对光纤起到密封保护作用，保证了光纤光栅使用过程中的长期稳定性；将传感器与钻头、套筒相连，便于传感器的埋设与回收，同时实现了传感器的重复利用，降低了监测成本。
附图说明
17.图1为本发明所述土压力传感器的结构示意图；
18.图2为传感器组件埋设和回收时的状态示意图；
19.图3为空间坐标系中土压力分量变化图。
20.图中：1、钻头；2、温补光栅；3、柱形安装部；4、定位杆；5、套筒；6、应变光栅；7、陀螺仪；8、活动卡扣；81、第一连接片；82、第二连接片；83、第三连接片。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
22.实施例1
23.本发明采取的技术方案如图1所示，一种土压力传感器，包括传感器组件和套筒5，传感器组件包括柱形安装部3，柱形安装部3上设有光纤光栅传感器，柱形安装部3的上底面设有定位杆4、下底面设有钻头1，柱形安装部3的内部设有陀螺仪；套筒5与柱形安装部3拆卸式连接，且套筒5内设有用于固定柱形安装部3的固定件，固定件包括沿套筒5内壁周向等距间隔布置的各活动卡扣8，活动卡扣8为弹性钢片，包括第一连接片81、第二连接片82和第三连接片83；第一连接片81的布置方向与套筒5径向一致，且第一连接片81的首端固定在套筒5内壁、尾端与第二连接片82的首端固定连接，第二连接片82的布置方向与套筒5轴向一致，且第二连接片82的尾端与第三连接片83的首端固定连接，第三连接片83倾斜布置、且第
三连接片83的尾端与第一连接片81的首端位于套筒5的同一条素线上；各活动卡扣8的第二连接片81围成用于固定柱形安装部3的空间筒形结构，参考图2；定位杆4、柱形安装部3以及套筒5同轴布置，定位杆4为钢管，定位杆4下端与柱形安装部3相连，便于回收时对传感器进行定位，套筒5沿着定位杆4深入便于寻找柱形安装部(传感器)；光纤光栅压力传感器与传统电阻式、正弦式压力传感器相比具有灵敏度高、体积小质量轻、适应性强等优点。
24.光纤光栅传感器包括应变光栅6和温补光栅2，应变光栅6和温补光栅2均是通过光纤光栅胶粘剂固定在柱形安装部的上底面和侧壁。将光纤光栅粘贴至传感面之前首先需要对柱形安装部3表面进行清洁与打磨抛光，用砂纸打磨受压圆膜片(位于柱形安装部的上底面)上光栅粘贴的位置，打磨区域大于光纤光栅粘贴范围，打磨完毕后用酒精棉球进行清洁。将环氧树脂与脂肪胺溶液按照1:10的比例进行混合并不断搅拌至乳黄色或白色，制成光纤光栅胶黏剂。具体为，在需涂胶区域的两端涂抹卡夫特rtv硅橡胶，防止涂胶过程中胶粘剂往两端扩散，将胶粘剂涂覆在光纤光栅上，控制涂胶区域超出栅区两端各2mm左右，同时涂覆宽度控制在3mm左右、厚度小于1mm。涂胶完成后对胶粘剂进行热固化处理，加热时观察胶粘剂颜色变化状况，当胶粘剂变为深褐色时取出，利用余热继续加热。
25.操作时将四根应变光栅连接成正方形固定在受压圆膜片上，定位杆位于正方形的中心处，应变光栅与圆膜片之间紧密贴合，避免出现缝隙。同理，在柱形安装部侧壁布设四根应变光栅和一根温补光栅，用来感应环境温度的变化，从而消除光栅监测过程中所受温度的影响。将分布式光栅与光纤光栅解调仪连接，据分布式光纤中光的波长变化值计算获得土体某点的全应力分量，通过光纤光栅解调仪测得四根分布式光栅中光的波长变化值并经温度修正，通过换算公式得到土体中六个有效应力分量，由此即得到土体内某点全应力分量。将陀螺仪固定于传感器形心处，负责定位传感器转动角度，当土压力传感器埋设发生偏移时，陀螺仪可测得转动角度，结合传感器压力读数可推出土体中六个有效应力分量。
26.土压力传感器组装完成后需要进行标定，在标定容器的底部放细沙，将土压力传感器置于细砂中间，使传感器的被标面垂直向上；然后将充满液体的液囊放入标定箱中的传感器上，同时使液囊和传感器的承压面紧密接触；最后在液囊上放置可移动的承压板，并在承压板上方施加外载荷，并逐级加载标定，就可以获得传感器的标定曲线。
27.光纤光栅波长变化量转化土压力原理：
