基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，可有效解决地应力测量精确问题，采用温度传感器作温度补偿，可以弥补由温度变化引起的测量误差，其结构是，外壳是玻璃钢材料，包括壳体和栓塞两部分，壳体内表面套有内层PVC塑料管，内层PVC管外表面粘贴有电阻应变片，电阻应变片的外面被环氧树脂包围，采用外层表面由4个小圆孔的PVC管浇注；壳体的凹槽处有温度传感器DS18B20，外部连接有单片机控制的外围电路显示模块，本实用新型装置结构新颖、成本较低，可以在矿山施工现场对地应力进行准确测量，防止工程施工中由于原岩应力而引起的安全事故，对矿山支护设计也能提供可靠帮助。
【专利说明】基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种地应力测试装置，特别是一种基于温度传感器空心包体应力计的试验装置。
【背景技术】
[0002]地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，它能引起采矿工程中围岩和支护的变形与破坏、产生矿井动力现象，不考虑地应力的影响进行施工，则矿井生产不能正常进行，并经常引起严重事故。因此，准确的地应力测量是安全生产所不可缺少的。目前地应力测量最广泛的还是应用基于套孔应力解除法的空心包体应力计，它是70年代中期由澳大利亚学者沃罗特尼基(G.Worotnicki)和沃尔顿(R.Wlton)实用新型的，我国现在应用较广泛的KX-81型空心包体应变计是在其基础上研制出来的，其主体为用环氧树脂制成的空心圆筒,外径为36mm,内径为30mm,在其中间层直径32mm处,沿同一圆周等距离嵌埋着3组电阻应变花，每组应变花由4支应变片组成，互相间隔45度。它的外壳是由铝合金制成的，由于铝合金在生产铸造过程中容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等问题，价格相对也昂贵，又由于材料本身硬度超强，空心包体应力计的外壳结构又比较复杂，在kaiyun官方网站车床上加工不易，因此对加工工艺要求比较高。它是使用电阻应变片作为传感元件，因此它会因温度变化而引起测量误差，致使仪器测量精度低。此外，由于空心包体应力计本身构造复杂和电阻应变片比较小、引线易折断等特点，这就决定了其制造过程中应变片粘贴、环氧树脂的浇注等加工工艺的复杂性。因此，应用机械制造、电路理论等学科的相关知识，开发出一种外壳材料价格便宜、加工容易，温度补偿效果好、测量精度高的地应力测试系统，找到一种制造工艺简单可行的制造方法势在必行。

【发明内容】

[0003]针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，可有效解决温度变化引起的误差，外壳结构加工不易，制作工艺复杂的问题，提高测量的精度。
[0004]本实用新型解决的技术方案是，包括外壳结构、电阻应变片、温度传感器、PVC塑料管、环氧树脂。所述的外壳结构是有玻璃钢材料在kaiyun官方网站车床上加工而成的，外壳结构包括壳体(如图2所示)和栓塞(如图3所示)两部分，其中壳体尾部有导线电缆出口 10和螺栓销钉1、密封圈9，前端有外套圆环13，壳体表面3套有内层PVC塑料管6，内层PVC管子外表面贴有电阻应变片4，电阻应变片4的外面被环氧树脂7包围着，电阻应变片4的引线通过电缆线出口 2引出来，壳体的凹槽处有温度传感器11，栓塞前端有密封圈9，内腔尾部有定位孔12、前端有胶结剂流出孔8。此外，还有浇注环氧树脂用的外层PVC塑料管(如图6所示)，其表面有4个小圆孔。
[0005]本实用新型测量精度高、效果好，能为矿山、铁道、水利水电、土木建筑及其他大型地下或露天工程的设计和施工提供比较准确可靠的地应力资料，在经济和有效的前提下，对于推动工程施工中的安全生产具有重大作用。
【专利附图】

【附图说明】
[0006]图1为本实用新型的结构图。
[0007]图2为本实用新型的壳体图。
[0008]图3为本实用新型的栓塞图。
