一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，属于土工试验技术领域。首先，由12个激光位移传感器、1个色标传感器和外接固定圆环等完成圆盘式激光位移测量装置的组装，再安装轴向位移控制装置，完成激光式位移控制装置的安装。其次，将组激光式位移控制装置与外罩进行组装。最后，利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程，获取三轴试样在各状态下各测段轴向变形和径向变形的实际值，测量结果经相关处理计算三轴试样膜嵌入量。本发明专利技术可以实现对于三轴试样全表面膜嵌入的精准测量，使用范围广泛。该测量方法是非接触式测量，试验过程中不会对三轴试样的变形不会产生干扰。且测量的精准度高，具有良好的推广价值。
【技术实现步骤摘要】
一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法
本专利技术属于土工试验
，涉及一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法。技术背景三轴剪切试验是测量土体抗剪强度的一种方法，在对砂砾料进行试验时，围压通过橡皮膜传递到土试样上。由于土颗粒的粒径、级配的影响，造成试样表面凹凸不平，施加围压时会使橡皮膜嵌入到试样表面颗粒的间隙中，并且膜嵌入随着围压的不同而改变。因此，在进行固结排水试验时，橡皮膜的嵌入会导致排水过多，是影响体变量测的重要原因；在进行固结不排水和不固结不排水试验时，膜嵌入是影响孔隙水压力量测的重要原因。目前为了减少膜嵌入对试验的影响，主要有两种方法：一是测量膜嵌入量并量化其对实验结果影响；二是通过相关补偿手段减少膜嵌入的程度从而减少其对试验结果的影响。第一种在试样中心埋置与试样等高但直径不同的铜棒来测定膜嵌入量。但容易存在试样总体变与铜棒直径之间并非呈线性关系，同样在使用铜管的时候，会引起周围土受到的垂直应力小于径向应力，导致此时试样并非是等向固结状态，与假设条件相悖。第二种是用不同壁厚的空心柱试样对不同粒径的材料作等向加荷排水试验，然后通过测定体积应变之间的关系来确定膜嵌入量。但是由于试样的膜接触面积均不同，量测出的体积应变也会有所差异。第三种是通过减少膜嵌入量的方法来减少对试验造成的误差。通过在膜上贴铜片或者涂抹液体橡胶的方法可以减少85％的膜嵌入量。但是涂抹液体容易与试样融为一体影响进一步的研究。到目前为止，三轴试验中膜嵌入对体变的测量以及孔隙水压力的影响是不容忽略的，但是现有方法还存在诸多不足，必须给予矫正或者改进。由此可见，目前急需一种可以实时测量三轴试验中膜嵌入变化的装置，从而利用相对应的补偿措施减少其对试验结果的影响，提高试验结果的精确度和准确性。
技术实现思路
为了减少膜嵌入对试验结果的影响，本专利技术的目的是提供一种装置简单、操作方便、能够减小试验过程中对试样干扰的装置，用来实现准确测量三轴试样轴向-径向位移的装置。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，该方法能够通过控制步进电机驱动单轴直线滑台联动激光位移传感器对三轴试样进行整体扫描，实现试验加载过程中的实时监测三轴试样变形情况，测量三轴试样轴向变形及径向变形，包括以下步骤：第一步，组装激光式位移控制装置，该装置包含单轴直线滑台16，光栅尺17，步进电机18，色标传感器11、激光位移传感器12A-12L、外接固定圆环13、L型钢片14及台座15。1.1)组装圆盘式激光位移测量装置，包括色标传感器11、激光位移传感器12A-12L及外接固定圆环13，组装步骤如下：组装并安装激光位移传感器12A：所述激光位移传感器12A包括激光传感器12A1、槽形钢12A2、底板12A3。将激光传感器12A1嵌入槽形钢12A2，并用螺栓进行固定，螺纹间灌入高强速干胶水进行密封，再将槽形钢12A2与底板12A3进行锚固连接形成一个整体。激光位移传感器12A组装后，将其安装在外接固定圆环13的内环上：将底板12A3的通孔与圆环13的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并处于半紧状态。其他激光位移传感器12B-12L的组装、安装方式与激光位移传感器12A相同。当激光位移传感器12A-12L安装完成，同时激活激光位移传感器12A-12L，微调激光位移传感器的位置使激光束通过空间内同一点，且所有激光束位于同一水平面上，该水平面与外接固定圆环13所在的平面平行，最后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定。