Flex土體大位移監(jiān)測傳感器研究*

朱瑞喜，洪成雨，段景川

(1.中電建南方建設(shè)投資有限公司，廣東 深圳518000；2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳518060；3.深圳大學(xué)未來地下城市研究院，廣東 深圳518060)

近年來，伴隨著土木工程行業(yè)的發(fā)展，我國在道路，橋梁和建筑方面得到了大規(guī)模迅速發(fā)展。為了保證相應(yīng)的巖土工程設(shè)施的安全使用，對各種巖土工程土體內(nèi)部進(jìn)行位移監(jiān)測顯得尤為重要[1－4]，土體的變形監(jiān)測是交通、礦山、建筑、邊坡及基坑等工程的一項(xiàng)重要研究課題[5－8]。巖土工程中理論分析、室內(nèi)外測試和工程實(shí)踐是巖土工程分析三個(gè)重要的方面[9]，在室內(nèi)外測試中，首先，巖土工程要求測量設(shè)備可以進(jìn)行長期觀測且不影響使用效果；其次測量設(shè)備需承受各種惡劣的巖土環(huán)境，使其傳輸數(shù)據(jù)；最后巖土工程一般測量范圍大、測點(diǎn)多，故要求測量設(shè)備量程大且可以大面積埋設(shè)[10]。

為了應(yīng)對巖土工程監(jiān)測所表現(xiàn)出的復(fù)雜特性，有不少學(xué)者提出了在巖土體中埋設(shè)傳感器來達(dá)到精確監(jiān)測土體的效果[11－13]。傳感器是一種以一定的精確度把被測量狀態(tài)轉(zhuǎn)化為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的信號(hào)輸出的測量裝置[14]。例如，傳統(tǒng)的傾斜儀系統(tǒng)由安裝在地下近垂直位置的塑料套管組成，在套管中插入伺服加速計(jì)或電動(dòng)液位傳感器，以測量套管對地面移動(dòng)的局部傾斜。然而，這種傳統(tǒng)測斜儀系統(tǒng)存在成本高、耐用性差、在大變形條件下測斜管的變形過大會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行精度降低等局限性[15－16]。此外，光纖布拉格光柵(FBG)被廣泛應(yīng)用于應(yīng)變和溫度的測量領(lǐng)域[17－18]。例如，提出了一種采用熔融沉積建模方法制造的光纖光柵傾斜傳感器，用于測量不同傾角引起的拉伸和壓縮應(yīng)變，用于監(jiān)測內(nèi)部地面運(yùn)動(dòng)[19]。雖然有幾種基于光纖光柵傳感器的傾斜傳感器被提出[20－22]，實(shí)際監(jiān)測測試中以上有線傾斜傳感器難以監(jiān)測大范圍的土體位移，相比flex傳感器的無線傳輸功能所帶來的優(yōu)勢遜色不少[23－25]。

本研究提出了一種基于Flex傳感技術(shù)的無線位移監(jiān)測系統(tǒng)，F(xiàn)lex傳感器安裝在由一個(gè)鏈接鉸和兩個(gè)傳感梁組成的鉸鏈彎曲結(jié)構(gòu)中，以測量傾斜角度。由標(biāo)定試驗(yàn)得出Flex傳感器的最大量程為0~60°，分辨率為0.5°~0.7°。利用Flex傳感器監(jiān)測了某基坑模型的內(nèi)部沉降和水平位移，并與傳統(tǒng)位移傳感器進(jìn)行了對比驗(yàn)證?，F(xiàn)有的Flex傳感器具有使用方便、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、傳感器元件高度柔性、可埋入土壤中進(jìn)行地面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測等一系列典型優(yōu)點(diǎn)。并且性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)輸出，工作原理簡單。

1 Flex傳感器技術(shù)

1.1 Flex傳感器原理

Flex傳感器是一種碳電阻式傳感器，它將物理能量轉(zhuǎn)換為電能。在不同的彎曲角度，它有不同的阻力值。電信號(hào)輸出量用于反映傳感器的彎曲角度變化。在Flex傳感器的基板上印刷了一層碳/聚合物油墨，沿基板會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的微裂紋。當(dāng)彎曲角度增大時(shí)，微裂紋張開并增大，使傳感器的整體電導(dǎo)率降低，整體電阻增大。反之，當(dāng)彎曲角度減小時(shí)，整體電阻減小。該傳感器由于應(yīng)用電路簡單，輸出信號(hào)易于處理，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療器械、樂器和機(jī)器人等領(lǐng)域。

圖1 所示為Flex彎曲傳感器彎曲前后的示意圖，水平位移為:

