动态模型试验孔隙水压测量系统

　　1　引言

　　在土工模型试验研究中,往往需要了解动态压力变化对土层各部位的孔隙水压力影响。在以往的压力测量中,所使用的压力传感器体积大,灵敏度、精度 和稳定性差,受周围环境如温度、磁场、电场等影响大,难以保证测量精度。另外,一般孔隙水压力计也无法测量负压力值。为了满足模型试验需要,采用进口压力 传感器成功开发研制小型孔隙水压力计和配套的多路快速数据采集系统,完成了压力变化时的动态孔隙水压力测量。该系统用于青岛海洋大学某项目模型试验,取得 良好效果。

　　2　试验要求

　　试验模型比例按1∶6设置,在密闭的试验槽内,每隔10 cm埋设1只孔隙水压力计,共安装了4只小型孔隙水压力计,如图1。

　　3　孔隙水压力传感器

　　孔隙水压力计是一种埋在土层内部,用于测量土体内孔隙水压力的传感器。该传感器与通常水压力传感器不同之处。是在传感器进水口安装了一个透水石,其透水率应与被测土体透水率接近,用于隔离土体内部杂物。

　　传统的现场原位观测用孔隙水压力计,主要测量缓慢变化的孔隙水压力,一般采用钢弦式或差动电阻式孔隙水压力计,因为动态性能差(钢弦式孔隙水压力计采样一次约3 s)、体积大(直径Φ30~50 mm)、精度低,不适合模型试验中使用。

　　近来发展的扩散硅压力传感器,其动态性能可以满足试验要求,但国内各厂家产品体积过大,英国德鲁克公司产品体积小,但价格太高。采用了美国生产的带隔离膜片的压力传感器OEM产品进行二次加工,制作专用的小型孔隙水压力传感器,外型尺寸为Φ19×60 mm,如图2。

　　扩散硅压力传感器采用高稳定性的扩散硅作为压力测量元件,通过特殊工艺将4个应变电阻片注入到硅膜片中,形成一种电桥结构。加压后,硅膜片变 形,桥路电阻发生变化,电桥失去平衡。电桥输入端加上驱动信号后,桥路中4个敏感电阻平衡时,电桥输出信号为零,当外界压力变化引起桥路不平衡时,电桥输 出一个电压信号,在一定量程范围内输出电压与所加压力成线性关系。

　　硅测量元件与介质之间用不锈钢金属膜片完全隔离,可以用于测量有腐蚀性介质。内部采取了温度补偿措施,使得传感器在-20~85℃范围内得到温度补偿。

　　电桥采用恒流驱动方式,较电压驱动而言具有更高的灵敏度和稳定性能。

　　小型孔隙水压力传感器主要性能参数如下:

　　量　　程:±35 kPa(3.5 m水柱)

　　满量程输出:±75 mV左右

　　零压输出:0.5 mV左右

　　输入电阻:3~5 kΩ

　　分辨力:±2 Pa

　　非线性:≤0.05%FS