一种土工真三轴试验高精度应变测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于±工试验技术领域，具体设及开展±工真Ξ轴试验过程中的一种高精 度应变测量系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 大型±工真Ξ轴试验系统是用于开展岩±模型应力应变加载试验的大型±工试 验设备。该系统利用大推力液压设备(如液压千斤顶)从正反两个竖直方向、前后左右四个 水平方向上对岩±模型试样进行挤压，同时其具备伺服闭环能力，能够精确的控制试验过 程中应变量或应力量的时域加载曲线。通过监测岩±模型在受力过程中的应力、应变状态 变化曲线，对岩±结构的受力破坏过程进行研究。
[0003] 岩±模型的应变量是此类试验的关键监测点，且由于岩±模型应力应变加载试验 过程中试验样品的形变速率一般极为缓慢(可能低于O.Olmm/min)，因此要精确研究试验过 程中岩±模型应变量与应力量的对应关系曲线，需要实现极高的应变量检测精度一一至少 达到10皿精度量级，最好优于1皿精度量级。
[0004] 使用大型±工真Ξ轴试验系统开展岩±模型应力应变加载试验时，试验环境很难 保持十分清洁，试验设备容易受到油、水、尘±等杂质的污染，因此应变量测量设备一般采 用对环境洁净度要求较低的激光位移传感器。由于试验过程中试验样品的单边应变位移量 最大可达数十甚至一百毫米W上，故在传统的大型±工真Ξ轴试验系统中，一般都选用不 小于100mm量程的激光位移传感器W满足开展岩±模型应力应变加载试验的测量需求。但 受限于激光位移传感器的工作原理，其分辨率难W超过0.01%FS，运使传统试验系统对试 样应变量的检测精度只能勉强达到试验所要求的最低精度等级(0.01mm)，限制了大型±工 真Ξ轴试验系统的试验测量与控制精度、W及研究效果的进一步提升。
[0005] 由于传统应变测量设备(如激光位移传感器)的分辨率不足，使试验系统无法达到 更高的应变测量精度，限制了进一步提升对试验结果进行定量分析的精度；同时还使得系 统开展伺服闭环控制时，来自传统应变测量设备的应变反馈结果会呈现出较为明显的阶梯 效应，造成驱动系统的出力控制在时域上的离散化(例如，试样要求WO.Olmm/min的速度发 生应变，使用分辨率仅为0.01mm的位移传感器时，驱动系统最短也需要Imin才能输出一次 有效的控制信号），从而降低了试验过程中伺服闭环的控制精度与曲线加载的平滑性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种±工真Ξ轴试验高精度应变 测量系统及其测量方法。
[0007] 本发明通过W下技术方案来实现上述目的：
[000引一种±工真Ξ轴试验高精度应变测量系统，包括测控计算机、激光位移传感器、伺 服电机和水平安装的滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副的螺母部与所述伺服电机的转 动端固定连接，所述激光位移传感器包括大量程激光位移传感器和小量程激光位移传感 器，所述小量程激光位移传感器固定安装在所述滚珠丝杠螺母副的丝杠上，所述小量程激 光位移传感器与所述大量程激光位移传感器的探头安装方向相互平行且均朝向±工模型 试验样品，所述伺服电机通过伺服驱动器与所述测控计算机电连接，所述大量程激光位移 传感器的信号输出端与所述测控计算机的第一信号输入端电连接，所述小量程激光位移传 感器的信号输出端同时与所述测控计算机的第二信号输入端和所述伺服驱动器的反馈信 号输入端电连接。
[0009] 优选地，所述试验系统还包括竖直放置的支架，所述支架由上而下依次固定安装 有所述大量程激光位移传感器、导向筒和所述伺服电机，所述导向筒中设置有一根可W轴 向运动的导向杆，所述小量程激光位移传感器与所述导向杆固定连接为一体。
[0010] 优选地，所述导向杆与所述滚珠丝杠螺母副相互平行，且均与所述支架垂直。
[0011] 优选地，所述滚珠丝杠螺母副中的丝杠、所述导向杆的有效运动长度均不低于所 述大量程激光位移传感器的量程。