圖1 Flex彎曲傳感器彎曲前后示意圖

豎向位移為:

式中:αi為第i個(gè)彎曲點(diǎn)處的角度變化，主要通過Flex彎曲傳感器測得；x i為第i＋1個(gè)彎曲點(diǎn)處的總水平位移，y i為第i＋1個(gè)彎曲點(diǎn)處的總豎向位移，b i為第i個(gè)傳感梁長度。

1.2 Flex傳感器設(shè)計(jì)

利用CAD設(shè)計(jì)一種Flex彎曲傳感器，彎曲傳感器共有兩個(gè)型號(hào)，F(xiàn)lex 4.5和Flex 2.2，F(xiàn)lex 4.5傳感器長為110 mm，寬7 mm，厚1 mm。Flex 2.2傳感器長為70 mm，寬7 mm，厚1 mm。在Flex傳感器外用8 mm熱縮套管加熱保護(hù)。由于該傳感器對連接端圓弧角度的高精度要求，選擇鋁合金封裝，對連接端內(nèi)圓弧進(jìn)行高精度拋光，提高旋轉(zhuǎn)角度。如圖2為Flex彎曲傳感器組成部分示意圖，由Flex傳感器和鉸鏈彎曲結(jié)構(gòu)組成。其中鉸鏈彎曲結(jié)構(gòu)包括一個(gè)鏈接鉸和兩個(gè)傳感梁。設(shè)計(jì)彎曲傳感器封裝外殼固定保護(hù)端長120 mm，寬為30 mm，厚為5 mm，橫截面中間預(yù)留寬8 mm，厚2.2 mm的槽，可放入Flex傳感器；連接端為外圓半徑5 mm，內(nèi)圓半徑3 mm的空心圓筒。高度為5 mm；連接圓桿為半徑3 mm，高30 mm的圓柱，中間同樣是寬8 mm，厚2.2 mm的長方形槽。Flex彎曲傳感器長135 mm，寬為30 mm，厚為5 mm。橫截面中間同樣預(yù)留寬8 mm，厚2.2 mm的槽，可放入Flex傳感器。由于傳感器的整體彎曲都會(huì)給電阻帶來變化，故為了限制傳感器的彎曲點(diǎn)，集中傳感器的彎曲點(diǎn)，提高傳感器的精度，3D打印一個(gè)外殼，使傳感器可單向彎曲。

圖2 3D打印技術(shù)制作的無線Flex傳感器

本文中的Flex位移傳感器，除鉸鏈部分，傳感梁的彈性模量大約為57 MPa而土的彈性模量大約在0.25 MPa左右，故傳感梁相對于土體來說是剛性結(jié)構(gòu)，并且鏈接鉸處的摩擦力很小可以隨土體的變形自由滑動(dòng)，因此在土體作用下，只考慮變形發(fā)生在鉸鏈位置處。而且本文中的Flex位移傳感器，是由若干單元組成，具體根據(jù)監(jiān)測深度所需單元數(shù)量確定，因此本研究的Flex傳感器不會(huì)局限于一個(gè)點(diǎn)位的測量。

1.3 Flex彎曲傳感器的標(biāo)定

Flex標(biāo)定試驗(yàn)平臺(tái)由Flex彎曲傳感器、藍(lán)牙無線傳輸端、信號(hào)接收端和角度顯示器共同組成。標(biāo)定平臺(tái)如圖3所示。標(biāo)定試驗(yàn)隨機(jī)選用了6個(gè)Flex傳感器，通過將Flex傳感器兩邊邊緣緊貼著角度支架兩邊，使其彎曲程度與角度顯示器一致，逐級改變角度顯示器的彎曲角度，每變化5°記錄一次Flex彎曲傳感器的示數(shù)，最大彎曲到60°。

圖3 Flex彎曲傳感器的標(biāo)定平臺(tái)

如圖4所示為Flex1號(hào)傳感器正向和反向彎曲標(biāo)定結(jié)果圖。彎曲角度和傳感器信號(hào)的關(guān)系式為y＝－2.46x＋138.94，彎曲角度與標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系式為s＝0.038x＋1.28。彎曲角度和傳感器信號(hào)基本呈線性關(guān)系，線性度達(dá)0.99，線性關(guān)系良好。標(biāo)定試驗(yàn)中，傳感器每彎曲0.5°，會(huì)有明顯示數(shù)變化，傳感器分辨率為0.5°。

