Flex土體大位移監測傳感器研究*

朱瑞喜，洪成雨，段景川

(1.中電建南方建設投資有限公司，廣東 深圳518000；2.深圳大學土木與交通工程學院，廣東 深圳518060；3.深圳大學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的發展，我國在道路，橋梁和建筑方面得到了大規模迅速發展。為了保證相應的巖土工程設施的安全使用，對各種巖土工程土體內部進行位移監測顯得尤為重要[1－4]，土體的變形監測是交通、礦山、建筑、邊坡及基坑等工程的一項重要研究課題[5－8]。巖土工程中理論分析、室內外測試和工程實踐是巖土工程分析三個重要的方面[9]，在室內外測試中，首先，巖土工程要求測量設備可以進行長期觀測且不影響使用效果；其次測量設備需承受各種惡劣的巖土環境，使其傳輸數據；最后巖土工程一般測量范圍大、測點多，故要求測量設備量程大且可以大面積埋設[10]。

為了應對巖土工程監測所表現出的復雜特性，有不少學者提出了在巖土體中埋設傳感器來達到精確監測土體的效果[11－13]。傳感器是一種以一定的精確度把被測量狀態轉化為與之有確定對應關系的信號輸出的測量裝置[14]。例如，傳統的傾斜儀系統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或電動液位傳感器，以測量套管對地面移動的局部傾斜。然而，這種傳統測斜儀系統存在成本高、耐用性差、在大變形條件下測斜管的變形過大會導致運行精度降低等局限性[15－16]。此外，光纖布拉格光柵(FBG)被廣泛應用于應變和溫度的測量領域[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變，用于監測內部地面運動[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]，實際監測測試中以上有線傾斜傳感器難以監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勢遜色不少[23－25]。

本研究提出了一種基于Flex傳感技術的無線位移監測系統，Flex傳感器安裝在由一個鏈接鉸和兩個傳感梁組成的鉸鏈彎曲結構中，以測量傾斜角度。由標定試驗得出Flex傳感器的最大量程為0~60°，分辨率為0.5°~0.7°。利用Flex傳感器監測了某基坑模型的內部沉降和水平位移，并與傳統位移傳感器進行了對比驗證?，F有的Flex傳感器具有使用方便、結構設計簡單、傳感器元件高度柔性、可埋入土壤中進行地面運動監測等一系列典型優點。并且性能穩定，實時數據連續輸出，工作原理簡單。

1 Flex傳感器技術

1.1 Flex傳感器原理

Flex傳感器是一種碳電阻式傳感器，它將物理能量轉換為電能。在不同的彎曲角度，它有不同的阻力值。電信號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，沿基板會出現細小的微裂紋。當彎曲角度增大時，微裂紋張開并增大，使傳感器的整體電導率降低，整體電阻增大。反之，當彎曲角度減小時，整體電阻減小。該傳感器由于應用電路簡單，輸出信號易于處理，已廣泛應用于農業、醫療器械、樂器和機器人等領域。

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個彎曲點處的角度變化，主要通過Flex彎曲傳感器測得；x i為第i＋1個彎曲點處的總水平位移，y i為第i＋1個彎曲點處的總豎向位移，b i為第i個傳感梁長度。

1.2 Flex傳感器設計

利用CAD設計一種Flex彎曲傳感器，彎曲傳感器共有兩個型號，Flex 4.5和Flex 2.2，Flex 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。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，對連接端內圓弧進行高精度拋光，提高旋轉角度。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構組成。其中鉸鏈彎曲結構包括一個鏈接鉸和兩個傳感梁。設計彎曲傳感器封裝外殼固定保護端長120 mm，寬為30 mm，厚為5 mm，橫截面中間預留寬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給電阻帶來變化，故為了限制傳感器的彎曲點，集中傳感器的彎曲點，提高傳感器的精度，3D打印一個外殼，使傳感器可單向彎曲。

圖2 3D打印技術制作的無線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構，并且鏈接鉸處的摩擦力很小可以隨土體的變形自由滑動，因此在土體作用下，只考慮變形發生在鉸鏈位置處。而且本文中的Flex位移傳感器，是由若干單元組成，具體根據監測深度所需單元數量確定，因此本研究的Flex傳感器不會局限于一個點位的測量。

1.3 Flex彎曲傳感器的標定

Flex標定試驗平臺由Flex彎曲傳感器、藍牙無線傳輸端、信號接收端和角度顯示器共同組成。標定平臺如圖3所示。標定試驗隨機選用了6個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，最大彎曲到60°。