安装色标传感器11，其安装位置位于激光位移传感器12A与激光位移传感器12B中间中心位置，其投射光束与激光位移传感器激光束汇集一点且与激光束位于同一水平面，待位置确定后，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定，完成安装。1.2)安装轴向位移控制装置，包括单轴直线滑台16，光栅尺17，步进电机18，L型钢片14及台座15，组装过程如下：台座15由长方形带孔薄板及长方形凹槽方盒组成，长方形凹槽方盒长边侧壁与长方形带孔薄板板面由螺栓连接，在长方形凹槽方盒内安装单轴直线滑台16及步进电机18，单轴直线滑台16底端齿轮与步进电机端部齿轮由橡胶齿轮带相连。步进电机18位于单轴直线滑台一侧，另一侧设置光栅尺17，光栅尺17与单轴直线滑台16平行设置，其端部设置在长方形凹槽内部，光栅尺17刷头与单轴直线滑台16台面通过螺栓相连，完成轴向位移控制装置安装。1.3)将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置，组装过程如下：外接固定圆环13分为内环和外环，内环与外环间由环形轴承相连，本专利技术中内环与外环的相对位置固定，由固定螺栓固定；内环上均布激光位移传感器12A-12L和色标传感器11，在激光位移传感器12E与激光位移传感器12F两者内部对应的外环区域由固定螺栓与L型钢片14一端面固接，L型钢片14另一端面与单轴直线滑台18台面用固定螺栓固接，完成上述步骤，将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置组装成激光式位移控制装置。完成上述三个步骤即完成激光式位移控制装置的安装，如图1所示。第二步，将组装完成的激光式位移控制装置与在三轴压力室有机玻璃外罩进行组装，将圆盘式激光位移测量装置嵌套在三轴有机玻璃外罩外围，两者中心同轴；而后，利用连接板将台座15与三轴压力室有机玻璃外罩下端法兰相连，并用螺栓进行固结；完成组装，如图2所示。利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程及计算过程如下：1)利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程：激光式位移控制装置安装完成时，三轴试验试样07处于初始状态，未发生任何方向上的位移。激光位移传感器12A-12L与三轴试验试样07的轴线保持垂直状态，控制步进电机18驱动单轴直线滑台16，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台16台面上下移动，当激光位移传感器12A-12L光束与三轴试样07底端透水石下边缘相交时，调停步进电机18。此时，激光位移传感器12A-12L激光束对应的点位即为测点A-L；此时，测点A-L沿三轴试样07表面轴向方向线段为测段A-L。首先，在三轴试样固结完成时，对光栅尺17读数进行清零，同时开始记录激光位移传感器12A-12L数据、光栅尺17读数及色标传感器11读数；控制步进电机18驱动单轴直线滑台16，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台16台面自下而上移动，待激光位移传感器12A-12L光束与与三轴试样07顶端透水石上边缘相交时，调停步进电机18，并停止记录激光位移传感器12A-12L数据、光栅尺17读数及色标传感器11读数；完成上述步骤即完成三轴试样07初始状态体积测量。激光位移传感器12A-12L的数据分别对应测段A-L初始位移，进行换算得三轴试样07在测段A-L上沿轴向的径向长度值；色标传感器11的读数对应为三轴试样07外表面乳胶膜上喷镀颜色的灰度值，黑色部分为0，乳白色为1，该数据用于划定三轴试样07测量本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，其特征在于，该方法能够通过控制步进电机驱动单轴直线滑台联动激光位移传感器对三轴试样进行整体扫描，实现试验加载过程中的实时监测三轴试样变形情况，测量三轴试样轴向变形及径向变形，包括以下步骤：/n第一步，组装激光式位移控制装置；/n1.1)组装圆盘式激光位移测量装置，包括色标传感器(11)、激光位移传感器(12A)-(12L)及外接固定圆环(13)，组装步骤如下：/n组装并安装激光位移传感器(12A)：所述激光位移传感器(12A)包括激光传感器(12A1)、槽形钢(12A2)、底板(12A3)；将激光传感器(12A