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在岩土工程中,压力(应力)是一个非常重要的参数,它在岩土工程计算、结构设计中是重要参考指标;同样在工程建设周期的各个环节都十分重要,例如隧道施工中的初期支护的受力状态,对于判断其稳定安全十分有帮助。正是由于压力(应力)参数对于岩土工程具有重要意义,决定了压力传感器在岩土工程中的发展。
压力传感器与电子采集、传输等设备形成的监测技术也被广泛研究并应用在各个领域。而在岩土工程中,基于压力传感器的应力监测也广泛应用在岩土工程结构受力状态监测、岩土体应力状态监测、施工过程监测、支护加固应力监测,这些应用对于研究工程的稳定安全具有重要意义。性能优越的压力传感器是为这些监测应用提供精准监测数据的基础性仪器,因此,压力传感器的研究尤为凸显。
传统压力传感器类型较多,各自工作原理互不相同,且有其自身的独特性,但传统压力传感器大多数是刚性材料制作,尤其是内部敏感元件,没有一定的柔性,多次疲劳加载后或产生较大变形后,易发生机械破坏。鉴于此,利用柔性电子研究领域中的相关研究成果,通过PDMS以及基于镓的液态合金制作具有一定柔性的液态金属压力传感器,并与数据采集、传输设备形成监测系统,去实际工程中进行远距离实时应力监测的试验。
本论文主要完成的工作有以下几个部分:
1.首先对比传统的压力传感器的工作原理,明确各自结构特点;并选择合适的金属外壳材料以及制作柔性敏感元件的材料。其次,确定电阻式压力传感器的基本原理作为液态金属压力传感器的基本工作原理,该工作原理简单可行,检测设备易取。然后介绍压力传感器中的重复性、迟滞、基本误差等关键技术指标的计算方法。最后介绍制作液态金属压力传感器的所需要的制作工艺技术。
2.对液态金属压力传感器进行设计,其中包括有金属外壳的设计和两种敏感元件(单用压力PDMS芯片以及多用途PDMS芯片)的设计;并对金属外壳在受压作用下的挠度进行理论分析,详细介绍两种PDMS芯片的制作过程;还分析两种PDMS芯片在受到压力作用时电阻的变化进行理论推导,以及还推导了多用途PDMS芯片在受拉伸作用下的电容的变化。
3.进行标定实验,包括两种PDMS芯片制作的压力传感器的标定,以及多用途PDMS芯片受到拉伸、受到弯曲时的标定实验。首先介绍实验所需仪器;其次是进行标定数据拟合,其中,将一元非线性问题转化成多元线性问题进行分析减少了数据处理的工作量。此外,还对两种PDMS芯片所做得不同实验的结果进行了分析。
4.利用液态金属压力传感器与采集、传输设备形成岩土工程应力监测系统,并进行工程实际应力监测的试验。首先介绍该应力监测系统的组成以及性能;其次是液态金属压力传感器的实际应用操作;然后在实际的隧道工程中进行了围岩与喷射混凝土之间的接触应力的监测试验,并分析其监测结果,对试验中遇到的问题和不足提出改进措施。
通过对液态金属压力传感器的设计制作、标定,并与采集、传输设备形成应力监测系统,并在实际工程中进行了应力监测的试验,这为后续研究发展提供宝贵经验。
压力传感器与电子采集、传输等设备形成的监测技术也被广泛研究并应用在各个领域。而在岩土工程中,基于压力传感器的应力监测也广泛应用在岩土工程结构受力状态监测、岩土体应力状态监测、施工过程监测、支护加固应力监测,这些应用对于研究工程的稳定安全具有重要意义。性能优越的压力传感器是为这些监测应用提供精准监测数据的基础性仪器,因此,压力传感器的研究尤为凸显。
传统压力传感器类型较多,各自工作原理互不相同,且有其自身的独特性,但传统压力传感器大多数是刚性材料制作,尤其是内部敏感元件,没有一定的柔性,多次疲劳加载后或产生较大变形后,易发生机械破坏。鉴于此,利用柔性电子研究领域中的相关研究成果,通过PDMS以及基于镓的液态合金制作具有一定柔性的液态金属压力传感器,并与数据采集、传输设备形成监测系统,去实际工程中进行远距离实时应力监测的试验。
本论文主要完成的工作有以下几个部分:
1.首先对比传统的压力传感器的工作原理,明确各自结构特点;并选择合适的金属外壳材料以及制作柔性敏感元件的材料。其次,确定电阻式压力传感器的基本原理作为液态金属压力传感器的基本工作原理,该工作原理简单可行,检测设备易取。然后介绍压力传感器中的重复性、迟滞、基本误差等关键技术指标的计算方法。最后介绍制作液态金属压力传感器的所需要的制作工艺技术。
2.对液态金属压力传感器进行设计,其中包括有金属外壳的设计和两种敏感元件(单用压力PDMS芯片以及多用途PDMS芯片)的设计;并对金属外壳在受压作用下的挠度进行理论分析,详细介绍两种PDMS芯片的制作过程;还分析两种PDMS芯片在受到压力作用时电阻的变化进行理论推导,以及还推导了多用途PDMS芯片在受拉伸作用下的电容的变化。
3.进行标定实验,包括两种PDMS芯片制作的压力传感器的标定,以及多用途PDMS芯片受到拉伸、受到弯曲时的标定实验。首先介绍实验所需仪器;其次是进行标定数据拟合,其中,将一元非线性问题转化成多元线性问题进行分析减少了数据处理的工作量。此外,还对两种PDMS芯片所做得不同实验的结果进行了分析。
4.利用液态金属压力传感器与采集、传输设备形成岩土工程应力监测系统,并进行工程实际应力监测的试验。首先介绍该应力监测系统的组成以及性能;其次是液态金属压力传感器的实际应用操作;然后在实际的隧道工程中进行了围岩与喷射混凝土之间的接触应力的监测试验,并分析其监测结果,对试验中遇到的问题和不足提出改进措施。
通过对液态金属压力传感器的设计制作、标定,并与采集、传输设备形成应力监测系统,并在实际工程中进行了应力监测的试验,这为后续研究发展提供宝贵经验。