弹簧压力仪的设计与应用

　　0　引　言

　　为了得到Bekker土壤变形关系的经验公式[1],我们必需得到在已知压力下土壤下陷的数据.传统的土力学测量试验是采集土样,在实验室里用仪器测量,这种方法的缺点是:(1)破坏了地面的自然受力状态,并不能得到实际地面的压力沉陷关系;(2)这种方法虽然对土木工程是合适的,但并不适用于车辆———地面力学系统的数据采集[2].为了能快速、准确地得到需要的数据,特研制了新型数据采集装置———弹簧压力仪.

　　1　弹簧压力仪的工作原理

　　弹簧压力仪的结构如图1所示,手柄、压管、弹簧、压块固连在一起,在外套筒的约束下,相互间只有沿轴线的直线运动.定位板与外套筒固连在一起,成为一体.压块的高度要小于定位板的高度,即要求在自由状态下的压块底面与定位板底面可以在一个平面上.

　　从弹簧压力仪的结构图中我们不难看出,作用于手柄的压力与地面所受的压力是大小相等,方向相反的平衡力.这样,地面压力的度量可以转换为手柄压力的度量,也就是弹簧压力的度量,弹簧压力可以通过测量弹簧压缩量而得到.这就是弹簧压力仪的工作原理.

　　2　标定实验

　　在使用前要对仪器进行标定.把仪器定位,垂直放到水平面上,在手柄上加砝码.每增加一次砝码,记录一次弹簧变形量.图2为弹簧标定试验装置.已知弹簧的力与变形关系为:

　　F=kx

　　其中,F———弹簧所受的力;

　　k———弹簧的弹性系数;

　　x———弹簧的变形量.

　　把所测得的数据做一下线性回归,就可以得到仪器的受力———变形标定曲线.

　　随着科学计算技术的发展,以及微型计算机的普及,已经出现了处理各种试验数据的软件.Origin是美国OriginLab公司(其前身为Microcal公司)开发的图形可视化和数据分析软件,是科研人员和工程师常用的高级数据分析和制图工具.自1991年问世以来,由于其操作简便,功能开放,很快就成为国际流行的分析软件之一,是公认的快速、灵活、易学的工程制图软件.在国内,其使用范围也越来越广泛[3].本文的数据大多运用Origin6.1进行分析、处理.

　　将数据输入Origin6.1的Worksheet窗口,其中A(X)为弹簧的压缩量,单位是毫米;B(Y)为施加的压力值,单位是千克力.进行线性回归,用直线来拟合数据,在Graph窗口生成的直线如图3:

　　同时,解算出拟合直线的数学表达式,

　　Y=A+B*X

　　其中:A=-0.19527

　　B= 0.23641

　　拟合误差小于0.0001.