一种边坡模型试验的球形运动及应力监测仪器的制作方法

本发明设计露天矿边坡稳定性研究技术领域，提出了一种边坡模型试验的球形运动及应力监测仪器。

技术背景

随着露天矿开采技术的发展与成熟，露天矿矿坑深度逐渐加大。露天开采时边坡高度与坡角的增加，虽然可以减少开采时的成本，但是也要承担边坡体失稳与滑塌的风险。边坡稳定性监测可以减小边坡失稳与滑塌的风险，提高边坡的安全性，保证露天开采安全高效的进行。

露天开采中监测散体边坡的数据是一项耗费大量时间成本的事情，在实验室中，可以采用相似模拟试验来近似等价实际散体边坡的滑坡情况。在进行边坡模型试验的过程中，边坡模型内部的应力状态与岩石姿态是监测的重点，也是监测的难点。现有的设备可以实现对边坡内一点处应力进行监测，但是存在以下缺点：(1)只能对边坡内固定一点进行监测，无法在初始点产生位移时进行同步位移；(2)只能进行单一方向应力监测，无法实现对不同方向的应力进行监测；(3)无法同时记录当前一点处岩石的姿态，并且无法根据姿态进行反向推导应力方向。因此基于本专利提出了一种边坡模型试验的球形运动及应力监测仪器，对原有的边坡应力测量装置进行改进和升华。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有应力测量装置只能测量单向应力状态，并且效率低，精度差等缺点，提供一种可以测量多角度，全方位应力状态，并且可以随动测量岩石姿态的边坡模型应力测量装置。本装置具有测量精度高，测量效率高的优点可以大大降低劳动强度，提高工作效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种边坡模型试验的球形运动及应力监测仪器，包括应变片与应变记录仪，姿态传感器与微型计算机，导线管，弹性应变壳，应变片粘贴于弹性应变壳正中央，通过弹性应变壳的变形间接反应应力的大小，姿态传感器镶嵌于导线管的矩形凹槽内部，通过导线管的姿态反应目前姿态传感器的姿态。所述导线管由pvc管制成，两端有可以固定弹性应变壳的插槽，在其一端处开长方形缺口，应变片与姿态传感器的导线通过长方形缺口进入导线管之内，从导线管一端出，分别与应变记录仪与微型计算机连接，进行数据记录与存储。

所述弹性应变壳是由pvc塑料制成，形状是四分之一椭球，上下有矩形插槽，用于将弹性应变壳铰接固定于导线管上，通过记录弹性应变壳的应变数值来记录边坡内部的应力数值，可以进行拆卸与更换，导线管上安装有四片弹性应变壳，所有的弹性应变壳均贴有应变片，当某一片弹性应变壳发生损坏的时候，可以进行拆卸更换。

所述应变片采用电阻应变片，应变片的电阻值随着弹性应变壳变形而产生变化，通过电阻值与应变片形变的关系推断出当前的应变值，默认应变片与弹性应变壳的长轴方向平行，通过胶水粘贴在应变球壳上，如果需要测得不同方向上的应力，需要将应变片沿相应方向粘贴于应变片上即可，常见的可以沿径向粘贴与沿环向粘贴。

所述姿态传感器为陀螺仪姿态传感器，采用角动量守恒的理论来测量当前的姿态。姿态传感器通过胶水粘贴于导线管的矩形槽内，可以进行拆卸与更换，用来记录边坡体模型内部发生滑移或偏转的状态，并将位移或旋转的姿态信息通过姿态传感器传出到微型计算机。

所述应变记录仪为电阻式应变记录仪，其导线通过装置的导线管与装置内部的应变片进行连接，当装置内部的应变片发生弹性形变时，应变片的数据传出到应变记录仪，再由应变记录仪导出到微型计算机进行数据处理与分析。

所述微型计算机的数据线通过导线管与姿态传感器连接，同时在外部与应变记录仪进行连接，所有的测量数据均会传输到微型计算机上进行数据处理与分析。

一种边坡模型试验的球形运动及应力监测仪器在使用之前需要进行布置，布置的具体方法如下：

1.组装

在导线管1一端处存在一个矩形凹槽，将姿态传感器2涂抹匀胶水后，固定于导线管1的矩形插口上，同时将姿态传感器2的导线通过导线管1一端伸出，连接到微型计算机上，姿态记录装置组装完毕。在导线管1每一端都有四个矩形插槽，用以铰接固定四个弹性应变壳3，弹性应变壳3中间应用胶水粘贴有应变片4，可以沿各个方向粘贴。粘贴完毕后应将应变片4的导线深入导线管的矩形缺口中，从导线管1的一端伸出，从而连接应变记录仪。在安装的过程中，因为导线较多，所以需要注意不要让导线过于杂乱影响装置使用。