1)嵌入槽形钢(12A2)固定后，将槽形钢(12A2)与底板(12A3)进行锚固连接形成一个整体；激光位移传感器(12A)组装后，将其安装在外接固定圆环(13)的内环上：将底板(12A3)的通孔与圆环(13)的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并使其处于半紧状态；/n其他激光位移传感器(12B)-(12L)的组装、安装方式与激光位移传感器(12A)相同，十二个激光位移传感器沿周向均匀设于圆环(13)上，且设于三轴压力室外壳外围一圈；当十二个激光位移传感器安装完成后，同时激活十二个激光位移传感器，微调激光位移传感器的位置使激光束通过空间内同一点，且所有激光束位于同一水平面上，该水平面与外接固定圆环(13)所在的平面平行，最后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定；/n安装色标传感器(11)，其安装位置位于任意两个激光位移传感器之间的中心位置，其投射光束与激光位移传感器激光束汇集一点且与激光束位于同一水平面，待位置确定后，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定，完成安装；/n1.2)安装轴向位移控制装置，包括单轴直线滑台(16)、光栅尺(17)、步进电机(18)、L型钢片(14)及台座(15)，组装过程如下：/n所述台座(15)由长方形带孔薄板及长方形凹槽方盒组成，凹槽方盒长边侧壁与带孔薄板板面通过螺栓连接，在凹槽方盒内安装单轴直线滑台(16)及步进电机(18)，单轴直线滑台(16)底端齿轮与步进电机端部齿轮由橡胶齿轮带相连；步进电机(18)位于单轴直线滑台一侧，另一侧设置光栅尺(17)，光栅尺(17)与单轴直线滑台(16)平行设置，其端部设置在长方形凹槽内部，光栅尺(17)刷头与单轴直线滑台(16)台面通过螺栓相连，完成轴向位移控制装置安装；/n1.3)将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置，组装过程如下：/n外接固定圆环(13)分为内环和外环，内环与外环间由环形轴承相连；内环上均布激光位移传感器(12A)-(12L)和色标传感器(11)，在其中两个激光位移传感器对应的外环区域与L型钢片(14)一端面固接，L型钢片(14)另一端面与单轴直线滑台(18)台面固接，完成上述步骤，将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置组装成激光式位移控制装置；/n第二步，将组装完成的激光式位移控制装置与在三轴压力室有机玻璃外罩进行组装，将圆盘式激光位移测量装置嵌套在三轴有机玻璃外罩外围，两者中心同轴；再利用连接板将台座(15)与三轴压力室有机玻璃外罩下端法兰相连，完成组装；/n利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程及计算过程如下：/n1)利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程：/n激光式位移控制装置安装完成时，三轴试验试样(07)处于初始状态，未发生任何方向上的位移；激光位移传感器(12A)-(12L)与三轴试验试样(07)的轴线保持垂直状态，控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面上下移动，当激光位移传感器(12A)-(12L)光束与三轴试样(07)底端透水石下边缘相交时，调停步进电机(18)；此时，激光位移传感器(12A)-(12L)激光束对应的点位即为测点A-L；测点A-L沿三轴试样(07)表面轴向方向线段为测段A-L；/n在三轴试样固结完成时，对光栅尺(17)读数进行清零，同时开始记录激光位移传感器(12A)-(12L)数据、光栅尺(17)读数及色标传感器(11)读数；控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面自下而上移动，待激光位移传感器(12A)-(12L)光束与三轴试样(07)顶端透水石上边缘相交时，调停步进电机(18)，并停止记录激光位移传感器(12A)-(12L)数据、光栅尺(17)读数及色标传感器(11)读数；完成上述步骤即完成三轴试样(07)初始状态体积测量；所述激光位移传感器(12A)-(12L)的数据分别对应测段A-L初始位移，进行换算得三轴试样(07)在测段A-L上沿轴向的径向长度值；所述色标传感器(11)的读数对应为三轴试样(07)...
