十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 表1.2应变轴式土压力传感器同类产品对比表 、比较因素精准度 测试 可操作性 环境效益 价格 测试仪器 内部为液体 原位 需辅以纵向土压传压介质为液 1000元到 介质，故受温 应力铲 力值检测仪，过体，主要有硅油、2000元 度影响较大 程较繁琐 水银，对环境污 染很大 静止土压力系数 由于土为重 室内 钻探取土，运土 室内检测，对环3000元左 塑土，故难以 装土一系列过程境影向较小 石 测试仪 获得准确值 较为复杂 电桥温度自 原位装置简单，且可不含或极少含有400元左右 应变轴式侧压力 补偿，避免了 直接获取侧压力重金属材料， 系数 温度影 系数，操作性强 合“低碳 色”的环保理念 从上表中不难发现，应变轴式土压力测试仪有者更高的性价比，同时性能更 加优异，稳定性更好，准确度更高。 1.5技术关键与指标 (1)技术关键 1)应变轴式土压力传感器筒身刚度选取尽量与所测土体刚度相匹配，且与弹性 轴刚度相差得当： 2)应变梁式土压力传感器盖板刚度选取尽量与所测土体刚度相匹配，并且不能 过小： 3)应变梁式土压力传感器密封圈材料选取应与量程相匹配，同时防止传感器受 瞬时土压力过大而损坏： 4)两种土压力传感器均使用十字型轴（梁），增加传感器稳定性： 5)传感器均基于电阻应变片，能对快速变化的动荷载作出及时响应： 6)无线传输系统对电磁波等外界信号做出有效处理后，实时监测系统用统计学 的方法对数据做进一步处理，确保监测准确性
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 11 表 1. 2 应变轴式土压力传感器同类产品对比表 比较因素 测试仪器 精准度 测试 方法 可操作性 环境效益 价格 应力铲 内部为液体 介质，故受温 度影响较大 原位 需辅以纵向土压 力值检测仪，过 程较繁琐 传压介质为液 体，主要有硅油、 水银，对环境污 染很大 1000 元到 2000 元 静止土压力系数 测试仪 由于土为重 塑土，故难以 获得准确值 室内 钻探取土，运土 装土一系列过程 较为复杂 室内检测，对环 境影响较小 3000 元左 右 应变轴式侧压力 系数 电桥温度自 补偿，避免了 温度影响 原位 装置简单，且可 直接获取侧压力 系数，操作性强 不含或极少含有 重金属材料，符 合“低碳”，“绿 色”的环保理念 400 元左右 从上表中不难发现，应变轴式土压力测试仪有着更高的性价比，同时性能更 加优异，稳定性更好，准确度更高。 1.5 技术关键与指标 （1）技术关键 1) 应变轴式土压力传感器筒身刚度选取尽量与所测土体刚度相匹配，且与弹性 轴刚度相差得当； 2) 应变梁式土压力传感器盖板刚度选取尽量与所测土体刚度相匹配，并且不能 过小； 3) 应变梁式土压力传感器密封圈材料选取应与量程相匹配，同时防止传感器受 瞬时土压力过大而损坏； 4) 两种土压力传感器均使用十字型轴（梁），增加传感器稳定性； 5) 传感器均基于电阻应变片，能对快速变化的动荷载作出及时响应； 6) 无线传输系统对电磁波等外界信号做出有效处理后，实时监测系统用统计学 的方法对数据做进一步处理，确保监测准确性
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 (2)技术指标 应变轴式土压力 传感器 实用型 外盒规格 直径100mm:高度45m 应变轴规格 长度96m:最大直径10m:最小直径5m:材料：钢 外盒规格 直径31m:高度11m: 1号应恋却格，21m×7mm×1m材料.制 2号应变梁规格 :21m×7m×1材料：铝 实验型 应变梁规格 3号应变梁规格：21m×7mm×2m材料：钢 4号应变梁规格：21m×7mm×2m材料：铝 5号应变梁规格：21m×7mm×3m材料：钢 6号应弯梁规格：21m×7mm×3m材料：铝 应变梁式土压力 外盒规格 直径104m:高度45a 传感器 应变梁规格 100mm×10m×5mm材料：钢 可达量程 0 1MPA-10MPA 可达精度 (=0.08%F.S 实用型 -0.0779△ +0.0539 (其中所得F单位为N,△U单位为) 静态标定公式 AU=U-U。 U,为未加荷时的电压值 U为加荷后的电压值 工作频率 433M五 工作距离 空旷地200^300米（经过两层混凝土可达100米左右） 工作电压 1g36V 无线通信模块 收发转换时间 <650微秒 NRF905 最大发射功率 无线传输系统 接收灵敏度 -100dBm 与单片机连接接 供电电压 4.0^5.25 程序下载接口 USB 控制模块 SPI c8051f320 NRF连接接口 并行AD转换位数 106it