[0009]图4为本实用新型的温度传感器连接示意图。
[0010]图5为本实用新型的内层PVC塑料管。
[0011]图6为本实用新型的外层PVC塑料管。
[0012]图7为本实用新型的外套圆环。
[0013]图8为本实用新型的内腔横截面。
[0014]图9为本实用新型的电阻应变片连接不意图。
[0015]以下结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作以详细描述。
[0016]如图1所示，本实用新型包括外壳结构、电阻应变片、温度传感器、PVC塑料管、环氧树脂。
[0017]所述的外壳结构是有玻璃钢材料在kaiyun官方网站车床上加工而成的，外壳结构包括壳体和栓塞两部分，其中壳体尾部有导线电缆出口 10和螺栓销钉1、密封圈9，前端有外套圆环13，壳体内表面3套有内层PVC塑料管6，内层PVC管子外表面贴有电阻应变片4，电阻应变片4的外面被环氧树脂7包围着，电阻应变片4的引线通过电缆线出口 2引出来，壳体的凹槽处有温度传感器11，栓塞前端有密封圈9，内腔尾部有定位孔12、前端有胶结剂流出孔8 ;此外还有浇注环氧树脂用的外层PVC塑料管，其表面有4个小圆孔。
[0018]所说的温度传感器11，所用的是温度传感器DS18B20，它有3个管脚，分别为接地端GND、数字信号输入端DQ、供电电源输入端VCC，三根电缆引线分别接三个管脚，引出端分别接5v电源、接地、接数字信号输入口，它由单片机控制的外围电路显示模块。
[0019]所述的外壳结构是由玻璃钢材料在kaiyun官方网站车床上加工而成的，壳体尾部有导线电缆出口 10和螺栓销钉1、密封圈9，内层PVC管子外表面贴有电阻应变片4，电阻应变片4的外面被环氧树脂7包围着，电阻应变片4的引线通过电缆线出口 2引出来，栓塞前端有密封圈9，内腔尾部有定位孔12、前端有胶结剂流出孔8。
[0020]所述的内层PVC塑料管6，它是由聚氯乙烯树脂制成的管子，内径为29mm，外径为32mm,长度为 94mm。
[0021]所述的外套圆环13，它亦是由聚氯乙烯树脂制成的圆环，内径为32mm，外径为36mm,长度为2mm。
[0022]所说的外层PVC塑料管，它也是有聚氯乙烯树脂制成的圆环，内径为36mm，外径为40mm,长度为94mm,外表面有4个直径3mm的小圆孔。
[0023]由上述可以看出，本实用新型的外壳结构是由玻璃钢材料在kaiyun官方网站车床上按照一定的结构形状和尺寸加工而成的，包括壳体和栓塞两部分。外壳结构加工好以后，壳体的外表面上套有内层PVC塑料管6，它是由聚氯乙烯树脂制成的管子，它的尺寸是内径为29mm，外径为32mm，长度为94mm，内层PVC塑料管6表面贴有3组应变花，电阻应变片的连线结构如图5所示，电阻应变片的外面被厚约2mm的环氧树脂环绕着，壳体前部有外套圆环13挡着，防止环氧树脂胶流出，它亦是由聚氯乙烯树脂制成的圆环，它的尺寸是内径为32mm，夕卜径为36mm，长度为2mm，在壳体的凹槽内安置有11温度传感器DS18B20，它的3个管脚分别接5v电源，接地，接数字信号输入口，外部连接有单片机控制的显示装置，它的连线示意如图4所示，壳体凹槽内有16个直径1_的小孔2，电阻应变片的13根引线和温度传感器的3根引线可通过小孔2引出，栓塞前端和壳体尾部安有密封圈9，可以防止使用过程中胶结剂的流出和水分进入仪器内，栓塞尾部和壳体前端有直径2_小孔8，可以准确定位壳体和栓塞的位置关系。所用的外层PVC塑料管，它也是有聚氯乙烯树脂制成的空心圆环，内径为36mm,外径为40mm,长度为94mm,外表面有4个直径3mm的小圆孔，如图6所不，是为了快速、精确地向腔体内注入环氧树脂，提高了加工的加工工艺。
[0024]本实用新型装置结构新颖、外观独特，是在传统空心包体应力计的基础上，进一步发展而来的基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，它的温度补偿效果好、精度高，同时它的外壳材料玻璃钢价格便宜、加工容易，粘贴电阻应变片、浇注环氧树脂的加工工艺比较简单、方便，可以比较精确的测量地应力，防止工程施工中由于原岩应力而引起的安全事故。