[0012] 优选地，所述大量程激光位移传感器的量程不小于所述±工模型试验样品的单边 最大应变位移量。
[0013] 优选地，所述伺服电机为转子中空结构，所述伺服电机的转子内侧与所述滚珠丝 杠螺母副中的螺母部固定连接。
[0014] 优选地，所述伺服驱动器控制伺服电机的方式包括自动控制方式和手动控制方 式。
[0015] -种±工真Ξ轴试验高精度应变测量系统的测量方法，包括W下步骤：
[0016] A1:获取大量程激光位移传感器和小量程激光位移传感器的输出电信号，W此刻 小量程激光位移传感器的输出量作为计算位移变化量的起始点；
[0017] A2:保持大量程激光位移传感器和小量程激光位移传感器输出电信号的实时监 测；
[0018] A3:如果小量程激光位移传感器的电信号是处于其量程的0~10%或90~100% W 内，则继续执行步骤A4，如果不是，则跳转至步骤A9;
[0019] A4: W此刻大量程激光位移传感器的输出量作为计算位移变化量的新起始点；
[0020] A5:采用大量程激光位移传感器的测量结果并计算应变位移量；
[0021 ] A6:启动或保持伺服电机运行，通过转动滚珠丝杠螺母副驱动小量程激光位移传 感器向信号中位运动；
[0022] A7:如果小量程激光位移传感器未运动到信号中位，则跳转至步骤A5，否则继续执 行步骤A8;
[0023] A8:W此刻小量程激光位移传感器的输出量作为计算位移变化量的新起始点；
[0024] A9:采用小量程激光位移传感器的测量结果并计算应变位移量，如果试验结束，贝U 结束整个测量过程，如果需要继续测量，则跳转至步骤A2。
[0025] 优选地，所述小量程激光位移传感器的运动控制过程包括W下步骤：
[0026] B1: W小量程激光位移传感器的输出信号为伺服系统的位移反馈；
[0027] B2:将小量程激光位移传感器的输出信号中位作为伺服驱动器对伺服电机的位移 控制目标；
[00%] B3:启动或保持伺服电机运转，通过滚珠丝杠螺母副驱动小量程激光位移传感器 向信号中位运动；
[0029] B4:伺服驱动器W位移一一转速双层闭环结构控制伺服电机的运行，如果小量程 激光位移传感器到达信号中位所对应的位置，则继续执行步骤B5，否则重新执行步骤B3;
[0030] B5:伺服驱动器控制伺服电机停止运转，并向测控计算机输出伺服电机停转的硬 件判别信号。
[0031] B6:测控计算机依据伺服电机停转的硬件判别信号确定小量程传感器已运动到信 号中位。
[0032] 本发明的有益效果在于：
[0033] 1、可W在一个较大的量程范围内实现只有小量程激光位移传感器才能拥有的高 分辨率，即结合了大量程传感器的量程优势与小量程传感器的分辨率优势；
[0034] 2、在常见的大型±工真Ξ轴试验中采用本专利技术方法，能够实现优于1WI1的应 变位移测量分辨率(选用量程小于等于10mm的激光位移传感器作为小量程传感器），能够显 著提升试验系统应变加载控制过程的平滑性；
[0035] 3、与传统大型±工真Ξ轴试验系统所采用的应变测量方法相比，本专利技术方法 能够实现的应变测量精度不再受限于试验系统的最大应变指标，通过选用不同量程的传感 器设备作为方法中的小量程传感器，能够对试验系统的应变测量精度进行定制。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明所述±工真Ξ轴试验高精度应变测量系统的结构示意图；
[0037] 图2是本发明所述高精度应变测量方法流程图；
[0038] 图3是本发明所述小量程激光位移传感器的运动控制流程图；
[0039] 图中：1-伺服电机、2-滚珠丝杠螺母副、3-小量程激光位移传感器、4-导向杆、5-大 量程激光位移传感器、6-支架、7-导向筒、8-测控计算机、9-伺服驱动器、10-±工模型试验 样品、11-线缆。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0041] 如图1所示，本发明