高溫高寒lvdt測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于室內巖石測試領域，特別涉及高溫高寒LVDT測量裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002]高溫高寒災害成為地下隧道和邊坡工程的一種常見災害。隨著工程建設和人類固定的需要，大量深埋隧道將穿越地質構造復雜、新構造運動和地熱、低溫低壓環境活躍的區域。通常地殼中的溫度高達1000°C，而地球表面最寒冷地方的溫度低達_90°C。所以，深埋硬巖隧道將受到高溫的影響，高原邊坡和隧道進出口又受到高寒作用，這將導致測量儀器由于環境的影響存在誤差。如日本的安防公路隧道，最大埋深700m，地溫75°C;中國云南大理到瑞麗鐵路的高黎貢山隧道，最大主應力為15?28MPa，最高溫度高達50°C;中國青海的大坂山隧道海拔3490m，冬令期長達228d，極端最低氣溫為_34°C ;昆侖山隧道海拔4600m，最低氣溫為_36°C。另外，無論是室內試驗還是現場監測，儀器都將長期處于高溫高寒環境中，因此本專利更側重長期穩定條件下巖石位移測量的精確性。
[0003]目前在國內巖石力學室內試驗中，除電阻應變片外的軸向變形測試方法，基本未采用如線性可變差動變壓器(LVDT)測量等其他測試方法。而電阻應變片的測試方法極易受溫度變化影響，在高溫高寒環境中根本無法消除溫度的影響。美國材料與試驗協會在室內試驗標準方法中建議使用電阻應變計，或LVDT傳感器等位移測量裝置，規定了軸向變形測量傳感器的精度和采集儀的分辨率的要求，但未規定或或者建議如何消除軸向LVDT傳感器受環境影響帶來的誤差的方法。如果簡單采用LVDT傳感器在高溫高寒環境中測量巖石變形，則易造成較大誤差。而目前國內測試方法幾乎沒有涉及到測量儀器在高溫高寒環境中誤差分析及消除方法，如專利號201310172397.8公開的一種巖樣軸向變形測量方法，主要是消除系統變形和接觸面效應；專利號201420145413.4公開的LVDT式位移傳感器及汽車載重測量系統，僅僅是采用防塵罩來保證傳感器不受灰塵干擾。
【發明內容】
[0004]針對上述技術問題，本發明提供一種測試精度、結果可靠的在室內試驗測量巖石試樣的裝置和測量方法。
[0005]具體的技術方案為:
[0006]高溫高寒LVDT測量裝置，包括附加裝置和LVDT傳感器；
[0007]所述的附加裝置，包括彈簧、桿芯、活動底板、活動頂板、上半部空箱、下半部空箱。活動底板位于上半部空箱、下半部空箱之間，活動頂板在上半部空箱頂部；所述彈簧垂直安裝在上半部空箱內，彈簧上下端分別固定在活動頂板和活動底板上；所述桿芯垂直固定在下半部空箱內，桿芯上端固定在活動底板，下端連接在下半部空箱箱底固定裝置內，固定裝置有消除桿芯的位移空間；
[0008]所述的LVDT傳感器，包括外管、固定桿、感應芯、內管、測量頭；外管頂部有測量頭，測量頭上有隔溫罩；外管和內管之間填充有隔溫材料；內管底部固定在外管的底部，頂部固定有彈簧壓縮回彈裝置，內管的內壁上有感應線圈，感應線圈的中心有感應芯；感應芯通過彈簧壓縮回彈裝置與固定桿連接，固定桿安裝在外管內，固定桿另一端連接測量頭；感應線圈通過出線端蓋與外部設備連接；外管外壁有上部固定支架和下部固定支架；
[0009]所述的LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱內，測量頭和活動底板的下表面無壓力接觸。
[0010]高溫高寒LVDT測量裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0011](I)測量頭在彈簧的壓力和活動底板的帶動下移動，固定桿和感應芯同時沿軸線移動，從而改變感應線圈之間的互感量，感應芯的位移量就變成了感應線圈的實時差動電壓信號從出線端蓋中的線纜輸出；測量附加裝置的桿芯在室溫和特定溫度下壓縮位移ε1、ε 2，計算出此特定溫度導致的感應線圈誤差；
