CN116007801A - 一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法，土压传感器包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体。本发明中土压传感器与土体接触面采用软接触方式，通过正面开窗填入圆弧状柱体的传感器主壳体，土压传感器表面的软接触层受上层填筑土层影响变形挠曲形成与传感器主壳体齐平形状，使土压力作用于压阻式敏感元件；土压传感器的软接触层采用高弹性材料，高弹性材料的密度介于干砂与饱和砂之间，与铝合金材质和不锈钢材质相比，软接触层采用高弹性材料可有效减小土压传感器与土体介质之间的刚度匹配问题，从而提高土压传感器测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的准确性和可靠性。

Description

一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法

技术领域

本发明涉及土压传感器技术领域，更具体的说，涉及一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法。

背景技术

超重力离心模型试验是依托土工离心机高速旋转产生高离心力，补偿超重力离心模型中土层或岩土构筑物所受应力损失，达到与原型相近或相等的应力水平，当达到稳定高离心加速度条件(如50g～100g)时，通过施加压缩地震荷载(具有“高频10～300Hz”、“瞬时≤1s”、“强振动可达30g～60g”)，可较准确地呈现实际原型动力特性和失效机制，也是作为岩土工程领域一种重要的研究手段，在基础理论研究和工程应用研究中发挥了重要的作用。

但由于超重力离心模型尺寸较小(多为700(长)*300(宽)*400mm(高))，而微型土压传感器作为一种监测饱和/非饱和土体中土压力及侧向土压力的关键性量测传感器，与气压、水压等常规压力传感器测量介质(土体为非均匀和非弹性介质，气体、液体为均匀介质)存在较大差异，受嵌入效应、接触界面、尺寸效应、防水结构等方面等诸多因素影响，导致超重力离心试验中微型土压传感器测量的土压力数据准确性和可靠性存在较大误差(最高误差可达50％)。

发明内容

有鉴于此，本发明公开一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法，以提高土压传感器的测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的准确性和可靠性。

一种软接触式的土压传感器，包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体；

所述软接触层作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，用于安装在所述传感器主壳体的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至所述压阻式敏感元件；

所述压阻式敏感元件作为所述土压传感器的核心部分，用于将所述土压力物理变化转换为电压信号输出；

所述传感器主壳体具有内螺纹，用于通过所述内螺纹与所述螺纹保护壳匹配，以安装与保护所述压阻式敏感元件；还用于作为所述软接触层的载体；

所述宝塔式防断结构用于与所述传感器主壳体匹配，以安装铁氟龙防水管。

可选的，所述软接触层与土体的接触面为圆弧面，与所述压阻式敏感元件的接触面为平行面；

所述圆弧面用于在检测到土压力时，发生变形将额外的附加应力分散，并传递至所述平行面。

可选的，所述压阻式敏感元件包括：高压腔、敏感膜片、真空腔、金丝导线、无应力胶、接线端子、转换电路板和硅膜片保护壳；

所述高压腔为透明压力腔，用于与被测土压力相接触；

所述真空腔为透明压力腔，用于以真空环境为参考输出零点；

所述敏感膜片的两侧分别设置所述高压腔和所述真空腔，用于在所述高压腔和所述真空腔所受压力不同时，产生应变变化，并将所述应变变化转换为电压信号输出；

所述金丝导线用于将所述敏感膜片内设置的多个等值电阻连接构成惠斯顿电桥；

所述接线端子设置在所述转换电路板上，并与所述金丝导线连接；

所述转换电路板用于与所述压阻式敏感元件外部的四芯屏蔽线缆固定连接；

所述硅膜片保护壳正面开窗且内部为空腔结构，所述空腔结构用于安装所述高压腔、所述敏感膜片和所述真空腔，并在四周和表面填充所述无应力胶作为保护层。

可选的，所述传感器主壳体包括：软接触层定位槽、软接触层支撑梁、敏感元件安装腔和敏感元件定位槽，其中，所述敏感元件安装腔内部设置有所述内螺纹；

所述软接触层定位槽用于定位所述软接触层；

所述软接触层支撑梁用于支撑所述软接触层；

所述敏感元件安装腔用于放置所述压阻式敏感元件，并结合所述敏感元件定位槽对所述压阻式敏感元件进行定位，并在所述压阻式敏感元件完成定位和安装后，在剩余空间填充环氧树脂。