2.使用

使用的过程中需要将微型计算机与应变记录仪分别调试，应变记录仪需要进行归零操作，将装置置于常规状态下，然后按下应变记录仪的清零键，即可将初始应变进行调零。之后将本装置放置于边坡模型内部需要测量的位置，在实验方案预定的时间读取应变数值与姿态信息即可。

本发明的改良效果：

1.本发明增加了多方向应力测量装置，可以测量不用方向的内部应力，装置包括四个弹性应变壳，每个应变壳可以测量一个方向的应力，能够测量边坡模型内一点的四个方向的应力，弥补了之前设备只能测量单方向应力的缺陷。

2.本发明增加了姿态记录装置，可以实现对边坡内部岩石姿态的测量与记录，通过对岩石姿态的分析进一步间接分析模拟试验的规律，实现了之前设备无法进行姿态测量与记录的功能。

3.本发明数据可以全部直接导出到微型计算机，方便于之后进行数据处理与分析，可以轻松实现数据的可视化。

附图说明：

图1是本发明的导线管的结构示意图；

图2是本发明的弹性应变壳示意图；

图3是本发明的导线管与弹性应变壳的连接示意图；

图4是本发明组装完成后的示意图；

图中：1—导线管，2—姿态传感器，3—导线接口，4—弹性应变壳插槽，5—弹性应变壳，6—应变片，7—导线管插口，8—导线。

具体实施方式

本专利使用方式简单，能够较准确测量边坡模拟试验的内部应力，接下来将介绍具体使用方法。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明可以划分为应变测量装置，姿态记录装置和外部的数据处理装置。

所述姿态记录装置包括导线管1、姿态传感器2，导线接口3和弹性应变壳插槽4，所述导线管1为pvc塑料材质的空心管，姿态传感器2为高精度陀螺仪姿态传感器，姿态传感器2镶嵌于导线管1上，当装置位于边坡模型内部时，边坡模型体的滑移通过摩擦力作用带动整个装置运动或旋转，这时姿态传感器2会随着导线管1改变姿态，姿态传感器2内部的陀螺仪装置会产生电信号，通过导线传输到微型计算机进行数据处理与分析，从而分析出当前姿态记录装置随边坡体运动的姿态，包括位移与旋转的姿态信息。

所述应变记录装置包括弹性应变壳5，应变片6，导线管插口7和导线8，所述弹性应变壳5为pvc塑料材质的沿长轴切开的四分之一椭球壳，应变片6为高灵敏电阻式应变片，应变片6可以沿着各个方向粘贴于弹性应变壳上，粘贴于不同方向为测量不同方向的应变，当弹性应变壳发生弹性应变时，应变片也会随之发生应变，产生电阻变化，同时流经应变片的电流大小也会发生变化，因此可以由电流大小的出应变的数值。

所述外部的数据处理装置包括应变记录仪和微型计算机，应变记录仪通过导线管与应变片连接，微型计算机通过导线管与姿态传感器连接，并且在外部与应变记录仪连接，最终所有的数据都将汇总到微型计算机上进行处理与分析，并且可以方便的进行绘图等二次处理。

一种边坡模型试验的球形运动及应力监测仪器在使用之前需要进行布置，布置的具体方法如下：

1.组装

在导线管1一端处存在一个矩形凹槽，将姿态传感器2涂抹匀胶水后，固定于导线管1的矩形插口上，同时将姿态传感器2的导线通过导线接口3进入导线管1，并从导线管1一端伸出，连接到微型计算机上，姿态记录装置组装完毕。在导线管1每一端都有四个导线管插口7，用以铰接固定四个弹性应变壳5，弹性应变壳5中间应用胶水粘贴有应变片6，可以沿各个方向粘贴。粘贴完毕后应将应变片6的导线深入导线管的导线接口3中，从导线管1的一端伸出，从而连接应变记录仪。在安装的过程中，因为导线较多，所以需要注意不要让导线过于杂乱影响装置使用。

2.使用

使用的过程中需要将微型计算机与应变记录仪分别调试，应变记录仪需要进行归零操作，将装置置于常规状态下，然后按下应变记录仪的清零键，即可将初始应变进行调零。之后将本装置放置于边坡模型内部需要测量的位置，在实验方案预定的时间读取应变数值与姿态信息即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，如改变弹性应变壳的数量、调整导线管矩形缺口的位置等，均应包含在本发明的保护范围之内。