土体变形监测传感器的研究

2021-03-12

工程技术研究 2021年4期

中国电力建设股份有限公司，北京 100000

近年来我国道路、铁路及各类管道等基础工程建设量大幅增加，此类施工中边坡、基坑等结构大量出现。基坑和边坡问题不仅是各种工程建设的基础问题，也是影响施工地点周围一定区域内已有建筑物、构筑物稳定性的重要因素，因此研究基坑和边坡问题对土体监测尤为重要。

文章研究提出了一种新的基于Flex传感技术的无线位移监测系统，利用Flex传感器的优良性质，设计一种独特的封装结构，将Flex植入该孔结构中。所设计的传感器结构能保证Flex可以契合于测斜或测沉降。该系统能对边坡位移、基坑倾斜进行无线实时监测，并且具有良好的精确度和准确性。

1 Flex传感器原理

传感器结构如图1所示，可以分为传感元件、封装元件，以及数据传输元件。

图1 Flex弯曲传感器示意图

Flex弯曲传感器是一种主要由导电元件和底物组成的条形电阻式传感器，可以应用于Flex弯曲传感器上的导电元件包括基于碳元素构成的油墨、颗粒、纳米管等，以及一些特殊金属，比如铜、银等，此外也可以以导电橡胶作为导电元件。Flex传感器受到弯曲作用时，其电阻会产生变化。存在如下关系：

式中：GF为应变影响因素，其数值取决于传感器制作材料及工艺；ΔR为电阻变化值；R为初始状态的电阻值；ε为机械应变。

该测斜传感器设计采用定制的Flex自制，其中传感元件是采用Spectra Symbol公司生产的Flex Sensor 4.5″单向弯曲传感器，此传感器规格为总长112.24mm、总宽6.35mm，厚度不大于0.43mm，有效测量长度为95.25mm；笔直状态下的电阻值为10kΩ，弯曲时电阻值变化范围为60～110kΩ，额定功率为0.5W，峰值功率为1W；电阻公差值为±30%，工作温度范围为-35～80℃；使用寿命超过100万次弯曲。

传感器的标定过程：将Flex测斜传感器连接好以后，水平放置，待软件显示的数据平稳后，开始进行标定试验。

标定时将量角器与Flex测斜传感器外壳紧密贴合，避免出现间隙造成标定误差，必要时可以用胶带固定在端头。标定需要严格按照节点弯曲0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°来控制，且每次弯曲一个角度时需要停留10s以确保采集到的数据稳定。这样可以得到一组阶梯式的标定图，如图2～图4所示。

图2 1号传感元件标定结果

图3 2号传感元件标定结果

图4 3号传感元件标定结果

1号Flex弯曲传感器的标定试验结果显示，当传感器弯曲角度为0°时，其稳定的输出信号量为569；在弯曲角度为60°时，其稳定的输出信号量为442，整个标定试验过程中信号量的变化为127。从图2可以看出，当弯曲角度变大时，Flex弯曲传感器的输出信号量变小。可得出结论：1号Flex弯曲传感器的输出信号量与其弯曲角度的关系可以看作是线性的，且符合式（1）所分析的结果。

2号Flex弯曲传感器的标定试验结果显示，在传感器弯曲角度为0°时，其稳定的输出信号量为618；在弯曲角度为60°时，其稳定的输出信号量为495，整个标定试验过程中信号量的变化为123。从图3可以看出，当弯曲角度变大时，Flex弯曲传感器的输出信号量变小。可得出结论：2号Flex弯曲传感器的输出信号量与其弯曲角度的关系可近似认为是线性的，且符合式（1）分析的结果。

3号Flex弯曲传感器的标定试验结果显示，在传感器弯曲角度为0°时，其稳定的输出信号量为496；在弯曲角度为60°时，其稳定的输出信号量为366，整个标定试验过程中信号量的变化为130。从图4可以看出，当弯曲角度变大时，Flex弯曲传感器的输出信号量变小。可得出结论：3号Flex弯曲传感器的输出信号量与其弯曲角度的关系可近似认为是线性的，且符合式（1）分析的结果。由标定得到的数据具有良好的线性关系，表示所制作的Flex测斜传感器可以用作基坑模型箱试验，为基坑模型箱加载过程中反映土体倾斜变化做了试验基础。