可选的，所述螺纹保护壳体包括：连接外螺纹和敏感元件支撑柱；

所述螺纹保护壳体通过所述连接外螺纹与所述传感器主壳体匹配，并通过所述敏感元件支撑柱对所述压阻式敏感元件进行支撑和固定。

可选的，还包括：四芯屏蔽线缆；

所述四芯屏蔽线缆与所述压阻式敏感元件固定连接。

可选的，还包括：所述铁氟龙防水管。

可选的，所述压阻式敏感元件为微型高频响压阻式敏感膜片。

一种土压传感器校准方法，应用于数据采集仪，所述数据采集仪与上述所述的土压传感器连接，所述土压力校准方法包括：

将待校准土压力传感器所需量测土层的最大理论土压力值划分为M个级别，M为正整数；

当所述待校准土压力传感器埋设至实际试验所对应的土层深度时，基于M个所述级别，向所述待校准土压力传感器逐级施加离心加速度荷载至预设值，得到每个所述级别下所述待校准土压力传感器的输出电压信号与各个离心加速度下土层深度对应的理论土压力值；

基于各所述级别对应的所述理论土压力值，利用最小二乘法曲线拟合方法，得到所述待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应离心加速度条件下所述理论土压力值的平均校准系数；

将所述待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应的所述平均校准系数相乘，得到所述待校准土压传感器在各个所述级别下的实测输出土压力值；

计算所述待校准土压传感器各个所述级别对应的所述实测输出土压力值与对应理论土压力值的偏差量；

基于各个所述偏差量确定所述待校准土压力传感器校准后的目标系数。

从上述的技术方案可知，本发明公开了一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法，土压传感器包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体，软接触层作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，安装在传感器主壳体的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至压阻式敏感元件，压阻式敏感元件作为土压传感器的核心部分，将土压力物理变化转换为电压信号输出，传感器主壳体不仅可以作为软接触层的载体，还可通过内螺纹与螺纹保护壳匹配，以安装与保护压阻式敏感元件，减少外力对压阻式敏感元件的影响，宝塔式防断结构与传感器主壳体匹配，以安装铁氟龙防水管。本发明中土压传感器与土体接触面采用软接触方式，通过正面开窗填入圆弧状柱体的传感器主壳体，土压传感器表面的软接触层受上层填筑土层影响变形挠曲形成与传感器主壳体齐平形状，使土压力作用于压阻式敏感元件；土压传感器的软接触层采用高弹性材料，而高弹性材料的密度介于干砂与饱和砂之间，与铝合金材质和不锈钢材质相比，软接触层采用的高弹性材料可有效减小土压传感器与土体介质之间的刚度匹配问题，从而提高了土压传感器的测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种软接触式的土压传感器主要结构的爆炸图；

