一种梯度模量镍钛合金微型土压力盒及数据处理方法

本发明涉及岩土工程监测领域，具体涉及一种梯度模量镍钛合金微型土压力盒及数据处理方法。

背景技术：

1、土压力盒在岩土工程领域用于监测土体内部应力的变化，目前常用的土压力盒主要分为不锈钢应变式与普通钛合金应变式两大类，但在实际应用中存在土拱效应严重、测量精度低、温度漂移大、抗疲劳性能差、耐腐蚀能力弱、无法重复复用等缺点。

2、目前常用的土压力盒一般整体采用单一金属材料，金属弹性元件模量与土体刚度差异过大，极易产生严重的土拱效应与应力集中问题，导致压力测量数据偏差大、离散性高，无法真实反映土体实际应力状态。同时，传统金属弹性元件可逆应变仅为1%以内，土体超载扰动后易产生塑性变形，造成传感器零点漂移、永久失效，重复使用性极差。此外，常规土压力盒的测量明显受到温度的影响，地下环境温度长期波动会导致监测数据持续偏移，长期监测稳定性差。且不锈钢材质耐盐碱、耐酸碱腐蚀性能弱，运维更换成本高。

3、现有技术中，行业普遍认为土压力盒整体刚度必须大于土体刚度才能保证测量精度，导致行业内均采用单一高模量金属结构，无法兼顾软土、硬土全场景适配性、测量精度与长期稳定性。传统土压力盒修复难度大，缺少可反复复用的精细化模块化结构设计。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种梯度模量镍钛合金微型土压力盒及数据处理方法，采用梯度模量复合结构作为弹性测量元件，并增设温度补偿校正机制，兼具高精度、低零点漂移、长使用寿命、可修复及重复使用的优势。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

3、提供一种梯度模量镍钛合金微型土压力盒，其包括钛合金基座，钛合金基座上开设有上端开口的空腔，钛合金基座的上端面设置有镍钛合金膜片，镍钛合金膜片通过柔性胶粘接层固定在upvc顶盖的下表面，钛合金基座的外部套设有环氧树脂套筒，upvc顶盖与环氧树脂套筒的上端密封连接；

4、镍钛合金膜片的外缘与钛合金基座的上端面形成环形的固定区，固定区内侧为自由变形区，镍钛合金膜片的自由变形区下表面设置有三轴应变花，且三轴应变花的圆心与自由变形区的圆心重合，钛合金基座的空腔内提供自由变形区的测量变形空间；

5、三轴应变花通过应变花线路穿出环氧树脂套筒与应变数据采集系统电连接。

6、进一步地，空腔底部设置有温度补偿模块，温度补偿模块通过补偿线路穿出环氧树脂套筒与应变数据采集系统电连接；温度补偿模块用于实时采集空腔内部环境温度，对三轴应变花输出的电信号进行修正，降低镍钛合金弹性模量温变带来的力学应变漂移、应变栅灵敏系数温变带来的电学漂移双重干扰。

7、进一步地，钛合金基座、环氧树脂套筒的侧壁设置有与外部连通的出线孔，出线孔内设置有防水线管，补偿线路、应变花线路穿过防水线管引出，防水线管与出线孔之间通过填充环氧树脂层密封。

8、进一步地，镍钛合金膜片的外缘通过激光焊接在钛合金基座的上端面，镍钛合金膜片的外缘与钛合金基座的上端面之间形成激光焊接固定面。

9、进一步地，空腔底部设置有钛合金材料的刚性限位环，温度补偿模块设置在刚性限位环内，刚性限位环的高度低于钛合金基座顶面的高度，用于限制upvc顶盖、镍钛合金膜片和三轴应变花的变形量。

10、提供一种上述梯度模量镍钛合金微型土压力盒的数据处理方法，其包括以下步骤：

11、s1：三轴应变花采用恒定激励电流供电，输入的激励电流幅值保持恒定，三轴应变花的应变栅发生形变时产生的电阻相对变化量由镍钛合金膜片应变和温度共同引起，则构建应变栅输出原始电压信号的表达式；

12、

13、；

14、基于原始电压信号的表达式推导原始电压信号的简化式：

15、；

16、其中，

t为温度补偿模块实时采集的空腔内温度，为基准温度、额定标准荷载下的理论基准输出电压信号，为镍钛合金弹性模量温度系数，为应变栅温度灵敏系数，为实时采集的空腔内温度

t与基准温度的温度差值；

17、s2：温漂使原始电压信号随温度产生系统性偏移，构建利用温度差值对原始电压信号进行修正的输出电压信号修正模型；

18、

；

19、；

20、其中，为修正补偿系数，为修正的输出电压信号；

21、s3：利用标定梁在不同温度下对三轴应变花的应变栅温度灵敏系数进行标定，向镍钛合金微型土压力盒施加不同的测试压力，对镍钛合金弹性模量温度系数进行标定；

22、s4：将标定的镍钛合金弹性模量温度系数和标定的温度灵敏系数输入输出电压信号修正模型中，计算出修正补偿系数，得到修正的输出电压信号；

23、s5：根据三轴应变花中三个应变栅修正的输出电压信号，计算测定的土压力；

24、。

25、进一步地，所述对应变栅温度灵敏系数进行标定的方法为：

26、在基准温度下，取三轴应变花的应变栅在标定梁上施加固定荷载，产生恒定标准应变，采集恒定标准应变下应变栅相对电阻变化量，基于应变电阻变化基础关系计算基准灵敏系数；

