CN112326076A - 一种压力传感器和该压力传感器的安装机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器和该压力传感器的安装机构，压力传感器包括金属外壳（2）和PDMS芯片（3），PDMS芯片（3）置于金属外壳（2）内，所述PDMS芯片（3）内部设置有微流道（5），微流道内部充满液态金属。安装机构包括依次层叠的底板（11）、压力传感器（A）、承压板(10)、岩石压板（9），承压板（10）外露面与岩石压板（9）内平面之间设有楔块（12）。本发明具有的技术效果是：压力传感器具有柔性，克服了刚性材料压力传感器易受到疲劳加载而产生机械破坏，提高了压力传感器的可靠性；且压力传感器输出信号与应力大小具有稳定的函数关系，测量结果准确。

Description

一种压力传感器和该压力传感器的安装机构

技术领域

本发明属于岩土工程的应力监测技术领域，具体涉及一种液态金属压力传感器和在岩土钻孔内安装该压力传感器的安装机构。

背景技术

在岩土工程中，应力监测仪器的应用有以下四个方面：

一、岩土工程结构安全应力监测：工程事故的发生往往是由于关键结构的关键部位发生了破坏，利用压力传感器对关键结构中关键部位的受力进行有效监测，据此可提前做出预警；地震、洪水和台风等自然灾害对工程设施造成不同程度的损伤，利用压力传感器对其结构受力状态进行监测，以便正确判断结构的不同程度损伤和破坏是否会演变为工程事故，从而避免事故发生、人员伤亡和财产损失。

二、岩土体应力状态监测：工程中的岩土体是复杂的，其赋存环境具有不确定性,岩土体内部的受力状态(或压缩、拉伸及剪切变形和表面位移量)对于诊断工程中岩土体是否稳定安全是十分有帮助的。通过压力传感器监测及时获取岩土体中典型变形单元的客观、真实、可靠的应力信息，并以此来评估和预测工程岩土体稳定性和安全性已成为一种重要技术手段。

三、施工建设监测：大型的岩土工程建设，往往工程量巨大、施工难度大、工程极为复杂，由施工引起的应力变化对整个工程质量有直接的影响。利用压力传感器可对施工过程中某些关键位置处的应力状态进行监测，其反馈数据还可方便工程人员做出相应施工设计的调整，以保证施工安全与质量。

四、支护加固监测：在减灾防灾的工程支护加固领域中，对于重要性等级较高的工程，例如大型采矿边坡等重要工程边坡，不仅仅是对其危岩体或结构做支护加固处理，还需对加固体或结构等重要位置进行长期的应力监测，通过应力监测数据的反馈，分析整体稳定安全，可对支护加固做出相应的调整。这样可有效防止危岩体再次活动后造成工程事故或损失。

目前，应力监测仪器的压力传感器主要有电阻式、电容式、电感式、光纤光栅等压力式传感器。电阻应变式压力传感器中的应变片的粘结决定着传感器的寿命以及性能，对粘结剂的要求非常高，如何粘结也是一大难点。电容式压力传感器通常由一个可变电极和一个固定电极组成电容器，由固定电极主要以刚性材料作为基底，这种固体电极制作的电容传感器容易在疲劳加载后发生机械破坏，尤其是电极与弹性体粘贴位置处。电感式压力传感器有着其自身的缺点，极易受到磁场的影响。光纤光栅压力传感器在其传输损耗上的分析是一大难点，此外还需要较复杂的技术和仪器设备、易受强碱的腐蚀、传感器与检测仪都价格昂贵。另外，现有压力传感器的导体材料均采用固体金属导体，易发生机械破坏。

将现有的刚性压力传感器转变为柔性传感器，可以克服刚性材料压力传感器易受到疲劳加载而产生机械破坏这一缺点。本发明以镓的液态合金和聚二甲基硅氧烷PDMS制备压力传感器，则压力传感器具有适度柔性，能避免机械破坏。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种压力传感器，它能准确测量岩土工程中的应力，且减少了传感器的机械损坏，提高了应力监测的可靠性。本发明还提供一种该压力传感器的安装机构。

为了解决上述问题，本发明提供的一种压力传感器，它包括金属外壳和PDMS芯片，PDMS芯片置于金属外壳内，金属外壳上下内壁贴紧PDMS芯片上下两表面，所述PDMS芯片内部设置有微流道，微流道内部充满液态金属，微流道的进/出液口连接有导线。

