[发明专利]一种新型三维应力测量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器及检测技术，尤其涉及在道路工程上进行路面内部应力检测的传感器。

背景技术

过去对于沥青路面的研究大多停留在材料试验的层面，而对其结构性能的研究，特别是对于沥青混凝土路面结构内部的力学理论研究不多，现有的研究也只停留在理论分析层面上，对依靠传感器的路面结构试验研究少之又少，现有研究的压力传感器大多数是实现单维传感功能，但是要想准确分析沥青路面内部的应力，必须使传感器具有多维传感能力，至少是精确测量x、y、z三个方向的应力。

现有道路行业沥青路面内部应力检测的设备有光纤光栅应力传感器、超声波传感器、水泥基压电传感器和电阻应变计式传感器，但是国内外将光纤光栅应力传感器和超声波传感器应用于实际土木工程结构检测的研究才刚刚起步，在许多方面都还存在着一些需要解决的问题，例如成本高，相容性差，易受外界环境干扰等，而且检测设备一次性投入比较大，大大制约了它的推广速度。水泥基压电传感器只能测量动态的应力，而且许多因素对水泥基复合材料的性能影响规律及机理还不是特别清楚，还有待于深入研究。现有的电阻应变计式传感器，如‘工’字型的沥青混凝土应变传感器结构尺寸过大，用于测量体积较大的实际道路可以较好的实现其测量功能，而且该传感器只能测量沥青混凝土内部水平方向上的应力。

发明内容

本发明是研究并设计一种道路工程用的三维压力传感器，要能够测量沥青混凝土路在荷载作用下x、y、z三个方向的应力响应。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种新型三维应力测量传感器，包括机械本体和硬件电路；所述的机械本体由金属空心弹性体和电阻应变片组成，机械本体埋于沥青混凝土中，电阻应变片有三组，每组包括4个电阻应变片，两个电阻应变片为一对，分别贴于金属空心弹性体一个面的内外两侧，两对电阻应变片分别贴于金属空心弹性体相对的两个面上，第一组电阻应变片用于测量所受应力在X方向上的分量，第二组电阻应变片用于测量所受应力在Y方向上的分量，第三组电阻应变片用于测量所受应力在Z方向上的分量；当有应力作用在金属空心弹性体上时，其上面粘贴的电阻应变片会发生拉伸或收缩，其电阻值发生相应的变化，两个受拉应变，两个受压应变，应变符号相反；硬件电路包括差动式惠斯登全桥电路、调零电路、放大电路、采集模块、数字滤波模块、通信模块以及电源电路；三组应变片分别组成三路差动式惠斯登全桥电路，每路差动式惠斯登全桥电路中的四个桥臂上分别接对应电阻应变片组中的四个应变片，两个应变符号相同的接入相对桥臂上，将所受应力转换为电量输出；调零电路由电位器R₅和电阻R₆构成，电位器R₅的电阻体跨接在差动式惠斯登全桥电路输入电源之间，电阻R₆一端与电位器R₅的移动端相连，另一端与差动式惠斯登全桥电路的一个输出端相连，通过调节电位器R₅使电桥达到平衡；每一路差动式惠斯登全桥电路都外接一个调零电路；三路差动式惠斯登全桥电路的输出经放大电路放大；放大后的三路信号输入采集模块实现模数转换，然后经过数字滤波模块滤除脉冲干扰信号，接下来通过通讯模块与PC机通讯，并在PC机上进行实时动态显示；PC机控制采集模块进行AD转化和数据处理，电源电路为硬件电路中的各组成部分提供电源。

每组应变片分别组成差动式惠斯登全桥电路，电桥中的四个桥臂上全部接工作应变片，采用这种组桥方式不仅可以提高电桥的灵敏度，而且由于各臂的参数一致，各种干扰的影响可以相互抵消。

测量前，必须先使电桥处于平衡状态，即电桥输出为零。但由于应变片电阻值总有偏差，接触电阻，导线电阻等存在，往往电桥不能达到平衡，因此需设置预调平衡电路。常见的调零方法有并联电阻法和串联电阻等方法，其原理都是使电桥中的四个桥臂电阻满足R₁R₃=R₂R₄关系。但并联法和串联法需要测量应变电桥中四个应变片的电阻值，然后将电阻并联到其中最大的电阻上或将电阻串联到最小的电阻上，方法比较复杂。本发明设计的调零电路采用图3所示的星形法，简单方便，只要调节电位器R₅，就可以使电桥达到平衡，不存在上述的问题。