【技术特征摘要】
1.一种利用激光式位移控制装置全局测量试样膜嵌入的方法，其特征在于，该方法能够通过控制步进电机驱动单轴直线滑台联动激光位移传感器对三轴试样进行整体扫描，实现试验加载过程中的实时监测三轴试样变形情况，测量三轴试样轴向变形及径向变形，包括以下步骤：
第一步，组装激光式位移控制装置；
1.1)组装圆盘式激光位移测量装置，包括色标传感器(11)、激光位移传感器(12A)-(12L)及外接固定圆环(13)，组装步骤如下：
组装并安装激光位移传感器(12A)：所述激光位移传感器(12A)包括激光传感器(12A1)、槽形钢(12A2)、底板(12A3)；将激光传感器(12A1)嵌入槽形钢(12A2)固定后，将槽形钢(12A2)与底板(12A3)进行锚固连接形成一个整体；激光位移传感器(12A)组装后，将其安装在外接固定圆环(13)的内环上：将底板(12A3)的通孔与圆环(13)的螺纹孔对齐，拧上螺栓，并使其处于半紧状态；
其他激光位移传感器(12B)-(12L)的组装、安装方式与激光位移传感器(12A)相同，十二个激光位移传感器沿周向均匀设于圆环(13)上，且设于三轴压力室外壳外围一圈；当十二个激光位移传感器安装完成后，同时激活十二个激光位移传感器，微调激光位移传感器的位置使激光束通过空间内同一点，且所有激光束位于同一水平面上，该水平面与外接固定圆环(13)所在的平面平行，最后逐一拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定；
安装色标传感器(11)，其安装位置位于任意两个激光位移传感器之间的中心位置，其投射光束与激光位移传感器激光束汇集一点且与激光束位于同一水平面，待位置确定后，拧紧螺栓并灌入高强速干胶水进行固定，完成安装；
1.2)安装轴向位移控制装置，包括单轴直线滑台(16)、光栅尺(17)、步进电机(18)、L型钢片(14)及台座(15)，组装过程如下：
所述台座(15)由长方形带孔薄板及长方形凹槽方盒组成，凹槽方盒长边侧壁与带孔薄板板面通过螺栓连接，在凹槽方盒内安装单轴直线滑台(16)及步进电机(18)，单轴直线滑台(16)底端齿轮与步进电机端部齿轮由橡胶齿轮带相连；步进电机(18)位于单轴直线滑台一侧，另一侧设置光栅尺(17)，光栅尺(17)与单轴直线滑台(16)平行设置，其端部设置在长方形凹槽内部，光栅尺(17)刷头与单轴直线滑台(16)台面通过螺栓相连，完成轴向位移控制装置安装；
1.3)将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置，组装过程如下：
外接固定圆环(13)分为内环和外环，内环与外环间由环形轴承相连；内环上均布激光位移传感器(12A)-(12L)和色标传感器(11)，在其中两个激光位移传感器对应的外环区域与L型钢片(14)一端面固接，L型钢片(14)另一端面与单轴直线滑台(18)台面固接，完成上述步骤，将圆盘式激光位移测量装置与轴向位移控制装置组装成激光式位移控制装置；
第二步，将组装完成的激光式位移控制装置与在三轴压力室有机玻璃外罩进行组装，将圆盘式激光位移测量装置嵌套在三轴有机玻璃外罩外围，两者中心同轴；再利用连接板将台座(15)与三轴压力室有机玻璃外罩下端法兰相连，完成组装；
利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程及计算过程如下：
1)利用上述激光式位移控制装置测量三轴试样膜嵌入量的过程：
激光式位移控制装置安装完成时，三轴试验试样(07)处于初始状态，未发生任何方向上的位移；激光位移传感器(12A)-(12L)与三轴试验试样(07)的轴线保持垂直状态，控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面上下移动，当激光位移传感器(12A)-(12L)光束与三轴试样(07)底端透水石下边缘相交时，调停步进电机(18)；此时，激光位移传感器(12A)-(12L)激光束对应的点位即为测点A-L；测点A-L沿三轴试样(07)表面轴向方向线段为测段A-L；
在三轴试样固结完成时，对光栅尺(17)读数进行清零，同时开始记录激光位移传感器(12A)-(12L)数据、光栅尺(17)读数及色标传感器(11)读数；控制步进电机(18)驱动单轴直线滑台(16)，使圆盘式激光位移测量装置随单轴直线滑台(16)台面自下而上移动，待激光位移传感器(12A)-(12L)光束与三轴试样(07)顶端透水石上边缘相交时，调停步进电机(18)，并停止记录激光位移传感器(12A)-(12L)数据、光栅尺(17)读数及色标传感器(11)读数；完成上述步骤即完成三轴试样(07)初始状态体积测量；所述激光位移传感器(12A)-(12L)的数据分别对应...
【专利技术属性】
技术研发人员：邹德高，季晓檬，孔宪京，张佳晨，张良，陈涛，马斌，梁存绍，周晨光，
申请(专利权)人：大连理工大学，四川华能泸定水电有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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