[0012](2)通過上部固定支架和下部固定支架將LVDT傳感器安裝在被測巖石試樣上，使巖石試樣處于同特定溫度環境中，測量巖樣的位移ε 3；
[0013](3)計算巖樣的絕對位移ε 4= ε 3+( ε r ε 2) 0
[0014]本發明提供的高溫高寒LVDT測量裝置及測量方法，在通用的室內試驗儀器上應用，包括MTS、三軸儀、流變儀等，測試誤差可以提升到I %之內，測試精度高，結果可靠，該方法具有可行性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明結構示意圖；
[0016]圖2為本發明LVDT傳感器結構示意圖；
[0017]圖3為本發明LVDT傳感器工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0018]結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0019]高溫高寒LVDT測量裝置，包括附加裝置和LVDT傳感器；
[0020]所述的附加裝置，包括彈簧1、桿芯2、活動底板3、活動頂板4、上半部空箱5、下半部空箱6。活動底板3位于上半部空箱5、下半部空箱6之間，活動頂板4在上半部空箱5頂部；所述彈簧I垂直安裝在上半部空箱5內，彈簧I上下端分別固定在活動頂板4和活動底板3上；所述桿芯2垂直固定在下半部空箱6內，桿芯2上端固定在活動底板3，下端連接在下半部空箱6箱底固定裝置內，固定裝置有消除桿芯2的位移空間；
[0021]所述的LVDT傳感器，包括外管7、固定桿8、感應芯9、內管10、測量頭13 ;外管7頂部有測量頭13，測量頭13上有隔溫罩14 ;外管7和內管10之間填充有隔溫材料18 ;內管10底部固定在外管7的底部，頂部固定有彈簧壓縮回彈裝置16，內管10的內壁上有感應線圈11，感應線圈11的中心有感應芯9 ;感應芯9通過彈簧壓縮回彈裝置16與固定桿8連接，固定桿8安裝在外管7內，固定桿8另一端連接測量頭13 ;感應線圈11通過出線端蓋12與外部設備連接；外管7外壁有上部固定支架15和下部固定支架17 ;
[0022]所述的LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱6內，測量頭13和活動底板3的下表面無壓力接觸。
[0023]高溫高寒LVDT測量裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0024](I)測量頭13在彈簧I的壓力和活動底板3的帶動下移動，固定桿8和感應芯9同時沿軸線移動，從而改變感應線圈11之間的互感量，感應芯9的位移量就變成了感應線圈11的實時差動電壓信號從出線端蓋12中的線纜輸出；測量附加裝置的桿芯2在室溫和特定溫度下壓縮位移h、ε2，計算出此特定溫度導致的感應線圈11誤差；
[0025](2)通過上部固定支架15和下部固定支架17將LVDT傳感器安裝在被測巖石試樣上，使巖石試樣處于同特定溫度環境中，測量巖樣的位移ε 3；
[0026](3)計算巖樣的絕對位移ε 4= ε 3+( ε r ε 2) 0
[0027]上部固定支架15和下部固定支架17之間的標距是可調的。
[0028]LVDT傳感器中的固定桿8和感應芯9為鐵鎳合金，熱膨脹系數極低，能在很寬的溫度范圍內保持固定長度，所以假定感應芯不受溫度的影響；由于LVDT本身的電磁場特性，如兩個次級線圈的電氣參數會受到溫度變化的影響；另外，在實際測試過程中，LVDT所感受到的高溫高寒條件，對LVDT內置線圈也會產生激勵作用，給系統產生一個附加的輸出。根據LVDT的實際工作情況，可以分析出LVDT的主要誤差源為高溫高寒條件下LVDT內置線圈的參數變化，進而導致LVDT線圈特性的變化。該測量方法上旨在消除溫度作用在線圈上產生的誤差，進而得到巖石試樣的絕對位移值。
