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专利名称：土层应力-应变观测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量装置，特别涉及一种土层应力-应变观测装置。
背景技术：
目前有一种TC-4型钻孔式土层应力仪，以一个长的不锈钢圆筒作为弹性元件，俗称为 探头，埋设于数米或数十米深的土层内，土层的应变或应力状态的变化，会使弹性筒的面 积或形状发生变化，内壁的应变状态也会相应变化。针对TC-4型钻孔式四分量土层应力仪 所采用的电阻电桥方式，如果传感器达到应力灵敏度lhPa(O.l毫巴)，那么在电桥输出的 放大倍数必须达到20倍，同时传感器的量程也就减少20倍。如果传感器的工作点出了量 程，需要重新安装，或采用降低仪器灵敏度获得大的量程方式。现有技术中还没有一种既 能实现大量程，又具有高分辨率的土层应力-应变观测装置。
发明内容
本实用新型为了解决现有技术中存在的不足，提供了一种具有大量程和高分辨率的土 层应力-应变观测装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是 一种土层应力-应变观测装置，包括 安装在不锈钢圆筒内的4组应变片，还包括与每组应变片相连的电路板，所述的电路板上 设有信号变换电路，并采用低功耗单片机作为控制器用来控制整体系统，所述的信号变换 电路采用应变片作为电桥的两个桥臂，数字电位器作为电桥的另外两个桥臂，所述的应变 片与数字电位器组成一个完整的双臂电桥，所述的电桥输出端与数据转换芯片输入端相连， 所述的低功耗单片机控制调节数字电位器的中间抽头的位置使电桥的输出控制在一定范围
之内，所述的低功耗单片机的TX， RX信号通过芯片MAX3221进行电平转换变为RS-232 信号，与上位机通信。
所述的低功耗单片机为MSP430F2274单片机。
所述的数据转换芯片为ADS1243芯片。所述的数字电位器为MAX5481数字电位器。 所述的数字电位器与数据转换芯片采用SPI接口进行通信。
与现有技术相比，本实用新型采用数字电位器作为电桥的两个桥臂，和应变片电阻的 两个桥臂组成一个双臂电桥，将电桥的输出作为放大器的输入的信号进行放大，通过调整
数字电位器中间抽头的位置而使电桥输出信号放大128倍而不失真，达到既能保证土层应 变传感器的灵敏度，又具有大的量程，并且能够自动调节，具有高精度，低功耗，数字输 出，采样率高的优点，效果对于地震前兆观测中要求的长期连续的信号非常有益。可应用 于地震前兆观测中的土层、钻孔应变-应力等观测中。


图1为本实用新型的结构示意图;
图2为图1的A-A剖视图3为本实用新型的一部分电路原理图4为本实用新型的另一部分电路原理图。
图中1.皮青铜片，2.峰变片，3.电路板，4.不锈钢圆筒。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
参见图1和图2，分别粘贴有应变片2的四个皮青铜片1安装在不锈钢圆筒4的内部， 相互成45度角，测量4个直径方向的变化。每个应变片2通过3条线与电路板3连接，其 中两条为电源线， 一条为信号线。
参见图3，插头Jl-J4接插件的2脚接应变片电阻的输出；MAX5481为数字电位器 (U1-U4)，用了4个，电位器的两端接电源和地，中间抽头的信号通过滤波后接ADS1243(U5: 的放大器输入端；ADS1243为模拟到数字转换芯片，该芯片有8路输入信号，两个一组组 成差分信号进行放大，放大倍数1-128倍；其中4个接Jl-J4的2脚；其他4个接MAX5481 数字电位器输出信号；Din和SCLK为SPI总线，RC—Sl， RC—S2， RC_S3， RC—S4， CS—AD 为片选信号，均由MSP430F2274(U6)产生，控制。
参见图4， U6为MSP430F2274单片机，系统均由它控制；U8为MAX3221芯片，主 要是电平转换，产生RS-232C信号；J6,J7为接插件，做程序编程用。