图2为本发明实施例公开的另一种软接触式的土压传感器主要结构的爆炸图；

图3为本发明实施例公开的一种软接触式的土压传感器主要结构的正视图；

图4为本发明实施例公开的一种软接触式的土压传感器主要结构的剖面图；

图5为本发明实施例公开的一种软接触层的正视图；

图6为本发明实施例公开的一种软接触层的侧面图；

图7为本发明实施例公开的一种压阻式敏感元件和四芯屏蔽线缆的连接示意图；

图8为本发明实施例公开的一种压阻式敏感元件的剖面图；

图9为本发明实施例公开的一种传感器主壳体和宝塔式防断结构的连接示意图；

图10为本发明实施例公开的一种传感器主壳体和宝塔式防断结构连接的透视图；

图11为本发明实施例公开的一种传感器主壳体和宝塔式防断结构连接的剖面图；

图12为本发明实施例公开的一种螺纹保护壳体的结构示意图；

图13为本发明实施例公开的一种福建标准石英砂粒径级配曲线图；

图14(a)为本发明实施例公开的一种软接触式土压传感器布设图；

图14(b)为本发明实施例公开的一种离心加速度分级加载示意图；

图15(a)为本发明实施例公开的一种软接触式土压传感器T1的离心加速度校验结果图；

图15(b)为本发明实施例公开的一种软接触式土压传感器T1的理论土压力校验结果图；

图15(c)为本发明实施例公开的一种软接触式土压传感器T2的离心加速度校验结果图；

图15(d)为本发明实施例公开的一种软接触式土压传感器T2的理论土压力校验结果图；

图15(e)为本发明实施例公开的一种软接触式土压传感器T3的离心加速度校验结果图；

图15(f)为本发明实施例公开的一种软接触式土压传感器T3的理论土压力校验结果图；

图16为本发明实施例公开的一种土压传感器校准方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种软接触式的土压传感器及土压传感器校准方法，土压传感器包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体，软接触层作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，安装在传感器主壳体的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至压阻式敏感元件，压阻式敏感元件作为土压传感器的核心部分，将土压力物理变化转换为电压信号输出，传感器主壳体不仅可以作为软接触层的载体，还可通过内螺纹与螺纹保护壳匹配，以安装与保护压阻式敏感元件，减少外力对压阻式敏感元件的影响，宝塔式防断结构与传感器主壳体匹配，以安装铁氟龙防水管。本发明中土压传感器与土体接触面采用软接触方式，通过正面开窗填入圆弧状柱体的传感器主壳体，土压传感器表面的软接触层受上层填筑土层影响变形挠曲形成与传感器主壳体齐平形状，使土压力作用于压阻式敏感元件；土压传感器的软接触层采用高弹性材料，而高弹性材料的密度介于干砂与饱和砂之间，与铝合金材质和不锈钢材质相比，软接触层采用的高弹性材料可有效减小土压传感器与土体介质之间的刚度匹配问题，从而提高了土压传感器的测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的准确性和可靠性。

参见图1，本发明实施例公开的一种软接触式的土压传感器主要结构的爆炸图，土压传感器包括：软接触层01、压阻式敏感元件02、传感器主壳体04、宝塔式防断结构05和螺纹保护壳体07。

其中，软接触层01作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，用于安装在传感器主壳体04的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至压阻式敏感元件02。

本发明中软接触层01主要作用是安装在传感器主壳体04的正面开窗处，是传感器直接与土体的接触体，其采用的高弹性材料，主要成分为硅橡胶(也即本发明优选高弹性硅胶材料)，具有良好的耐高温、耐高压、耐水耐油、抗腐蚀性强、电绝缘、高介电强度等特点，其密度可根据土体类型调配范围为1.7g～2.5g/cm³，邵氏硬度可选范围为45～65，抗剪和抗拉强度≥2.0Mpa。而土体颗粒级配处于0.08mm～2.0mm的干砂密度约为1.4g/cm³～1.7g/cm³、饱和砂土密度约为1.8g/cm³～2.1g/cm³。因此，高弹性材料的密度介于干砂与饱和砂之间，与铝合金材质(密度约为2.7g/cm³，洛氏硬度约为90)和不锈钢材质(密度约为7.8g/cm³，洛氏硬度约为201)相比，土压传感器正面采用的高弹性材料可有效减小与土体介质之间的刚度匹配问题。

本发明中的软接触层01微刚度小的弹性体，可直接将土压力物理变化至压阻式敏感元件02，从而提升土压传感器的灵敏度和频响速率。另外软接触层01采用的是高弹性硅橡胶材质，因此与土体自身刚度匹配误差较小，可减少原有砂土应力场的应力重分布现象，进而提升土压传感器的测试精度。

