一种小型旋转水槽制备泥石流的正应力测定装置 |
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| 申请号 | CN201710454332.0 | 申请日 | 2017-06-09 | 公开(公告)号 | CN107131980A | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 邓检良; 李花山; 朱昱琛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种小型旋转 水 槽制备泥石流的正应 力 测定装置，包括称重 传感器 、 支架 、 薄膜 、空心导电滑环和 数据采集 仪。在呈圆环状旋转水槽的周边中心处开有比 垫 块 尺寸大的测试孔，由大于测试孔面积的薄膜 覆盖 ，薄膜的周圈与旋转水槽内壁粘接密封；在测试孔内置入垫块，垫块固定于呈长条形称重传感器的测量端，称重传感器的长度方向与所述旋转水槽的轴线一致；测试孔的外部设置U形支架，U形支架的两竖边上端固定于旋转水槽圆环面； 导线 穿过空心导电滑环与外部的数据采集仪连接。本发明即实现了密封，又避免了附加力，实现旋转水槽的低正 应力 (不足5kPa)测定，具有测量 精度 高，密封稳定可靠，体积小、结构简单、制作方便、成本较低等特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种小型旋转水槽制备泥石流的正应力测定装置，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种小型旋转水槽制备泥石流的正应力测定装置技术领域背景技术[0002] 小型旋转水槽(旋转水槽直径0.5m以下)可用于制作泥石流。在泥石流底部与旋转水槽槽底接触的地方，由于泥石流对槽底的作用，会产生一定的正应力。该正应力与泥石流的侵蚀效应和冲击效应密切相关，是一个重要的物理参数。 [0003] 小型旋转水槽具有结构简单、制作方便、成本较低的特点，但正是由于其尺寸小、槽内正应力低，导致其正应力的测定装置具有一定的特殊性，目前还没有针对此正应力的测定装置。 [0004] 类似的正应力测定装置是国外针对大型旋转水槽(旋转水槽直径2.5m)的正应力测定装置，但由于其构造复杂、体积大，不宜安装在小型旋转水槽上，尤其是位于槽底的称重传感器传力部件垫块穿过旋转水槽壁上孔，采用胶体或油脂使孔周圈的空隙密封，会产生一个附加力作用在传感器上，导致测量精度下降。 [0005] 对于小型旋转水槽，由于正应力本来就小(不足5kPa)，这个新增的附加力作用在传感器上，导致正应力根本测不准。 [0006] 目前国内的小型旋转水槽装置目前还没有配备正应力的测定装置。 发明内容[0007] 本发明需要解决的技术问题是：针对现有的制作泥石流的小型旋转水槽实验装置(旋转水槽直径0.5m以下)，目前还没有正应力测定装置的报道；小型旋转水槽底部正应力低(不足5kPa)，要求正应力测量精度高，且用于密封的材料或装置不可对正应力测定产生任何干扰；正应力测定传感器体积必须小，且需要牢固固定在旋转水槽上；旋转水槽的旋转导致正应力测定传感器不可与数据采集仪直接连接。 [0008] 本发明采取以下技术方案： [0010] 在呈圆环状旋转水槽的周边中心处开有比垫块尺寸大的测试孔，由大于测试孔面积的薄膜覆盖，薄膜的周圈与圆环状旋转水槽内壁粘接密封。 [0011] 在所述测试孔内置入垫块且不接触测试孔，垫块固定于呈长条形称重传感器的测量端，称重传感器的长度方向与所述圆环状旋转水槽的轴线一致。 [0012] 位于所述测试孔的外部设置U形支架，U形支架的两竖边上端固定于测试孔的周向两侧的旋转水槽圆环面，U形支架的下底面向圆环状旋转水槽的轴向延长，在延长面上通过垫片与所述称重传感器另一端固定端相固定。 [0013] 所述称重传感器的导线穿过空心导电滑环与外部的数据采集仪连接。 [0014] 进一步的，所述称重传感器含有传力部件垫块，垫块通过粘接或螺栓连接在称重传感器测量端上。称重传感器推荐量程为0～150gf，推荐尺寸为41mm×7mm×5mm(长×宽×厚)。 [0015] 进一步的，由于旋转水槽中有水，所以必须密封，所述密封薄膜尺寸大于圆环状旋转水槽壁上方形孔，覆盖垫块，并且薄膜的底面与垫块的上表面接触，薄膜的周圈与圆环状旋转水槽内壁硅胶粘接密封；薄膜柔性大，厚度不大于0.1mm，其对正应力测量值的影响可以忽略不计，即实现了密封，又避免了大型水槽的密封方法称重传感器传力部件垫块与旋转水槽的胶体或油脂密封引起的附加力。 [0016] 进一步的，所述U形支架的下底面向旋转水槽的轴向延长的长度与称重传感器的长度相应，螺栓穿过U形支架的下底面延长部位、垫片、称重传感器固定端将三者固定，所述U形支架两端沿旋转水槽切线方向延长部位与旋转水槽圆环面硅胶粘接固定。 [0017] 进一步的，采用空心导电滑环的信号传递方式。传感器所在的旋转水槽处于旋转运动状态，要将此信号传到与计算机相连的数据采集仪，可以采用有线或者无线的方式。无线的信号传递方式，需要的设备复杂、体积大，造价高，不便于小型旋转水槽设备使用。该发明采用称重传感器导线穿过空心导电滑环与数据采集仪连接，空心导电滑环解决称重传感器导线随旋转水槽旋转的线绕问题，将电信号从与旋转水槽一起旋转的传感器传导到固定于实验台面的数据采集仪。其附加的噪音对于测量精度的影响属于可以接受的范围；推荐空心导电滑环为8线。空心导电滑环设备简单、体积小、造价低，而且信号经过空心导电滑环后的噪音强度可控制在一定范围，满足测量精度要求。 [0018] 进一步的，数据采集仪为称重传感器供电，同时将称重传感器的电信号转化为计算机可接受的信号。 [0019] 本发明的有益效果在于： [0020] 1)测量精度能满足研究的需要(不足5kPa)，可以排除胶粘等附加外力的影响，选用适当的传感器(精度0.1％)，测量误差小于10Pa。 [0021] 2)结构简单，制作方便，成本较低。 [0022] 3)称重传感器和支架体积完全适合小型旋转水槽使用。 [0024] 图1是本发明的正应力测定装置的整体结构示意图。 [0025] 图2是本发明的正应力测定装置的局部结构主视图。 [0026] 图3是本发明的正应力测定装置的局部结构左视图。 具体实施方式[0028] 下面结合附图对本发明进一步说明。 [0029] 参见图1，一种小型旋转水槽制备泥石流的正应力测定装置，包括包括称重传感器2、支架5、薄膜4、空心导电滑环7和数据采集仪9。 [0030] 旋转水槽1为圆环状，材质为有机玻璃，前后盖与环状旋转水槽壁之间硅胶密封。传动轴11上安装有背景盘14、轴承12、电机13。 [0031] 在呈圆环状旋转水槽1的周边中心处开有比垫块3尺寸大的测试孔，由大于测试孔面积的薄膜覆盖4，薄膜4的周圈与圆环状旋转水槽1内壁粘接密封。 [0032] 在所述测试孔内置入垫块3且不接触测试孔，垫块3固定于呈长条形称重传感器2的测量端，称重传感器2的长度方向与所述圆环状旋转水槽1的轴线一致。 [0033] 参见图2，位于所述测试孔的外部设置U形支架5，U形支架5的两竖边上端固定于测试孔的周向两侧的旋转水槽1圆环面，粘接面积大，使得支架与旋转水槽外表面之间的相对位移极小，有利于U形支架5的稳定性。U形支架5的下底面向圆环状旋转水槽1的轴向延长，在延长面上通过垫片与所述称重传感器2另一端固定端相固定。 [0034] 所述称重传感器2的导线8穿过空心导电滑环7与外部的数据采集仪9连接。 [0035] 参见图3，所述称重传感器2为条状、中间有两小孔，悬臂梁结构，含有传力部件垫块3和导线8，称重传感器2固定端与支架中间有垫片，使称重传感器悬空，形成悬壁梁测量结构。称重传感器推荐量程为0～150gf，推荐尺寸为41mm×7mm×5mm(长×宽×厚)。垫块可粘接或螺栓连接在称重传感器上，材料可以是硬塑，垫块的尺寸为15mm×10mm×7mm(长×宽×厚)。 [0036] 参见图2，薄膜4尺寸大于旋转水槽1壁上方形孔，薄膜4的周圈与旋转水槽内壁硅胶粘接密封。薄膜1柔性大，其对正应力测量值的影响可以忽略不计；厚度不大于0.1mm，厚度小，其对泥石流运动产生的影响可以忽略不计。薄膜即实现了密封，又避免了大型水槽的密封方法称重传感器传力部件垫块与旋转水槽的胶体或油脂密封密封引起的附加力。 [0037] 参见图1，所述空心导电滑环7至少需要具有4线，推荐8线。 [0038] 参见图1，所述数据采集仪9推荐具有2通道以上，具有放大器功能和对传感器供电功能。 [0039] 参见图1，所述计算机10推荐具有实时显示功能。 [0040] 参见图1，原理说明：称重传感器2测得的力由两部分组成，一部分是称重传感器2端部的重力及其离心力，另外一部分是泥石流对称重传感器2垫块3(端面尺寸15mm×10mm)的压力。前者可以通过标定剔除掉，就得到后者，即垫块3压力。考虑到垫块3的端面尺寸小，在计算中认为正应力是均布于整个端面，因此将端面压力除以端面面积，就得到端面上的正应力，即泥石流在对槽底的正应力。 |
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