27、；

28、其中，为应变栅基础电阻，为应变栅的电阻变化量；

29、设置温控箱的保温区间为

t1至

t2、并以10℃步长均匀设置

i个保温点，将应变栅粘贴在刚性试块上放入温控箱内，在不同的保温点条件下保温设定时长，在不同的保温点条件下保温后取出粘贴应变栅的刚性试块放回标定梁，并向应变栅施加固定荷载，记录不同温度点保温后应变栅的相对电阻变化量和应变，计算保温点条件下的灵敏系数，

i为保温点的编号；

30、构建应变栅的灵敏系数与温度灵敏系数的关系模型：；其中，为温度下应变栅的灵敏系数，为温度与基准温度的差值；

31、将每个温度点对应的灵敏系数作为因变量、温度变化量作为自变量，得到

i个第一拟合数据组（,），采用最小二乘法对灵敏系数与温度灵敏系数的关系模型进行线性拟合，得到标定的温度灵敏系数。

32、进一步地，镍钛合金弹性模量温度系数的标定方法为：

33、在基准温度下，向镍钛合金微型土压力盒以10kpa间隔依次均匀施加不同的测试压力，直至镍钛合金微型土压力盒达到设定量程，记录施加的每个测试压力，为镍钛合金微型土压力盒达到设定量程时的测试压力，

n为施加测试压力的数量；

34、采集镍钛合金微型土压力盒在不同测试压力下的原始电压信号，结合个测试压力，采用最小二乘法拟合常温基准灵敏度；

35、，；

36、将镍钛合金微型土压力盒放入保温区间为

t1至

t2的温控箱内，并以10℃步长均匀设置若干保温点，向镍钛合金微型土压力盒在不同保温点保温后施加设定的测试压力，采集保温点条件下的原始电压信号，计算保温点条件下的灵敏度；

37、；

38、基于镍钛合金弹性模量温度系数构建镍钛合金膜片的弹性模量与温度的关系模型：，为基准温度下镍钛合金弹性模量；

39、结合应变栅的灵敏系数与温度灵敏系数的关系模型，以及应变栅输出灵敏度与灵敏系数正相关、与弹性模量负相关，得到应变栅不同温度条件下灵敏度、灵敏系数和弹性模量的关系式：

40、；

41、基于灵敏度、灵敏系数和弹性模量的关系式，构建无量纲耦合公式：；

42、将标定的温度灵敏系数代入无量纲耦合公式中，得到镍钛合金弹性模量温度系数线性拟合的标准模型：

43、；

44、根据不同保温点条件下的灵敏度、温度变化量计算因变量项，将温度变化量作为自变量，得到

i个第二拟合数据组（,），采用最小二乘法对标准模型进行线性拟合，得到标定的镍钛合金弹性模量温度系数。

45、进一步地，还包括对测定的土压力准确度进行判定，具体的：

46、s6：利用三个应变栅修正的输出电压信号计算极差绝对值；

47、；

48、s7：极差绝对值；

49、；

50、若，则判定测定的土压力不准确，重复步骤s1-s5，重新输出测定的土压力；否则，测定的土压力准确。

51、进一步地，镍钛合金微型土压力盒的测量量程确定方法为：

52、基于测定的土压力，根据圆形薄板理论，计算镍钛合金膜片中心点最大挠度及外缘最大应变；

53、；

54、；

55、其中，为镍钛合金泊松比，为镍钛合金膜片的自由变形区半径，为镍钛合金膜片厚度，为基准温度下镍钛合金弹性模量；

56、根据镍钛合金膜片下表面与刚性限位环上表面的距离，计算出镍钛合金微型土压力盒的土压力量程；

57、；

58、其中，为镍钛合金膜片外缘容许应变。

59、本发明的有益效果为：

60、本发明采用自上而下梯度递减的多层刚度匹配结构，多层结构消除传感器与岩土介质间的刚度突变界面，抑制土体颗粒楔紧形成被动土拱，避免荷载集中带来的测量偏大、数据离散问题。

61、核心传感元件采用镍钛合金膜片，最大可逆弹性应变大。采用钛合金材料的刚性限位环实现机械限位防护，传感器可承受较大的过载，且能够保证镍钛合金膜片不达到极限可逆应变的情况。超载工况下，过量荷载主要由刚性限位环承受，镍钛合金膜片仅发生应力诱发马氏体相变，无塑性永久变形，抗疲劳。

62、本发明同步考虑镍钛合金弹性模量温变带来的力学漂移、应变栅灵敏系数温变带来的电学漂移两类干扰，通过独立标定分别获取镍钛合金弹性模量温度系数与应变栅的温度灵敏系数，建立耦合温度修正模型，利用密闭空腔内同场布置的温度补偿模块实时采集空腔内环境温度，通过二阶修正算法抵消复合温漂，长期野外监测数据稳定可靠。

63、依托镍钛合金马氏体-奥氏体可逆相变特性，每次监测完成后，将土压力盒进行加热处理，残留应力诱发马氏体可发生逆相变，镍钛合金膜片完全恢复出厂平整初始形态，消除循环荷载产生的微小零点偏移，单台设备可循环拆装、埋置复用50次以上，大幅减少室内模型试验、现场长期监测的传感器耗材投入。

64、镍钛合金膜片与底部钛合金基座采用激光环形无缝封焊，配合多重密封防护，整机防护等级达高，耐水耐腐，运维周期长。整机外形可小型化制作，适配土工离心机、微型模型槽、狭窄基坑测缝等狭小监测场景。

65、镍钛合金膜片中心布置三组互成120°的高精度应变栅（三轴应变花），通过三路独立信号平均计算土压力，同时通过三路输出信号极差判断荷载偏心程度；当土体局部偏心挤压、局部应力集中时，可实时识别测量失真工况，规避偏心荷载造成的单点应变失真问题，进一步提升复杂应力场下测量可靠性。