28.假定光纤光栅土压力传感器中的应变光栅和温补光栅在温度和应变的作用下均是线性变化，且相互之间互不影响，应变光栅布设在圆柱体内侧表面，波长为λ1；温补光栅的材料与柱形安装部材料相同且温度场一致且温补光栅只受温度影响，其波长λ2。两光栅位于同一温度场下，在温度效应的影响下其波长的变化量一致，能够有效的消除温度的影响，得到稳定可靠的应变值。
29.光栅的波长变化为：
[0030][0031][0032]
两式联立可得：
[0033][0034]
该式即为内置温补光栅法温度补偿的数学关系式，其中，λ为中心波长量，δλ为中心波长变化量，s
ε
为应变灵敏度系数，s
t
为温度灵敏度系数，ε为应变值，δt为温度变化值；
[0035]
(1)柱形安装部的外观为圆柱形，圆柱上底面为设有受压圆膜片，应变光栅贴在半径为r的受压圆膜片的圆周上。假设受压圆膜片周边均为固定结构，膜片与土体接触部位为均匀分布土压力作用，此时受压圆膜片处于小挠度状态，将发生形变，从而引起光纤光栅中心波长向长波方向偏移。通过检测波长偏移量并通过温度修正就可以测量压力的大小。
[0036]
膜片在均匀压力p作用下，处在半径为r的圆周上的光纤光栅，结合小挠度理论、挠度公式和应力应变公式可得切向应变为：
[0037][0038]
式中，e，μ为膜片材料的弹性模量和泊松比；h为膜片的厚度；r为膜片的半径；
[0039]
应变光栅贴在半径为r的圆膜片的圆周上时，由3式和4式可得：
[0040][0041]
(2)在圆柱侧壁布设5根分布式光栅，其中4根为应变光栅，1根为温补光栅，用来感应环境温度的变化，从而消除光栅监测过程中所受温度的影响。将分布式光栅与光纤光栅解调仪连接，据分布式光纤中光的波长变化值计算获得土压力。
[0042]
假设传感器横截面与基坑土体接触部位为均匀分布土压力作用，取一截圆环为研究对象，受力状态为一薄壁圆环受均匀外压的作用，此时环面处于小挠度状态，将发生形变，从而引起光纤光栅中心波长向长波方向偏移，通过温度补偿得到土压力。
[0043]
设土压力为p，由于壁厚δ远小于内径r，其比值远小于1，通过拉梅公式可简化为薄壁筒公式：
[0044][0045]
则应变公式为：
[0046][0047]
由3式和7式结合：
[0048][0049]
通过每个应变光栅不同的波长变化量，可以测得相应的土压力。
[0050]
其中r为内径，δ为壁厚，e为膜片材料的弹性模量，p为土压力；
[0051]
以传感器形心为原点，传感器形心与任一光纤光栅的连线为x轴，水平垂直于x轴为y轴，以原点向上垂直xy平面方向为z轴，建立空间直角坐标系。根据光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线角度布置，计算出各个传感面法向与坐标系x轴、y轴、z轴的角度。
[0052]
imu中使用的传感器基本上都是微机电系统(mems)，是半导体工业中重要的一个
分支。imu数据主要包含了：航向角、俯仰角及翻滚角三个数据。mems陀螺仪数据一般用x、y、z表示，代表了曝光点时刻的地理位置。
[0053]
将陀螺仪固定于传感器形心处，负责定位传感器转动角度，当土压力传感器埋设发生偏移时，陀螺仪可测得x轴、y轴、z轴的转动角度，结合传感器压力读数可推出土体中土压力分量。
[0054]
当土压力传感器埋设发生偏移时，传感面的法线与x轴、y轴、z轴角度不变，根据余弦值可求出土压力的分量，由于陀螺仪可测出x轴、y轴、z轴角度偏移值(假设为x'轴y'轴z'轴)，将土压力分量进行修正，再通过法线与x轴、y轴、z轴固有的余弦值进行合并，则得到修正后的土压力。
[0055]
[p
ix p
iy p
iz
]
t
＝[k]pi(i为传感面1，2，3，4，5)
[0056]
p
′
ij
＝p
ij
·
cos《jj
′
》(j为x轴、y轴、z轴)
[0057]
p
′i＝[k]-1
[p
′
ix p
′
iy p
′
iz
]
t
[0058]
式中：p
ix p
iy p
iz
为待测土压力分量；pi为各个传感面的法向土压力大小；[k]为传感面法向与坐标系x轴、y轴、z轴的方向余弦组成的矩阵。
[0059]
实施例2
[0060]
本实施例提供一种实施例1的土压力传感器的埋设与回收方法，包括以下步骤：
[0061]