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 12 （2）技术指标 应变轴式土压力 传感器 实用型 外盒规格 直径 100mm；高度 45mm 应变轴规格 长度 96mm；最大直径 10mm；最小直径 5mm；材料：钢 应变梁式土压力 传感器 实验型 外盒规格 直径 31mm；高度 11mm; 应变梁规格 1 号应变梁规格：21mm×7mm×1mm 材料：钢 2 号应变梁规格：21mm×7mm×1mm 材料：铝 3 号应变梁规格：21mm×7mm×2mm 材料：钢 4 号应变梁规格：21mm×7mm×2mm 材料：铝 5 号应变梁规格：21mm×7mm×3mm 材料：钢 6 号应变梁规格：21mm×7mm×3mm 材料：铝 实用型 外盒规格 直径 104mm；高度 45mm 应变梁规格 100mm×10mm×5mm 材料：钢 可达量程 0.1MPA-10MPA 可达精度 <=0.08%F.S 静态标定公式 F = -0.0779△U + 0.0539 (其中所得 F 单位为 N，△U 单位为 mV) ΔU = U − 𝑈0 𝑈0为未加荷时的电压值 U为加荷后的电压值 无线传输系统 无线通信模块 NRF905 工作频率 433MHz 工作距离 空旷地 200~300 米（经过两层混凝土可达 100 米左右） 工作电压 1.9~3.6V 收发转换时间 <650 微秒 最大发射功率 10mW 接收灵敏度 -100dBm 与单片机连接接口 SPI 控制模块 c8051f320 供电电压 4.0~5.25V 程序下载接口 USB NRF 连接接口 SPI 并行 A/D 转换位数 10bit
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 1.6技术特点与优势 产品由不同专业本科生一起自主研发设计，属于交叉学科创新性技术： 土压力传感器方面将电阻应变片与十字型轴（梁）进行有机结合，并创新性 地开发传力系统，尽最大可能排除土体刚度对测试精度的影响，也实现了对竖向 以及纵向土压力同步测量的技术，能在原位不断实时监测侧向土压力系数的变化 情况。因此，与传统土压力传感器相比准确度更高，能对快速变化的动态荷载进 行及时响应。 除此之外，又将土压力测试技术与无线传输监测技术相结合，构成土压力实 时监测系统，去除工地上绕线复杂的现象，使监测更加方便、安全、准确。 1.7市场前景分析 全国建筑监测企业中所使用的土压力盒均存在存活率低、反应滞后、灵敏度 低的现象，有15%左右是20世纪90年代前后的产品，有60%是21世纪初左右的 产品，它们更新换代的过程又是一个需求释放的过程，将会保证未来10年甚至 更长一段时间中国建筑测试设备市场的快速增长。 同时现在市场上的土压力传感器均无法对快速变化的动态荷载作出及时响 应，也很少有成套的土压力实时监测系统，因此十字型应变式动态土压力无线实 时监测系统有着巨大的市场容量，具有客观的市场前景与市场效益。 应变梁式土压力传感器结构简单，所需零件易得，生产过程方便，大大减少 了制造成本，从而最终降低建筑成本，为企业带来更大的利润。此外，应变梁式 土压力传感器的高精度、高灵敏度的特性在提高挡土墙和其他地下工程的建设设 计的同时，将极大减少工程建设事故的发生几率，减少豆腐渣工程的发生，从而 提高工程建设的效率，降低建筑公司的事故赔偿费用。 另外，整套监测系统能对冲击荷载作出准确测量，可与相关国防项目结合用 于监测爆炸荷载，可有效用于防灾工程，有助于减少地质灾害所造成的经济损失。 主要适用工程： 尾矿库实时监测、边坡实时监测、桥梁实时监测、基坑实时监测、隧道实时 监测、水利大坝实时监测、管道实时监测、路基实时监测：
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 13 1.6 技术特点与优势 产品由不同专业本科生一起自主研发设计，属于交叉学科创新性技术： 土压力传感器方面将电阻应变片与十字型轴（梁）进行有机结合，并创新性 地开发传力系统，尽最大可能排除土体刚度对测试精度的影响，也实现了对竖向 以及纵向土压力同步测量的技术，能在原位不断实时监测侧向土压力系数的变化 情况。因此，与传统土压力传感器相比准确度更高，能对快速变化的动态荷载进 行及时响应。 除此之外，又将土压力测试技术与无线传输监测技术相结合，构成土压力实 时监测系统，去除工地上绕线复杂的现象，使监测更加方便、安全、准确。 1.7 市场前景分析 全国建筑监测企业中所使用的土压力盒均存在存活率低、反应滞后、灵敏度 低的现象，有 15%左右是 20 世纪 90 年代前后的产品，有 60%是 21 世纪初左右的 产品，它们更新换代的过程又是一个需求释放的过程，将会保证未来 10 年甚至 更长一段时间中国建筑测试设备市场的快速增长。 同时现在市场上的土压力传感器均无法对快速变化的动态荷载作出及时响 应，也很少有成套的土压力实时监测系统，因此十字型应变式动态土压力无线实 时监测系统有着巨大的市场容量，具有客观的市场前景与市场效益。 应变梁式土压力传感器结构简单，所需零件易得，生产过程方便，大大减少 了制造成本，从而最终降低建筑成本，为企业带来更大的利润。此外，应变梁式 土压力传感器的高精度、高灵敏度的特性在提高挡土墙和其他地下工程的建设设 计的同时，将极大减少工程建设事故的发生几率，减少豆腐渣工程的发生，从而 提高工程建设的效率，降低建筑公司的事故赔偿费用。 另外，整套监测系统能对冲击荷载作出准确测量，可与相关国防项目结合用 于监测爆炸荷载，可有效用于防灾工程，有助于减少地质灾害所造成的经济损失。 主要适用工程： 尾矿库实时监测、边坡实时监测、桥梁实时监测、基坑实时监测、隧道实时 监测、水利大坝实时监测、管道实时监测、路基实时监测；