压阻式敏感元件02作为土压传感器的核心部分，用于将土压力物理变化转换为电压信号输出。

传感器主壳体04具有内螺纹，用于通过内螺纹与螺纹保护壳07匹配，以安装与保护压阻式敏感元件02，减少外力对压阻式敏感元件02的影响。

传感器主壳体04还用于作为软接触层01的载体。

需要说明的是，传感器主壳体04为圆弧状柱体。

宝塔式防断结构05用于与传感器主壳体04匹配，以安装铁氟龙防水管。

综上可知，本发明公开了一种软接触式的土压传感器，包括：软接触层01、压阻式敏感元件02、传感器主壳体04、宝塔式防断结构05和螺纹保护壳体07，软接触层01作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，安装在传感器主壳体04的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至压阻式敏感元件02，压阻式敏感元件02作为土压传感器的核心部分，将土压力物理变化转换为电压信号输出，传感器主壳体04不仅可以作为软接触层01的载体，还可通过内螺纹与螺纹保护壳07匹配，以安装与保护压阻式敏感元件02，减少外力对压阻式敏感元件02的影响，宝塔式防断结构05与传感器主壳体04匹配，以安装铁氟龙防水管。本发明中土压传感器与土体接触面采用软接触方式，通过正面开窗填入圆弧状柱体的传感器主壳体04，土压传感器表面的软接触层01受上层填筑土层影响变形挠曲形成与传感器主壳体04齐平形状，使土压力作用于压阻式敏感元件02；土压传感器的软接触层01采用高弹性材料，而高弹性材料的密度介于干砂与饱和砂之间，与铝合金材质和不锈钢材质相比，软接触层01采用的高弹性材料可有效减小土压传感器与土体介质之间的刚度匹配问题，从而提高了土压传感器的测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有较高的准确性和可靠性。

为进一步优化上述实施例，参见图2，本发明实施例公开的另一种软接触式的土压传感器主要结构的爆炸图，在图1所示实施例的基础上，土压传感器还可以包括：四芯屏蔽线缆03，四芯屏蔽线缆03与压阻式敏感元件02固定连接。

为进一步优化上述实施例，土压传感器还可以包括：铁氟龙防水管06；

宝塔式防断结构05通过与传感器主壳体04匹配，来安装铁氟龙防水管06。

其中，图2所示实施例中土压传感器的各主要结构之间的连接关系还可以参见图3和图4分别示出的土压传感器主要结构的正视图和剖面图。

下面针对土压传感器的各个主要结构进行详细说明，具体如下：

参见图5和图6，分别为本发明实施例公开的一种软接触层的正视图和侧面图，软接触层01与土体的接触面为圆弧面011，与压阻式敏感元件02的接触面为平行面012；

圆弧面011用于在检测到土压力时，发生变形将额外的附加应力分散，并传递至平行面012。

本发明中软接触层01通过圆弧状设计(即圆弧面011)与材料(高弹性材料)的选取，可有效减少原有砂土应力场的“拱效应”现象，进而提升土压传感器的测试精度。

具体的，当上覆土层填筑时将扰动土体，此时土压传感器将较多承担土体中的应力，软接触层01与土体的接触面采用圆弧面011设计，使得上覆土压力直接作用于圆弧面011时，圆弧面011可通过自身微小挠曲变形(圆弧度减小，但仅限于接触面发生微小变形)将额外的附加应力分散，并均匀施加在土压传感器的软接触层01，而后传递至平行面012，此过程可减少应力集中现象造成传感器测量数据偏大，及保护土压传感器内部压阻式敏感元件02不受损伤；其次，相比于采用铝合金、不锈钢材质(刚度大，易导致敏感元件的反应不灵敏)，软接触层01(刚度小、弹性体)可直接将土压力物理变化至压阻式敏感元件02，从而提升土压传感器的灵敏度和频响速率。

参见图7，本发明实施例公开的一种压阻式敏感元件和四芯屏蔽线缆的连接示意图，结合图8所示的压阻式敏感元件的剖面图可知，压阻式敏感元件02作为土压传感器的核心部分，包括：高压腔021、敏感膜片022、真空腔023、金丝导线024、无应力胶025、接线端子026、转换电路板027和硅膜片保护壳028。

高压腔021为透明压力腔，用于与被测土压力相接触。

真空腔023为透明压力腔，用于以真空环境为参考输出零点。

在实际应用中，高压腔021和真空腔023的材质均可以为膨化玻璃。

敏感膜片022为半导体材料(硅)，敏感膜片022的两侧分别设置高压腔021和真空腔023，用于在高压腔021和真空腔023所受压力不同时，产生应变变化，并将应变变化转换为电压信号输出。