参考图2的“向下埋设”，首先根据埋设方案确定土压力传感器的埋设地点，在断面位置两侧插入钢钎，记录土压力传感器与钢钎相对位置便于后期回收；清除锐利及较大石块，避免损害传感器，清理完毕后将套筒与柱形安装部紧密连接(此时柱形安装部固定在各活动卡扣之间)以将柱形传感器密封在内，利用钻孔机钻掘竖直钻孔，将土压力传感器埋入指定位置，之后拔出套筒用膨润土进行回填至钻孔标高，对传感器组件的埋设深度进行记录。
[0062]
参考图2的“向上回收”，回收土压力传感器时首先利用钻孔机在埋设地点进行钻孔，至埋设深度时利用孔内定位杆定位到柱形安装部(传感器)，将套筒与柱形安装部相连(至柱形安装部位于活动卡扣的上方)，拔出套筒即可实现传感器组件的回收。
[0063]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种土压力传感器，其特征在于：包括传感器组件和套筒；所述传感器组件包括柱形安装部，所述柱形安装部上设有光纤光栅传感器，柱形安装部的上底面设有定位杆、下底面设有钻头，柱形安装部内部设有陀螺仪；所述套筒与柱形安装部拆卸式连接，且套筒内设有用于固定柱形安装部的固定件，所述定位杆、柱形安装部以及套筒同轴布置。2.根据权利要求1所述的土压力传感器，其特征在于：所述固定件包括沿套筒内壁周向等距间隔布置的各活动卡扣，所述活动卡扣包括第一连接片、第二连接片和第三连接片；所述第一连接片的布置方向与套筒径向一致，且第一连接片的首端固定在套筒内壁、尾端与第二连接片的首端固定连接，所述第二连接片的布置方向与套筒轴向一致，且第二连接片的尾端与第三连接片的首端固定连接，所述第三连接片倾斜布置、且第三连接片的尾端与第一连接片的首端位于套筒的同一条素线上；各活动卡扣的第二连接片围成用于固定柱形安装部的空间筒形结构。3.根据权利要求1所述的土压力传感器，其特征在于：所述光纤光栅传感器包括应变光栅和温补光栅，所述应变光栅和温补光栅均是通过光纤光栅胶粘剂固定在柱形安装部的上底面和侧壁。4.根据权利要求3所述的土压力传感器，其特征在于：所述光纤光栅胶粘剂是将环氧树脂与脂肪胺溶液按照1:8～12的比例进行混合并不断搅拌至乳黄色或白色制成的。5.根据权利要求3所述的土压力传感器，其特征在于：所述应变光栅和温补光栅粘贴至柱形安装部之前先打磨光栅粘贴位置，打磨完毕后用酒精清洁，之后在光栅粘贴位置的两端涂抹硅橡胶，将胶粘剂涂覆在应变光栅和温补光栅上，涂胶完成后对胶粘剂进行热固化处理。6.一种如权利要求1-5任一项所述的土压力传感器的埋设与回收方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，根据埋设方案确定土压力传感器的埋设地点，在断面位置两侧插入钢钎，记录土压力传感器与钢钎相对位置；将套筒与柱形安装部连接，以将柱形安装部密封在内，之后将土压力传感器埋入指定位置，拔出套筒回填至钻孔标高，对传感器组件的埋设深度进行记录；回收时，先在埋设地点进行钻孔，至埋设深度时利用孔内定位杆定位到柱形安装部，再将套筒与柱形安装部相连，拔出套筒即实现传感器组件的回收。

技术总结
本发明涉及一种土压力传感器，包括传感器组件和套筒；所述传感器组件包括柱形安装部，所述柱形安装部上设有光纤光栅传感器，柱形安装部的上底面设有定位杆、下底面设有钻头，柱形安装部内部设有陀螺仪；所述套筒与柱形安装部拆卸式连接，且套筒内设有用于固定柱形安装部的固定件，所述定位杆、柱形安装部以及套筒同轴布置。同时还涉及上述土压力传感器的埋设与回收方法。本发明的土压力传感器，设置光纤光栅并经过温度修正，测量精度较高；将传感器与钻头、套筒相连，便于传感器的埋设与回收，同时实现了传感器的重复利用，降低了监测成本；能有效解决现有钻孔法无法实现传感器回收以及无法确定测得数据是否为实际方向的问题。及无法确定测得数据是否为实际方向的问题。及无法确定测得数据是否为实际方向的问题。


技术研发人员：李秉宜 钱彬 杨宇浩 李铭谦
受保护的技术使用者：苏州智云程科技有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/6