【主權項】
1.高溫高寒LVDT測量裝置，其特征在于:包括附加裝置和LVDT傳感器； 所述的附加裝置，包括彈簧(I)、桿芯(2)、活動底板(3)、活動頂板(4)、上半部空箱(5)、下半部空箱(6);活動底板(3)位于上半部空箱(5)、下半部空箱(6)之間，活動頂板(4)在上半部空箱(5)頂部；所述彈簧(I)垂直安裝在上半部空箱(5)內，彈簧(I)上下端分別固定在活動頂板(4)和活動底板(3)上；所述桿芯(2)垂直固定在下半部空箱￠)內，桿芯(2)上端固定在活動底板(3)，下端連接在下半部空箱(6)箱底固定裝置內，固定裝置有消除桿芯(2)的位移空間； 所述的LVDT傳感器，包括外管(7)、固定桿(8)、感應芯(9)、內管(10)、測量頭(13);外管(7)頂部有測量頭(13)，測量頭(13)上有隔溫罩(14);外管(7)和內管(10)之間填充有隔溫材料(18);內管(10)底部固定在外管(7)的底部，頂部固定有彈簧壓縮回彈裝置(16)，內管(10)的內壁上有感應線圈(11)，感應線圈(11)的中心有感應芯(9);感應芯(9)通過彈簧壓縮回彈裝置(16)與固定桿(8)連接，固定桿(8)安裝在外管(7)內，固定桿(8)另一端連接測量頭(13);感應線圈(11)通過出線端蓋(12)與外部設備連接；外管(7)外壁有上部固定支架(15)和下部固定支架(17); 所述的LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱￠)內，測量頭(13)和活動底板(3)的下表面無壓力接觸。2.根據權利要求1所述的高溫高寒LVDT測量裝置的測量方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)測量頭(13)在彈簧(I)的壓力和活動底板(3)的帶動下移動，固定桿(8)和感應芯(9)同時沿軸線移動，從而改變感應線圈(11)之間的互感量，感應芯(9)的位移量就變成了感應線圈(11)的實時差動電壓信號從出線端蓋(12)中的線纜輸出；測量附加裝置的桿芯(2)在室溫和特定溫度下壓縮位移ει、ε2，計算出此特定溫度導致的感應線圈(11)誤差; (2)通過上部固定支架(15)和下部固定支架(17)將LVDT傳感器安裝在被測巖石試樣上，使巖石試樣處于同特定溫度環境中，測量巖樣的位移ε 3； (3)計算巖樣的絕對位移ε4= ε 3+ ( ε ε 2) 0
【專利摘要】本發明屬于室內巖石測試領域，特別涉及高溫高寒LVDT測量裝置及測量方法，包括附加裝置和LVDT傳感器；附加裝置的活動底板位于上半部空箱、下半部空箱之間，活動頂板在上半部空箱頂部；彈簧上下端分別固定在活動頂板和活動底板上；桿芯上端固定在活動底板，下端連接在下半部空箱箱底固定裝置內，固定裝置有消除桿芯的位移空間；LVDT傳感器垂直安裝在下半部空箱內，測量頭和活動底板的下表面無壓力接觸。先測量附加裝置的桿芯在室溫和特定溫度下壓縮位移ε1、ε2，計算出此特定溫度導致的感應線圈誤差；測量巖樣同特定溫度環境的位移ε3；計算巖樣的絕對位移ε4＝ε3+(ε1-ε2)。本該裝置在通用的室內試驗儀器上應用，測試誤差小，測試精度高，結果可靠。
【IPC分類】G01B7/02
【公開號】CN105222696
【申請號】CN201510698029
【發明人】陳國慶, 郭帆, 趙聰, 李天斌, 裴向軍
【申請人】成都理工大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月22日