在金属外壳内部设有“T”字型压块，PDMS芯片中的微流道在其转角处留有储液槽，微流道的上层平面为受压区，储液槽位于受压区外，受压区与“T”字型压块紧密贴合。

本发明的工作原理：

压力施加到金属外壳的承压面时，其承压面将产生挠度变形，通过利用承压面中心处的最大挠度作为位移加载条件施加到PDMS芯片上，其使得受压区内的微流道是受均匀加载的，同时会使得微流道的截面变小，其电阻发生改变，其理论推导变得简单化。

承压面中心处的挠度分析可将其看成是周边固定支撑的薄板，然后在受到均布压力荷载p的作用下，对其进行挠度分析。首先建立合适的等效模型，以薄板的几何中心作为坐标原点建立空间直角坐标系，平行于薄板两边的方向为x轴和y轴方向，施加的均布载荷的方向为z轴方向。其薄板的挠度方程式为：

式(1)中，ω是薄板上任意一点的(x，y)处的挠度；D为此薄板的抗弯刚度，它与杨氏模量E、泊松比v和薄板厚度h有关，其关系式如下：

在式(1)中，利用能量法可以求解出薄板在受均匀压力负载p下的挠度解析表达式ω(x,y)，依据“Mechanics of Materials”,M.Vable,Oxford University Press，2002(材料力学，M.Vable，牛津大学出版社，2002)中的记载，薄板的挠度函数式为：

式(3)中，2a为薄板的边长，ω₀是一个常数(当a确定，可以看作是挠度最大点的值)，ω₀的推导如下：

根据弹性力学板壳理论，在小挠度条件下，薄板的形变能U为：

压力载荷p所做的功I为:

式中：ω是通过ω₀和位置信息(x，y)共同来确定的一个函数

此时，薄板总能量Π表示为：

又根据能量法可知：

式中：ω₀是最大挠度。

将式(6)代入式(7)，解得：

将式(8)代入到式(3)中，可得到金属外壳薄板的挠度表达式：

然而，对于本发明的液态金属压力传感器更加关注的是薄板中心处在均布荷载下的最大挠度，因为这决定着传感器的最大量程以及灵敏度。通过式(9)可以知道，金属外壳薄板的几何中心受压后的最大挠度可表示为：

利用此最大挠度ω_max作为PDMS芯片均匀受压的加载方式，只需得到此最大挠度与微流道截面面积变化的关系即可得到压力与电阻之间的变化关系。PDMS芯片中受压区内的微流道在没有受压作用时的初始截面面积为A₀＝b_oh_o。在受到压力作用后，微流道的截面面积A_f与最大挠度ω_max有关，通过广义胡克定律以及相关几何信息可以得到:

受压方向的应变大小为：

受压后的高度为：

受压后的截面宽度为：

截面面积A_f随挠度ω_max之间的关系式为：

式中，H为单用PDMS芯片的厚度，ν₁是PDMS的泊松比；b₀为微流道的初始宽度，h_o为微流道的初始高度。

然后，根据电阻定律得到电阻随R随挠度ω_max的变化的公式：

式中，ρ是液态金属的电阻率，L是微流通道的长度。

当本发明的液态金属压力传感器受压时，微流通道截面面积减小，电阻增加。检测液态金属压力传感器的电阻通过式(12)能够获得挠度ω_max，再通过式(10)获得相应的压力荷载p。

本发明提供的一种上述压力传感器的安装机构，包括依次层叠的底板、压力传感器、承压板、岩石压板，底板与压力传感器的背面接触，承压板与压力传感器的承力面接触，承压板外露面与岩石压板内平面之间设有楔块，底板和岩石压板的外露面与围岩侧壁完全贴合。

所述围岩为岩土钻孔，岩石压板和底板外露面为弧形。

在岩土钻孔中进行围岩应力变化监测时，孔道围岩的压力有效地作用在岩石压板和底板上，通过楔块张紧作用使安装机构与孔壁紧密贴合，保证了压力传感器所受的压力能较精准的反映孔道围岩的实际应力。由于金属外壳内部具有“T”字型压块，作用于整个金属外壳的应力均匀地作用于PDMS芯片的受压区上，导致PDMS芯片内嵌的微流孔道产生形变，通过电阻定律R＝ρL/A可以得到相应电阻值的变化。这样，通过应力—金属外壳挠度—PDMS应变—阻值变化的过程，将力学信号转化为了电学信号，实现了应力监测。

本发明具有的技术效果是：

1、本发明的压力传感器采用在PDMS芯片内部设置有微流道，微流道内部充满液态金属，压力传感器具有柔性，金属外壳或“T”字型压块作用在柔性PDMS芯片上，克服了刚性材料压力传感器易受到疲劳加载而产生机械破坏，提高了压力传感器的可靠性。