金丝导线024用于将敏感膜片022内设置的多个等值电阻连接构成惠斯顿电桥。

接线端子026设置在转换电路板027上，并与金丝导线024连接。

转换电路板027用于与压阻式敏感元件02外部的四芯屏蔽线缆03固定连接。

硅膜片保护壳028正面开窗且内部为空腔结构，该空腔结构用于安装高压腔021、敏感膜片022和真空腔023，并在四周和表面填充无应力胶025作为保护层。

较优的，压阻式敏感元件02可以选用微型高频响压阻式敏感膜片，固有频率可以高达700kHz。

具体的，敏感膜片022用于在高压腔021和真空腔023所受压力不同时，产生应变变化，并将应变变化转换为电压信号输出，通过在敏感膜片022上利用离子注入工艺设置多个等值电阻(比如，四个等值电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝5kΩ)，并利用金丝导线024将四个等值电阻连接构成惠斯顿电桥，而后将金丝导线024与转换电路板027上的接线端子026进行连接，再通过转换电路板028内部电缆与外部四芯屏蔽线缆03进行锡焊处理。当敏感膜片022两侧的高压腔021和真空腔023所受压力(土压力变化)不同时，敏感膜片022膜片产生应变变化，并将应变变化转换为电压信号输出；硅膜片保护壳028正面开窗且内部为空腔结构，该空腔结构用于安装高压腔021、敏感膜片022、真空腔023，并在四周和表面填充无应力胶025作为保护层，无应力胶025上表面与软接触层01的平行面012进行粘结，使得整个空腔面受力均匀。

综上可知，本发明中土压传感器的感应元件可选用微型高频响压阻式敏感膜片，通过在敏感膜片022上利用离子注入工艺设有多个等值电阻(比如四个等值电阻)，并利用金丝导线024将多个等值电路连接构成惠斯顿电桥，敏感膜片022两侧设有高压腔021和真空腔023两个压力腔，当两个压力腔所受压力不同时，敏感膜片022产生应变，从而提升土压传感器的频响性能和灵敏度。

另外，通过本实施例中的设计及采用压阻式敏感膜片微型化，可减小土压传感器的体积，直径可控制在10mm以内，其输出电压信号可达100mV以上。

进一步，本发明利用壳体内腔室的设计实现敏感膜片022的固定，并在敏感膜片022表面及四周覆盖一层无应力保护胶025，不仅可以减小上覆土层填筑压实产生的“应力集中”对敏感膜片022的损伤和避免土体与敏感膜片022直接接触，从而提高土压传感器的寿命周期，而且使得整个内腔室面受力均匀，从而提升了土压传感器的测试精度。

参见图9～图11，分别为本发明实施例公开的一种传感器主壳体和宝塔式防断结构的连接示意图、传感器主壳体和宝塔式防断结构连接的透视图，以及传感器主壳体和宝塔式防断结构连接的剖面图，传感器主壳体04包括：软接触层定位槽041、软接触层支撑梁042、敏感元件安装腔043和敏感元件定位槽044，其中，敏感元件安装腔043内部设置有内螺纹045。

软接触层定位槽041用于定位软接触层01。

软接触层支撑梁042用于支撑软接触层01。

敏感元件安装腔043用于放置压阻式敏感元件02，并结合敏感元件定位槽044对压阻式敏感元件02进行定位，并在压阻式敏感元件02完成定位和安装后，在剩余空间填充环氧树脂，进一步对压阻式敏感元件02内部固定、防水，及隔绝侧向额外应力对压阻式敏感元件02的影响。。

具体的，传感器主壳体04与宝塔式防断结构05匹配，以安装铁氟龙防水管06，进而保护四芯屏蔽线缆03出现断裂和线缆防水功能。

综上可知，本发明中土压传感器的线缆固定与密封方式采用宝塔式防断结构05设计，可有效提升土压传感器的线缆抗剪切强度和抗拉强度，并可提升土压传感器的密封效果；并配合铁氟龙材质线缆保护层，可以保护外裸露线缆，并可减少对原有流场与应力场的干扰作用以及传感器线缆的磨损。

参见图12，本发明实施例公开的一种螺纹保护壳体的结构示意图，螺纹保护壳体07主要包括：连接外螺纹071和敏感元件支撑柱072。

螺纹保护壳体07通过连接外螺纹071与传感器主壳体04匹配，并通过敏感元件支撑柱072对压阻式敏感元件02进行支撑和固定。

需要特别说明的是，本发明中采用螺纹保护壳体07和传感器主壳体04的分体式结构，可以增加对土压传感器的检修能力，提高压阻式敏感元件02的利用率。

为提高土压传感器的可靠性，土压传感器在使用前需要校准，在校准时，可以采用土工离心机进行标定。

参见图16，本发明实施例公开的一种土压传感器校准方法流程图，该方法应用于数据采集仪，该数据采集仪与上述实施例中的土压传感器连接，土压力校准方法可以包括：

步骤S101、将待校准土压力传感器所需量测土层的最大理论土压力值划分为M个级别。

最大理论土压力为：在预设离心加速度条件下对应的原型深度的最大土压力值。

其中，M为正整数。

在实际应用中，每个级别对应一个校准土压力输出电压信号。

步骤S102、确定每个级别下待校准土压力传感器的输出电压信号与各个离心加速度下土层深度对应的理论土压力值。

具体的，当待校准土压力传感器埋设至实际试验所对应的土层深度时，基于M个级别，向待校准土压力传感器逐级施加离心加速度荷载至预设值，得到每个级别下待校准土压力传感器的输出电压信号与各个离心加速度下土层深度对应的理论土压力值。