圖4 Flex1號(hào)傳感器標(biāo)定結(jié)果

如圖5所示為Flex2號(hào)傳感器正向和反向彎曲標(biāo)定結(jié)果圖。彎曲角度和傳感器信號(hào)的關(guān)系式為y＝－2.37x＋132.85。彎曲角度和傳感器信號(hào)基本呈線性關(guān)系，線性度達(dá)0.99，線性關(guān)系良好。標(biāo)定試驗(yàn)中，傳感器每彎曲0.6°，會(huì)有明顯示數(shù)變化，傳感器分辨率為0.6°。

氫氣不僅可以直接與自由基發(fā)生中和反應(yīng)，還可以間接地作用于機(jī)體的抗氧化系統(tǒng)，例如增加抗氧化酶的活性，保護(hù)機(jī)體免遭氧化應(yīng)激帶來的損傷。氫氣通過直接或間接的途徑發(fā)揮其選擇性抗氧化作用，清除體內(nèi)有害的自由基繼而減輕機(jī)體損傷，這是目前公認(rèn)的氫氣發(fā)揮治療作用的最主要形式。

圖5 Flex2號(hào)傳感器標(biāo)定結(jié)果

如圖6所示為Flex3號(hào)傳感器正向和反向彎曲標(biāo)定結(jié)果圖。彎曲角度和傳感器信號(hào)的關(guān)系式為y＝－2.56x＋183.1，彎曲角度與標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系式為s＝0.054x＋1.827。彎曲角度和傳感器信號(hào)基本呈線性關(guān)系，線性度達(dá)0.99，線性關(guān)系良好。標(biāo)定試驗(yàn)中，傳感器每彎曲0.6°，會(huì)有明顯示數(shù)變化，傳感器分辨率為0.6°。

圖6 Flex3號(hào)傳感器標(biāo)定結(jié)果

如圖7所示為Flex4號(hào)傳感器正向和反向彎曲標(biāo)定結(jié)果圖。彎曲角度和傳感器信號(hào)的關(guān)系式為y＝－1.69x＋130.99，彎曲角度與標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系式為s＝0.042x＋1.439。彎曲角度和傳感器信號(hào)基本呈線性關(guān)系，線性度達(dá)0.99，線性關(guān)系良好。標(biāo)定試驗(yàn)中，傳感器每彎曲0.7°，會(huì)有明顯示數(shù)變化，傳感器分辨率為0.7°。

圖7 Flex4號(hào)傳感器標(biāo)定結(jié)果

如圖8所示為Flex5號(hào)傳感器正向和反向彎曲標(biāo)定結(jié)果圖。彎曲角度和傳感器信號(hào)的關(guān)系式為y＝－1.56x＋267.77，彎曲角度與標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系式為s＝0.038x＋1.282。彎曲角度和傳感器信號(hào)基本呈線性關(guān)系，線性度達(dá)0.99，線性關(guān)系良好。標(biāo)定試驗(yàn)中，傳感器每彎曲0.7°，會(huì)有明顯示數(shù)變化，傳感器分辨率為0.7°。

圖8 Flex5號(hào)傳感器標(biāo)定結(jié)果

如圖9所示為Flex6號(hào)傳感器正向和反向彎曲標(biāo)定結(jié)果圖。彎曲角度和傳感器信號(hào)的關(guān)系式為y＝－1.04x＋253.54，彎曲角度與標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系式為s＝0.026x＋0.877。彎曲角度和傳感器信號(hào)基本呈線性關(guān)系，線性度達(dá)0.99，線性關(guān)系良好。標(biāo)定試驗(yàn)中，傳感器每彎曲0.6°，會(huì)有明顯示數(shù)變化，傳感器分辨率為0.6°。

圖9 Flex6號(hào)傳感器標(biāo)定結(jié)果

傳感器的兩條標(biāo)定曲線呈現(xiàn)一定的滯回現(xiàn)象，產(chǎn)生滯回現(xiàn)象的原因主要是鏈接鉸處圓柱體軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的產(chǎn)生的摩擦以及Flex傳感器的傳動(dòng)元件之間的間隙。通過上述6個(gè)Flex傳感器的標(biāo)定結(jié)果可以得到在0~60°的測量范圍內(nèi)Flex大位移傳感器信號(hào)與彎曲角度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其分辨率可達(dá)到0.5°~0.7°。

2 基于Flex傳感器的基坑模型監(jiān)測驗(yàn)證研究

2.1 試驗(yàn)建立及加載過程

表1 試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂土體參數(shù)