2、本发明的压力传感器输出信号与应力大小具有稳定的函数关系，由于“T”字型压块在微流道的上层平面形成受压区，实际工况中的受力情况与理论推导的力学假设相近，测量结果准确且稳定。

3、本发明的压力传感器量程较大，而且可以通过调整压力传感器量安装机构的方位，达到测量不同方向的应力，达到了测量多向应力的作用。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为图1中PDMS芯片微流道的平面示意图；

图3为在钻孔中安装本发明压力传感器的安装机构径向剖切图；

图4为在钻孔中安装本发明压力传感器的安装机构轴向示意图。

图中，1、“T”字型压块；2、金属外壳；3、PDMS芯片；4、储液槽；5、微流道；6、进/出液口；7、受压区；A、压力传感器；8、围岩；9、岩石压板.；10、承压板；11、底板；12、楔块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本申请中，为了清楚表述本发明的结构特征，使用了“上”、“下”等方位词，这些方位词是依据以上附图的方位来称谓的，在实际安装位置发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。

如图1和图2所示，本发明的压力传感器包括金属外壳2和PDMS芯片3，PDMS芯片3置于金属外壳2内，金属外壳2上下内壁贴紧PDMS芯片3上下两表面，所述PDMS芯片3内部设置有微流道5，微流道内部充满液态金属，微流道5的进/出液口6连接有导线。

在图1和图2所示的实施例中，在金属外壳2内部设有“T”字型压块1，PDMS芯片中的微流道5在其转角处留有储液槽4，微流道5的上层平面为受压区7，储液槽4位于受压区7外，受压区7与“T”字型压块1紧密贴合。

PDMS芯片3的是采用软刻光技术制作微流道5和储液槽4，储液槽4用以增加压力传感器的灵敏性。“T”字型压块为刚性的压力传递构件，用以在PDMS芯片上层形成受压区7，为储液槽4提供无压力的空间。所述金属外壳2选用弹簧钢外壳。

上述压力传感器的安装机构如图3和图4所示，包括依次层叠的底板11、压力传感器A、承压板10、岩石压板9，底板11与压力传感器A的背面接触，承压板10与压力传感器A的承力面接触，承压板10外露面与岩石压板9内平面之间设有楔块12，楔块12的张紧作用使承压板10紧密地承接岩石压板9的压力，又能实现底板11和岩石压板9的外露面与围岩8侧壁完全贴合。

所述围岩8为岩土钻孔，岩石压板9和底板11外露面为弧形。

该压力传感器安装机构的使用过程是：

首先将底板、传感器、承压板、岩石压板以及楔块在置入钻孔之前需进行层叠预安装，且楔块为松动状态。底板尾部开有与工具杆连接的端口，楔块尾部也开有与工具杆连接的端口，并预先将工具杆与两个端口连接。再将安装机构与工具杆一起置入钻孔指定位置，在孔内调整压力传感器安装机构的方向(即调整初始放置的位置)。然后对连接楔块的工具杆施加拉力，安装机构靠楔块移动张紧，使安装机构与孔壁紧密贴合。如图4所示，根据与底板连接的工具杆的尾端方位指向就确定孔内压力传感器所测量应力的方向，开始记录应力值。

本发明的压力传感器在岩土工程中的应用，通过监测到的压力传感器的电阻值的变化，并根据实验室得到的标定试验时的电阻关系曲线，对应获得压力值，可实现应力监测预警的作用。

Claims (5)

1.一种压力传感器，其特征是：包括金属外壳（2）和PDMS芯片（3），PDMS芯片（3）置于金属外壳（2）内，金属外壳（2）上下内壁贴紧PDMS芯片（3）上下两表面，所述PDMS芯片（3）内部设置有微流道（5），微流道内部充满液态金属，微流道（5）的进/出液口（6）连接有导线。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征是：在金属外壳（2）内部设有“T”字型压块（1），PDMS芯片中的微流道（5）在其转角处留有储液槽（4），微流道（5）的上层平面为受压区（7），储液槽（4）位于受压区（7）外，受压区（7）与“T”字型压块（1）紧密贴合。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征是：所述金属外壳（2）为弹簧钢外壳。

4.一种权利要求1、2或3所述压力传感器的安装机构，其特征是：包括依次层叠的底板（11）、压力传感器（A）、承压板(10)、岩石压板（9），底板（11）与压力传感器（A）的背面接触，承压板（10）与压力传感器（A）的承力面接触，承压板（10）外露面与岩石压板（9）内平面之间设有楔块（12），底板（11）和岩石压板（9）的外露面与围岩（8）侧壁完全贴合。

5.根据权利要求1所述的安装机构，其特征是：所述围岩（8）为岩土钻孔，岩石压板（9）和底板（11）外露面为弧形。

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