[0025]本实用新型为了达到使用效果，在制作时，外壳材料要用玻璃钢材料在kaiyun官方网站车床上加工而成，原因是铝合金材料本身硬度超强，又外壳结构比较复杂，在kaiyun官方网站车床上加工工序比较复杂，而且铝合金材料在生产铸造过程中容易出现缩孔、沙眼、气孔和夹渣等缺陷，加上铝合金材料本身比较昂贵，而玻璃钢材料属于有机物质，硬度比较强、可以承受岩石受压，在kaiyun官方网站车床上加工方便、对刀具要求不高，价格相对铝合金要便宜，所以外壳材料采用玻璃钢是更加合理的。电阻应变片应贴在内层PVC塑料管子6的外表面，是因为PVC材料它是由聚氯乙烯树脂合成的，它的弹塑性比较好，适合电阻应变片的工作环境，使得灵敏度比较好，再粘贴之前一定要用酒精清洗内层PVC塑料管的外表面，使其清洁、干净，贴好应变片后，为了防止其被氧化，也应该在其外表面涂上一层石蜡。使用外层PVC塑料管子，其套在内层PVC塑料管子6的外面，它的外表面上有四个小孔，通过小孔可以用针管简单、方便、快速地向其腔体内部浇注环氧树脂，为了浇注均匀，应适当的转动管子，同时内层PVC塑料管子6的前端套有一个圆环，可以防止环氧树脂的流出。为了防止使用过程中胶结剂的流出和水分进入到内部，在栓塞前部和壳体尾部必须装上密封圈。为了固定电缆引线，壳体尾部必须拧上螺栓销钉。
[0026]本实用新型型的制作步骤是:(I)在kaiyun官方网站车床上，用玻璃钢棒材料加工成外壳(2)在壳体的外表面套上内层PVC塑料管子6，用酒精清洗后贴上电阻应变片，在应变片外表面涂上一层石蜡(3)在壳体的凹槽内装上温度传感器DS18B20，将引线引出，引线连接有单片机控制的显示装置(4)将温度传感器的引线按照图2连接起来，将电阻应变片的引线，按照图7连接起来(5 )在内层PVC塑料管6的外表面套上外层PVC塑料管，并在前端套上外套圆环13 (6)用针管通过外层PVC塑料管的小孔向内腔中注入环氧树脂，并不停地转动管子，待到环氧树脂固化后，取出外层PVC塑料管即可(7)在壳体尾部装上螺栓销钉，在壳体尾部和栓塞前端凹槽内装上密封圈。
[0027]本实用新型型的工作原理是:本实用新型型的目的是基于应力解除方法来测量原岩应力，指导工程中安全生产。本实用新型利用电阻应变片作为敏感元件，通过把感受到的力转换为电阻的变化显示出来，包括3组电阻应变花，每组应变花有四支应变片组成，相互间隔45度排列，连接线路如图9所示。它使用的是惠斯通电桥的原理，电阻应变片作为四分之一桥臂，每次只有一个电阻应变片作为工作片，电桥的另外四分之三桥臂的电阻均采用超低温度系数的电阻，它们随温度的改变电阻的变化非常小，对测量结果几乎没有影响。这样原岩应力的量值可以通过电阻应变片反映出来，但与此同时，由温度的变化也会引起电阻应变片阻值的变化。因此，本实用新型在壳体的凹槽内安装有温度传感器DS18B20，它是一种数字式的温度传感器，能实时监测周围环境温度的变化，可以直接读取温度示数。温度传感器DS18B20有3个管脚，接地端GND、接电源VCC、数字信号输入端DQ，这3个管脚分别有电缆线引出，外部连接有自行开发设计的单片机控制的显示部分，电路图接法如图4所示。这样每记录一个电阻应变片的应变值，同时也记录下温度传感器DS18B20的读数。待到结果记录完以后，取出岩芯，把岩芯放入变温箱中，调节变温箱的温度值，岩芯周围的温度会发生变化，同时电阻应变片会因为温度的变化，应变值也相应的变化，这样由温度的变化引起的应变值的变化便可求出，最终通过标定可以得到准确的电阻应变片的应变值。
[0028]本实用新型的工作过程是:按照正确的制作步骤完成本实用新型型以后，就要按照正确的方法来使用本实用新型型测量地应力，方法如下。
[0029](I)按照选取地应力测试点的要求选好测试点以后，使用配有钻杆的地质钻机和特制的取心套筒及钻头，在所测巷道壁上打直径为130_的水平钻孔，至巷道跨度的3 - 5倍深处，以保证应变计安装位置位于原岩应力区。钻孔上倾3度到5度，以便冷水流出并易于清洗钻孔。