試驗(yàn)截面示意圖如圖10所示，本試驗(yàn)采用靈敏度較高的FBG大位移傳感器與本研究制備的Flex大位移傳感器做對比，F(xiàn)BG大位移傳感器均與Flex位移傳感器的監(jiān)測點(diǎn)在同一水平面上，在基坑內(nèi)側(cè)放置常規(guī)的位移計(jì)，監(jiān)測每次加載后基坑內(nèi)部側(cè)壁位移值。在周圍土體內(nèi)部2 cm~3 cm下放置Flex位移傳感器，并利用模型基坑表面位移計(jì)監(jiān)測沉降。

圖10 試驗(yàn)截面示意圖

加載過程采用逐級加載，加載儀器為重量5.1 kg的砝碼，每20 s間隔加載一次，共加載十次，在加載到第八個(gè)砝碼時(shí)，基坑支護(hù)側(cè)發(fā)生位移，第十個(gè)砝碼時(shí)，基坑發(fā)生破壞，停止加載。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖11為1~3號(hào)傳感器在基坑加載下，加載次數(shù)與位移的關(guān)系。從圖中可以看出:在相同的豎向平面內(nèi)，隨著加載次數(shù)的增加，基坑支護(hù)側(cè)邊土體的位移也在增加，在前7次加載下，波長與加載次數(shù)基本呈線性增長，在7次加載后，位移顯著增加，直至第10次，基坑發(fā)生明顯位移，即發(fā)生破壞。且1號(hào)傳感器監(jiān)測到的位移大于3號(hào)傳感器監(jiān)測到的位移大于2號(hào)傳感器監(jiān)測到的位移，即隨著監(jiān)測點(diǎn)深度的減小，位移增大。

圖11 1~3號(hào)傳感器位移對比

圖12 所示為FBG2號(hào)大位移傳感器、Flex傳感器在底層位移對比圖，從圖中可以看出，F(xiàn)BG大位移傳感器對位移測量更精確，在第4次加載時(shí)，F(xiàn)BG大位移傳感器已測得位移，而Flex傳感器示數(shù)仍為0。隨著荷載的增加，位移差值增加。FBG大位移傳感器與Flex最大測得位移相差值為0.4 mm。

圖12 底層位移對比

如圖13為FBG3號(hào)大位移傳感器、Flex傳感器在中層位移對比圖，以及圖14為FBG1號(hào)大位移傳感器、Flex傳感器在上層位移對比圖。從圖中可以看出，位移測量精度是位移計(jì)大于FBG大位移傳感器大于Flex彎曲傳感器，在第2次加載時(shí)，位移計(jì)和FBG大位移傳感器已測得位移，而Flex傳感器示數(shù)仍為0。隨著荷載的增加，位移計(jì)、FBG大位移傳感器、Flex位移傳感器間位移差值增加。FBG大位移傳感器、Flex位移傳感器監(jiān)測數(shù)值基本與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)值吻合。

圖13 中層位移對比

圖14 上層位移對比

取圖12~13中最大加載0.5 kN處的FBG大位移傳感器數(shù)據(jù)與Flex傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比計(jì)算得出Flex傳感器的相對誤差如表2所示。

表2 FBG傳感器與Flex傳感器位移對比

通過標(biāo)定試驗(yàn)可知，在0~60°的測量范圍內(nèi)Flex大位移傳感器信號(hào)與彎曲角度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性度均為0.99，其分辨率可達(dá)到0.5°~0.7°。在室內(nèi)模型箱試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Flex傳感器的靈敏度與其鏈接鉸的彎曲半徑有關(guān)，即傳感梁的長度越長傳感器的靈敏度越高，對Flex位移傳感器與靈敏度較高的FBG位移傳感器測量結(jié)果進(jìn)行比較，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了Flex大位移傳感器的可靠性。

3 結(jié)論

本研究研發(fā)了一種基于Flex傳感技術(shù)的無線位移監(jiān)測系統(tǒng)，通過將其應(yīng)用到模型監(jiān)測之中，得到如下結(jié)論。①將3D打印和Flex傳感技術(shù)相結(jié)合，制備了一種無線彎曲傳感器，通過該傳感器可測得基坑的角度變化，從而反算基坑位移。②Flex彎曲傳感器標(biāo)定試驗(yàn)表明:傳感器信號(hào)與彎曲角度呈線性關(guān)系，線性度良好。最大量程為0~60°，分辨率為0.5°~0.7°之間。③在室內(nèi)模型箱試驗(yàn)中，F(xiàn)lex位移傳感器的監(jiān)測結(jié)果與靈敏度較高的FBG位移傳感器監(jiān)測結(jié)果吻合良好。與作為參考的FBG傳感器相比最大誤差為6.32%。

考慮到目前我們的工況有限，未來會(huì)在更大的模型或現(xiàn)場試驗(yàn)中做進(jìn)一步的研究。