本实用新型的工作原理4个应变片能够分别感受弹性筒内部不同方向的应变状态。当土层的内的应变状态或应 力状态随时间而变化时，4组应变片的电阻值也随之变化。由此可以通过弹性力学的有关公 式，由4个元件的测值变化，通过联立方程式计算出土层内的应变状态或应力状态的相对 变化(最大主应力，最小主应力，最大主应力的方位角，三个未知数)。
四个应变片电阻数值约为1000欧姆，有两个片子沿着弹性筒的圆周方向，作为"工作 片"，它的电阻数值是随着外界压力的变化而变化的；另外的两个片子则是沿着直径的方向 粘贴，它与外界压力基本无关；它的电阻数值是基本不变的，只是对于温度敏感，以抵消 工作片的温度效应，称其为"补偿片"。电路板上设有信号变换电路，信号变换电路采用数 字电位器MAX5481作为电桥的两个桥臂，MAX5481加有3.3伏电压，电桥输出作为AD 转换器(ADS1243)输入，利用数据转换芯片ADS1243的内部差动放大电路(放大倍数1-128 倍)对应变信号进行放大，信号放大后进行摸数转换，电路中采用了低功耗单片机 MSP430F2274作为控制器，采用SPI接口与数字电位器MAX5481及ADS1243进行通信， MSP430F2274输出通过MAX3221进行电平转换变为RS-232信号输出，与上位机通信，整 个电路为3.3伏供电。如果应变信号变化量大，MSP430F2274通过SPI 口调整数字电位器 的中间抽头来调整电位器的输出，使应变信号在放大器的工作范围之内。该装置一方面可 以保持大的工作范围(量程不李)；另一方面可以保证高的放大倍数而信号不限幅，保证了 应变信号测量的分辨率。传感器的测量最后由RS-232C传输到上位机存储，和上位机实现 对传感器的通信。
以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式
的一种，本领域的技术人 员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围 内。
权利要求1、一种土层应力-应变观测装置，包括安装在不锈钢圆筒内的4组应变片，其特征在于，还包括与每组应变片相连的电路板，所述的电路板上设有信号变换电路，并采用低功耗单片机作为控制器用来控制整体系统，所述的信号变换电路采用应变片作为电桥的两个桥臂，数字电位器作为电桥的另外两个桥臂，所述的应变片与数字电位器组成一个完整的双臂电桥，所述的电桥两个输出端与数据转换芯片输入端相连，所述的低功耗单片机控制调节数字电位器的中间抽头的位置使电桥的输出控制在一定范围之内，所述的低功耗单片机的TX，RX信号通过芯片MAX3221进行电平转换变为RS-232信号，与上位机通信。
2、 根据权利要求1所述的土层应力-应变观测装置，其特征在于，所述的低功耗单片 机为MSP430F2274单片机。
3、 根据权利要求1所述的土层应力-应变观测装置，其特征在于，所述的数据转换芯 片为ADS1243芯片。
4、 根据权利要求1所述的土层应力-应变观测装置，其特征在于，所述的数字电位器 为MAX5481数字电位器。
5、 根据权利要求l至4任一项所述的土层应力-应变观测装置，其特征在于，所述的 数字电位器与数据转换芯片采用SPI接口进行通信。
专利摘要本实用新型公开了一种土层应力-应变观测装置，包括用来测量四个方向的变化4组应变片和电路板，电路板上设有信号变换电路，并采用低功耗单片机作为控制器用来控制整体系统，信号变换电路采用应变片作为电桥的两个桥臂，数字电位器作为电桥的另外二个桥臂，应变片与数字电位器组成一个双臂电桥，电桥的两个输出端与数据转换芯片输入端相连，低功耗单片机控制调节数字电位器的中间抽头的位置使电桥的输出控制在一定范围之内，低功耗单片机的Rx，TX信号通过芯片MAX3221进行电平转换为RS-232信号，与上位机通信；本实用新型既具有大的量程又具有高的分辨率，而且低功耗，可应用于地震前兆观测中的土层、钻孔应变-应力等观测中。
文档编号G01L1/20GK201327381SQ20082012477
公开日2009年10月14日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者李海亮 申请人:李海亮