專利名稱:土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量裝置,特別涉及一種土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置。
背景技術(shù):
目前有一種TC-4型鉆孔式土層應(yīng)力儀,以一個(gè)長(zhǎng)的不銹鋼圓筒作為彈性元件,俗稱為 探頭,埋設(shè)于數(shù)米或數(shù)十米深的土層內(nèi),土層的應(yīng)變或應(yīng)力狀態(tài)的變化,會(huì)使彈性筒的面 積或形狀發(fā)生變化,內(nèi)壁的應(yīng)變狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)變化。針對(duì)TC-4型鉆孔式四分量土層應(yīng)力儀 所采用的電阻電橋方式,如果傳感器達(dá)到應(yīng)力靈敏度lhPa(O.l毫巴),那么在電橋輸出的 放大倍數(shù)必須達(dá)到20倍,同時(shí)傳感器的量程也就減少20倍。如果傳感器的工作點(diǎn)出了量 程,需要重新安裝,或采用降低儀器靈敏度獲得大的量程方式?,F(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種既 能實(shí)現(xiàn)大量程,又具有高分辨率的土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,提供了一種具有大量程和高分辨率的土 層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置,包括 安裝在不銹鋼圓筒內(nèi)的4組應(yīng)變片,還包括與每組應(yīng)變片相連的電路板,所述的電路板上 設(shè)有信號(hào)變換電路,并采用低功耗單片機(jī)作為控制器用來控制整體系統(tǒng),所述的信號(hào)變換 電路采用應(yīng)變片作為電橋的兩個(gè)橋臂,數(shù)字電位器作為電橋的另外兩個(gè)橋臂,所述的應(yīng)變 片與數(shù)字電位器組成一個(gè)完整的雙臂電橋,所述的電橋輸出端與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片輸入端相連, 所述的低功耗單片機(jī)控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的中間抽頭的位置使電橋的輸出控制在一定范圍
之內(nèi),所述的低功耗單片機(jī)的TX, RX信號(hào)通過芯片MAX3221進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換變?yōu)镽S-232 信號(hào),與上位機(jī)通信。
所述的低功耗單片機(jī)為MSP430F2274單片機(jī)。
所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片為ADS1243芯片。所述的數(shù)字電位器為MAX5481數(shù)字電位器。 所述的數(shù)字電位器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片采用SPI接口進(jìn)行通信。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型采用數(shù)字電位器作為電橋的兩個(gè)橋臂,和應(yīng)變片電阻的 兩個(gè)橋臂組成一個(gè)雙臂電橋,將電橋的輸出作為放大器的輸入的信號(hào)進(jìn)行放大,通過調(diào)整
數(shù)字電位器中間抽頭的位置而使電橋輸出信號(hào)放大128倍而不失真,達(dá)到既能保證土層應(yīng) 變傳感器的靈敏度,又具有大的量程,并且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié),具有高精度,低功耗,數(shù)字輸 出,采樣率高的優(yōu)點(diǎn),效果對(duì)于地震前兆觀測(cè)中要求的長(zhǎng)期連續(xù)的信號(hào)非常有益??蓱?yīng)用 于地震前兆觀測(cè)中的土層、鉆孔應(yīng)變-應(yīng)力等觀測(cè)中。
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為圖1的A-A剖視圖3為本實(shí)用新型的一部分電路原理圖4為本實(shí)用新型的另一部分電路原理圖。
圖中1.皮青銅片,2.峰變片,3.電路板,4.不銹鋼圓筒。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
參見圖1和圖2,分別粘貼有應(yīng)變片2的四個(gè)皮青銅片1安裝在不銹鋼圓筒4的內(nèi)部, 相互成45度角,測(cè)量4個(gè)直徑方向的變化。每個(gè)應(yīng)變片2通過3條線與電路板3連接,其 中兩條為電源線, 一條為信號(hào)線。
參見圖3,插頭Jl-J4接插件的2腳接應(yīng)變片電阻的輸出;MAX5481為數(shù)字電位器 (U1-U4),用了4個(gè),電位器的兩端接電源和地,中間抽頭的信號(hào)通過濾波后接ADS1243(U5: 的放大器輸入端;ADS1243為模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,該芯片有8路輸入信號(hào),兩個(gè)一組組 成差分信號(hào)進(jìn)行放大,放大倍數(shù)1-128倍;其中4個(gè)接Jl-J4的2腳;其他4個(gè)接MAX5481 數(shù)字電位器輸出信號(hào);Din和SCLK為SPI總線,RC—Sl, RC—S2, RC_S3, RC—S4, CS—AD 為片選信號(hào),均由MSP430F2274(U6)產(chǎn)生,控制。
參見圖4, U6為MSP430F2274單片機(jī),系統(tǒng)均由它控制;U8為MAX3221芯片,主 要是電平轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生RS-232C信號(hào);J6,J7為接插件,做程序編程用。
本實(shí)用新型的工作原理4個(gè)應(yīng)變片能夠分別感受彈性筒內(nèi)部不同方向的應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)土層的內(nèi)的應(yīng)變狀態(tài)或應(yīng) 力狀態(tài)隨時(shí)間而變化時(shí),4組應(yīng)變片的電阻值也隨之變化。由此可以通過彈性力學(xué)的有關(guān)公 式,由4個(gè)元件的測(cè)值變化,通過聯(lián)立方程式計(jì)算出土層內(nèi)的應(yīng)變狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)的相對(duì) 變化(最大主應(yīng)力,最小主應(yīng)力,最大主應(yīng)力的方位角,三個(gè)未知數(shù))。