其中，预设值的取值依据实际需要而定，本发明在此不做限定。

步骤S103、基于各级别对应的理论土压力值，利用最小二乘法曲线拟合方法，得到待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应离心加速度条件下理论土压力值的平均校准系数。

其中，平均校准系数即各级理论土压力值(kPa)与待校准土压力传感器(mV)之比。

步骤S104、将待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应的平均校准系数相乘，得到待校准土压传感器在各个级别下的实测输出土压力值。

步骤S105、计算待校准土压传感器各个级别对应的实测输出土压力值与对应理论土压力值的偏差量。

步骤S106、基于各个偏差量确定待校准土压力传感器校准后的目标系数。

综上可知，本发明通过将待校准土压传感器与数据采集仪连接，由数据采集仪对从待校准土压传感器采集的数据进行处理，得到待校准土压传感器各个级别对应的实测输出土压力值与对应理论土压力值的偏差量，从而基于各个偏差量得到待校准土压力传感器校准后的目标系数，完成对待校准土压力传感器的校准，以进一步提高提高土压传感器的测试精度，使土压传感器测量的土压力数据具有更高的准确性和可靠性。

土压传感器校准过程举例说明如下：

1)土体试样材料可以根据实际试验土体类型进行选择，本实施例以土体试样材料为福建标准石英砂为例进行说明，福建标准石英砂粒径级配曲线如图13所示，基本物理参数见表1，如下：

表1福建标准石英砂主要物理参数

砂土相对密度D_r为55％，在模型箱中将干砂模型分5层布设，传感器埋设深度分别为50mm(编号T1)、150mm(编号T2)、250mm(编号T3)、350mm(编号T4)、450mm(编号T5)，并在每一层正中心处布设1只待校准软接触式土压传感器，总共布设5只传感器，且每一只传感器布设方向竖直朝上；而后将模型箱、软接触式土压传感器和线缆吊装至土工离心机上，并与数据采集仪连接。

2)对5只软接触式土压传感器预热60min后，设置数据采集仪采样率为5Hz，将软接触式土压传感器的初始校准系数(ICF)设为1.0，且在数据采集仪上设置软接触式土压传感器初始值为“NULL”(即平衡清零)；在软接触式土压传感器完成“NULL”设置后，在数据采集仪的显示屏上实时监测待校准软接触式土压传感器，再检查软接触式土压传感器输出电压信号是否处于稳定状态和受噪声干扰程度。

3)土工离心机将分级加载离心加速度(分级数≥5)，分别为5g、10g、15g、20g、30g、40g、50g，每级离心加速度保持≥5min后，待土层达到稳定状态、软接触式土压传感器输出电压达到稳定状态，再施加下一级离心加速度，如图14(a)和14(b)所示，重复施加离心加速度2～3次，获取每级离心加速度条件下软接触式土压传感器的平均输出电压值。

4)最后，使用公式(1)计算软接触式土压传感器的校准系数ACF(单位：kPa/mV)(即绘制由数据采集仪记录的软接触式土压传感器的输出电压值(横坐标)和每级离心加速度下各土层对应的理论土压力值(纵坐标)的校准对比曲线)，并基于该校准曲线进行曲线拟合与换算相关系数R²，得到图15(a)～图15(f)所示的代表性软接触式土压传感器编号T1、T2、T3校准结果。

式中，N为每级离心加速度，ρ为各土层密度(kg/m²)，g_c为重力加速度(m/s²)(取9.8)，h为软接触式土压传感器的埋设高度(m)，N为标定过程中记录的测量点数量；X为软接触式土压传感器的输出电压信号，单位为mV；Y为每级离心加速度下各土层对应的理论土压力值，单位为kPa。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种软接触式的土压传感器，其特征在于，包括：软接触层、压阻式敏感元件、传感器主壳体、宝塔式防断结构和螺纹保护壳体；