[0030](2)用平钻头将孔底磨平，并用锥形钻头打出喇叭口，然后从孔底打直径为36mm的同心小孔，小孔深35 - 40cm，小孔打好后，用水冲洗干净，再用酒精擦洗。
[0031](3)然后开始安装本实用新型型。用粘结剂注入本实用新型型的内腔内，固定好栓塞塞，用带有定向器的安装杆将本实用新型型送入小孔中预定位置，推断固定销，将粘结剂从应力计内腔挤出进入应力计与小孔之间的间隔中，等到粘结剂固化后，记下应力计的偏角以及钻孔的方位和倾角。
[0032](4)待到胶结剂固化以后，开始进行应力解除试验。用钻机开始进行套心，每进尺3cm记录一下仪器的读数，同时记录下温度传感器DS18B20的温度值，等到进尺之后仪器读数不再变化时，停止进尺，取出岩芯。
[0033](5)将取出的岩芯放进变温箱中，调节变温箱的温度值，记录电阻应变片由温度变化引起的应变值的变化，这样通过标定就可得到由温度引起的应变值的改变量，将此改变量和先前应力解除时记录的应变值作对比，即可得到准确的应变值。将应变值带入数据计算软件进行计算，就可得到准确的地应力。
【权利要求】
1.一种基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，包括外壳结构、电阻应变片、温度传感器、PVC塑料管、环氧树脂；所述的外壳结构是有玻璃钢材料在kaiyun官方网站车床上加工而成的，外壳结构包括壳体和栓塞两部分，其中壳体尾部有导线电缆出口( 10 )和螺栓销钉(I)、密封圈(9 )，前端有外套圆环(13 )，壳体内表面3套有内层PVC塑料管(6 )，内层PVC管子外表面贴有电阻应变片(4)，电阻应变片(4)的外面被环氧树脂(7)包围着，电阻应变片(4)的引线通过电缆线出口(2)引出来，壳体的凹槽处有温度传感器(11)，栓塞前端有密封圈(9)，内腔尾部有定位孔(12)、前端有胶结剂流出孔(8);此外还有浇注环氧树脂用的外层PVC塑料管，其表面有4个小圆孔。
2.根据权利要求1所述的基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，其特征在于，所说的温度传感器(11 )，所用的是温度传感器DS18B20，它有3个管脚，分别为接地端GND、数字信号输入端DQ、供电电源输入端VCC，三根电缆引线分别接三个管脚，引出端分别接5v电源、接地、接数字信号输入口，它由单片机控制的外围电路显示模块。
3.根据权利要求1所述的基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，其特征在于，所述的外壳结构是由玻璃钢材料在kaiyun官方网站车床上加工而成的，壳体尾部有导线电缆出口(10)和螺栓销钉(I)、密封圈(9)，内层PVC管子外表面贴有电阻应变片(4)，电阻应变片4的外面被环氧树脂7包围着，电阻应变片(4)的引线通过电缆线出口(2)引出来，栓塞前端有密封圈(9 )，内腔尾部有定位孔(12 )、前端有胶结剂流出孔(8 )。
4.根据权利要求3所述的基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，其特征在于，所述的内层PVC塑料管(6)，它是由聚氯乙烯树脂制成的管子，内径为29mm，外径为32mm,长度为 94mm。
5.根据权利要求3所述的基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，其特征在于，所述的外套圆环13，它亦是由聚氯乙烯树脂制成的圆环，内径为32mm，外径为36mm，长度为2mm。
6.根据权利要求3所述的基于温度传感器的空心包体应力计的试验装置，其特征在于，所说的外层PVC塑料管，它也是有聚氯乙烯树脂制成的圆环，内径为36mm，外径为40mm，长度为94mm,外表面有4个直径3mm的小圆孔。
【文档编号】G01L1/22GK203534737SQ201320397151
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年7月5日 优先权日:2013年7月5日
【发明者】刘少伟, 樊克松, 张荣花 申请人:河南理工大学