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 1.8工程使用说明 监控中心实时监测系统 采样控制 数据反馈 地铁隧道 桥梁路面 环山公路 图1.4作品工程应用原理图 将土压力传感器按要求（测量方向方位等）埋置在土体中，用 四芯接头将其与数据采集发送模块连接；将多个土压力传感器连接 到同一个数据发送中心后，按下工作开关即开始受监测中心控制 监测中心按要求开始或者停止采样，并观察不同荷载情况下土压力 值和侧向土压力系数的变化曲线；土压力值或侧向土压力系数超过 预先设定的临界值后会发出警报，提醒工作人员作出相应措施。 14
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 14 1.8 工程使用说明 将土压力传感器按要求（测量方向方位等）埋置在土体中，用 四芯接头将其与数据采集发送模块连接；将多个土压力传感器连接 到同一个数据发送中心后，按下工作开关即开始受监测中心控制； 监测中心按要求开始或者停止采样，并观察不同荷载情况下土压力 值和侧向土压力系数的变化曲线；土压力值或侧向土压力系数超过 预先设定的临界值后会发出警报，提醒工作人员作出相应措施。 图 1. 4 作品工程应用原理图 采样控制 数据反馈
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 1.9相关名词解释 两个物体相碰撞不会发生变形，刚性物质坚硬比较脆，文中主要指固 刚性 体类物质。 工作特性介于刚性、柔性之间，如石灰或水泥加固土、石灰多合士等， 半刚性 文中提到土体具有半刚性，因为土体刚性受温度、湿度等因素影响大，所 以经常具有半刚性。 柔性 与刚性相对，文中主要以水为例子当成柔性介质 文中又名土压力计、土压力传感器、土压力测试仪，主要用于直接或 土压力盒 间接测量土体内部压力值。 文中又名振弦式，在不同的压力下，钢线振动频率不同，可根据具体 钢弦式 公式由所测频率计算出响应压力值。 文中又名应变膜式，在不同压力下，应变膜产生变形，从变形计算出 承压膜式 压力值。 弹性轴 文中又名应变轴，在轴向压力作用下会产生相应的拉压变形 弹性梁 文中又名应变梁，在横向压力作用下会产生相应的弯曲变形。 文中又名应变片，由敏感栅等构成用于测量应变的元件，能将机械构 电阻应变片 件上应变的变化转换为电阻变化。 文中又名惠斯通电桥，英文名称：Wheatstone bridge,测量电阻值 惠斯顿电桥的一种四臂电桥，被测电阻为一个臂，其余三个臂是已知标准电阻，其中 至少有一个臂是可调的。 当输入端无信号时，输出端的电压偏离初始值而上下漂动的现象。零 漂是由于温度的变化、电源电压的不稳定等原因造成的
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品摘要 15 1.9 相关名词解释 刚性 两个物体相碰撞不会发生变形，刚性物质坚硬比较脆，文中主要指固 体类物质。 半刚性 工作特性介于刚性、柔性之间，如石灰或水泥加固土、石灰多合土等， 文中提到土体具有半刚性，因为土体刚性受温度、湿度等因素影响大，所 以经常具有半刚性。 柔性 与刚性相对，文中主要以水为例子当成柔性介质 土压力盒 文中又名土压力计、土压力传感器、土压力测试仪，主要用于直接或 间接测量土体内部压力值。 钢弦式 文中又名振弦式，在不同的压力下，钢线振动频率不同，可根据具体 公式由所测频率计算出响应压力值。 承压膜式 文中又名应变膜式，在不同压力下，应变膜产生变形，从变形计算出 压力值。 弹性轴 文中又名应变轴，在轴向压力作用下会产生相应的拉压变形。 弹性梁 文中又名应变梁，在横向压力作用下会产生相应的弯曲变形。 电阻应变片 文中又名应变片，由敏感栅等构成用于测量应变的元件，能将机械构 件上应变的变化转换为电阻变化。 惠斯顿电桥 文中又名惠斯通电桥，英文名称：Wheatstone bridge，测量电阻值 的一种四臂电桥，被测电阻为一个臂，其余三个臂是已知标准电阻，其中 至少有一个臂是可调的。 零漂 当输入端无信号时，输出端的电压偏离初始值而上下漂动的现象。零 漂是由于温度的变化、电源电压的不稳定等原因造成的