所述软接触层作为土压传感器直接与土体的接触体，采用高弹性材料，用于安装在所述传感器主壳体的正面开窗处，直接将土压力物理变化传输至所述压阻式敏感元件；

所述压阻式敏感元件作为所述土压传感器的核心部分，用于将所述土压力物理变化转换为电压信号输出；

所述传感器主壳体具有内螺纹，用于通过所述内螺纹与所述螺纹保护壳匹配，以安装与保护所述压阻式敏感元件；还用于作为所述软接触层的载体；

所述宝塔式防断结构用于与所述传感器主壳体匹配，以安装铁氟龙防水管。

2.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述软接触层与土体的接触面为圆弧面，与所述压阻式敏感元件的接触面为平行面；

所述圆弧面用于在检测到土压力时，发生变形将额外的附加应力分散，并传递至所述平行面。

3.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述压阻式敏感元件包括：高压腔、敏感膜片、真空腔、金丝导线、无应力胶、接线端子、转换电路板和硅膜片保护壳；

所述高压腔为透明压力腔，用于与被测土压力相接触；

所述真空腔为透明压力腔，用于以真空环境为参考输出零点；

所述敏感膜片的两侧分别设置所述高压腔和所述真空腔，用于在所述高压腔和所述真空腔所受压力不同时，产生应变变化，并将所述应变变化转换为电压信号输出；

所述金丝导线用于将所述敏感膜片内设置的多个等值电阻连接构成惠斯顿电桥；

所述接线端子设置在所述转换电路板上，并与所述金丝导线连接；

所述转换电路板用于与所述压阻式敏感元件外部的四芯屏蔽线缆固定连接；

所述硅膜片保护壳正面开窗且内部为空腔结构，所述空腔结构用于安装所述高压腔、所述敏感膜片和所述真空腔，并在四周和表面填充所述无应力胶作为保护层。

4.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述传感器主壳体包括：软接触层定位槽、软接触层支撑梁、敏感元件安装腔和敏感元件定位槽，其中，所述敏感元件安装腔内部设置有所述内螺纹；

所述软接触层定位槽用于定位所述软接触层；

所述软接触层支撑梁用于支撑所述软接触层；

所述敏感元件安装腔用于放置所述压阻式敏感元件，并结合所述敏感元件定位槽对所述压阻式敏感元件进行定位，并在所述压阻式敏感元件完成定位和安装后，在剩余空间填充环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述螺纹保护壳体包括：连接外螺纹和敏感元件支撑柱；

所述螺纹保护壳体通过所述连接外螺纹与所述传感器主壳体匹配，并通过所述敏感元件支撑柱对所述压阻式敏感元件进行支撑和固定。

6.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，还包括：四芯屏蔽线缆；

所述四芯屏蔽线缆与所述压阻式敏感元件固定连接。

7.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，还包括：所述铁氟龙防水管。

8.根据权利要求1所述的土压传感器，其特征在于，所述压阻式敏感元件为微型高频响压阻式敏感膜片。

9.一种土压传感器校准方法，其特征在于，应用于数据采集仪，所述数据采集仪与权利要求1～8任意一项所述的土压传感器连接，所述土压力校准方法包括：

将待校准土压力传感器所需量测土层的最大理论土压力值划分为M个级别，M为正整数；

当所述待校准土压力传感器埋设至实际试验所对应的土层深度时，基于M个所述级别，向所述待校准土压力传感器逐级施加离心加速度荷载至预设值，得到每个所述级别下所述待校准土压力传感器的输出电压信号与各个离心加速度下土层深度对应的理论土压力值；

基于各所述级别对应的所述理论土压力值，利用最小二乘法曲线拟合方法，得到所述待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应离心加速度条件下所述理论土压力值的平均校准系数；

将所述待校准土压传感器的各级土压输出电压信号与对应的所述平均校准系数相乘，得到所述待校准土压传感器在各个所述级别下的实测输出土压力值；

计算所述待校准土压传感器各个所述级别对应的所述实测输出土压力值与对应理论土压力值的偏差量；

基于各个所述偏差量确定所述待校准土压力传感器校准后的目标系数。

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