四個(gè)應(yīng)變片電阻數(shù)值約為1000歐姆,有兩個(gè)片子沿著彈性筒的圓周方向,作為"工作 片",它的電阻數(shù)值是隨著外界壓力的變化而變化的;另外的兩個(gè)片子則是沿著直徑的方向 粘貼,它與外界壓力基本無關(guān);它的電阻數(shù)值是基本不變的,只是對(duì)于溫度敏感,以抵消 工作片的溫度效應(yīng),稱其為"補(bǔ)償片"。電路板上設(shè)有信號(hào)變換電路,信號(hào)變換電路采用數(shù) 字電位器MAX5481作為電橋的兩個(gè)橋臂,MAX5481加有3.3伏電壓,電橋輸出作為AD 轉(zhuǎn)換器(ADS1243)輸入,利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1243的內(nèi)部差動(dòng)放大電路(放大倍數(shù)1-128 倍)對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行放大,信號(hào)放大后進(jìn)行摸數(shù)轉(zhuǎn)換,電路中采用了低功耗單片機(jī) MSP430F2274作為控制器,采用SPI接口與數(shù)字電位器MAX5481及ADS1243進(jìn)行通信, MSP430F2274輸出通過MAX3221進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換變?yōu)镽S-232信號(hào)輸出,與上位機(jī)通信,整 個(gè)電路為3.3伏供電。如果應(yīng)變信號(hào)變化量大,MSP430F2274通過SPI 口調(diào)整數(shù)字電位器 的中間抽頭來調(diào)整電位器的輸出,使應(yīng)變信號(hào)在放大器的工作范圍之內(nèi)。該裝置一方面可 以保持大的工作范圍(量程不李);另一方面可以保證高的放大倍數(shù)而信號(hào)不限幅,保證了 應(yīng)變信號(hào)測(cè)量的分辨率。傳感器的測(cè)量最后由RS-232C傳輸?shù)缴衔粰C(jī)存儲(chǔ),和上位機(jī)實(shí)現(xiàn) 對(duì)傳感器的通信。
以上所述的實(shí)施例,只是本實(shí)用新型較優(yōu)選的具體實(shí)施方式
的一種,本領(lǐng)域的技術(shù)人 員在本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置,包括安裝在不銹鋼圓筒內(nèi)的4組應(yīng)變片,其特征在于,還包括與每組應(yīng)變片相連的電路板,所述的電路板上設(shè)有信號(hào)變換電路,并采用低功耗單片機(jī)作為控制器用來控制整體系統(tǒng),所述的信號(hào)變換電路采用應(yīng)變片作為電橋的兩個(gè)橋臂,數(shù)字電位器作為電橋的另外兩個(gè)橋臂,所述的應(yīng)變片與數(shù)字電位器組成一個(gè)完整的雙臂電橋,所述的電橋兩個(gè)輸出端與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片輸入端相連,所述的低功耗單片機(jī)控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的中間抽頭的位置使電橋的輸出控制在一定范圍之內(nèi),所述的低功耗單片機(jī)的TX,RX信號(hào)通過芯片MAX3221進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換變?yōu)镽S-232信號(hào),與上位機(jī)通信。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置,其特征在于,所述的低功耗單片 機(jī)為MSP430F2274單片機(jī)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置,其特征在于,所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯 片為ADS1243芯片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置,其特征在于,所述的數(shù)字電位器 為MAX5481數(shù)字電位器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l至4任一項(xiàng)所述的土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置,其特征在于,所述的 數(shù)字電位器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片采用SPI接口進(jìn)行通信。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種土層應(yīng)力-應(yīng)變觀測(cè)裝置,包括用來測(cè)量四個(gè)方向的變化4組應(yīng)變片和電路板,電路板上設(shè)有信號(hào)變換電路,并采用低功耗單片機(jī)作為控制器用來控制整體系統(tǒng),信號(hào)變換電路采用應(yīng)變片作為電橋的兩個(gè)橋臂,數(shù)字電位器作為電橋的另外二個(gè)橋臂,應(yīng)變片與數(shù)字電位器組成一個(gè)雙臂電橋,電橋的兩個(gè)輸出端與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片輸入端相連,低功耗單片機(jī)控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的中間抽頭的位置使電橋的輸出控制在一定范圍之內(nèi),低功耗單片機(jī)的Rx,TX信號(hào)通過芯片MAX3221進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào),與上位機(jī)通信;本實(shí)用新型既具有大的量程又具有高的分辨率,而且低功耗,可應(yīng)用于地震前兆觀測(cè)中的土層、鉆孔應(yīng)變-應(yīng)力等觀測(cè)中。
文檔編號(hào)G01L1/20GK201327381SQ20082012477
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者李海亮 申請(qǐng)人:李海亮