圖3 Flex彎曲傳感器的標定平臺

如圖4所示為Flex1號傳感器正向和反向彎曲標定結果圖。彎曲角度和傳感器信號的關系式為y＝－2.46x＋138.94，彎曲角度與標準誤差的關系式為s＝0.038x＋1.28。彎曲角度和傳感器信號基本呈線性關系，線性度達0.99，線性關系良好。標定試驗中，傳感器每彎曲0.5°，會有明顯示數變化，傳感器分辨率為0.5°。

圖4 Flex1號傳感器標定結果

如圖5所示為Flex2號傳感器正向和反向彎曲標定結果圖。彎曲角度和傳感器信號的關系式為y＝－2.37x＋132.85。彎曲角度和傳感器信號基本呈線性關系，線性度達0.99，線性關系良好。標定試驗中，傳感器每彎曲0.6°，會有明顯示數變化，傳感器分辨率為0.6°。

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

圖5 Flex2號傳感器標定結果

如圖6所示為Flex3號傳感器正向和反向彎曲標定結果圖。彎曲角度和傳感器信號的關系式為y＝－2.56x＋183.1，彎曲角度與標準誤差的關系式為s＝0.054x＋1.827。彎曲角度和傳感器信號基本呈線性關系，線性度達0.99，線性關系良好。標定試驗中，傳感器每彎曲0.6°，會有明顯示數變化，傳感器分辨率為0.6°。

圖6 Flex3號傳感器標定結果

如圖7所示為Flex4號傳感器正向和反向彎曲標定結果圖。彎曲角度和傳感器信號的關系式為y＝－1.69x＋130.99，彎曲角度與標準誤差的關系式為s＝0.042x＋1.439。彎曲角度和傳感器信號基本呈線性關系，線性度達0.99，線性關系良好。標定試驗中，傳感器每彎曲0.7°，會有明顯示數變化，傳感器分辨率為0.7°。

圖7 Flex4號傳感器標定結果

如圖8所示為Flex5號傳感器正向和反向彎曲標定結果圖。彎曲角度和傳感器信號的關系式為y＝－1.56x＋267.77，彎曲角度與標準誤差的關系式為s＝0.038x＋1.282。彎曲角度和傳感器信號基本呈線性關系，線性度達0.99，線性關系良好。標定試驗中，傳感器每彎曲0.7°，會有明顯示數變化，傳感器分辨率為0.7°。

圖8 Flex5號傳感器標定結果

如圖9所示為Flex6號傳感器正向和反向彎曲標定結果圖。彎曲角度和傳感器信號的關系式為y＝－1.04x＋253.54，彎曲角度與標準誤差的關系式為s＝0.026x＋0.877。彎曲角度和傳感器信號基本呈線性關系，線性度達0.99，線性關系良好。標定試驗中，傳感器每彎曲0.6°，會有明顯示數變化，傳感器分辨率為0.6°。

圖9 Flex6號傳感器標定結果

傳感器的兩條標定曲線呈現一定的滯回現象，產生滯回現象的原因主要是鏈接鉸處圓柱體軸承轉動過程中的產生的摩擦以及Flex傳感器的傳動元件之間的間隙。通過上述6個Flex傳感器的標定結果可以得到在0~60°的測量范圍內Flex大位移傳感器信號與彎曲角度呈現良好的線性關系，其分辨率可達到0.5°~0.7°。

2 基于Flex傳感器的基坑模型監測驗證研究

2.1 試驗建立及加載過程

表1 試驗用標準砂土體參數

試驗截面示意圖如圖10所示，本試驗采用靈敏度較高的FBG大位移傳感器與本研究制備的Flex大位移傳感器做對比，FBG大位移傳感器均與Flex位移傳感器的監測點在同一水平面上，在基坑內側放置常規的位移計，監測每次加載后基坑內部側壁位移值。在周圍土體內部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監測沉降。

圖10 試驗截面示意圖

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，在加載到第八個砝碼時，基坑支護側發生位移，第十個砝碼時，基坑發生破壞，停止加載。

2.2 試驗結果與分析

如圖11為1~3號傳感器在基坑加載下，加載次數與位移的關系。從圖中可以看出:在相同的豎向平面內，隨著加載次數的增加，基坑支護側邊土體的位移也在增加，在前7次加載下，波長與加載次數基本呈線性增長，在7次加載后，位移顯著增加，直至第10次，基坑發生明顯位移，即發生破壞。且1號傳感器監測到的位移大于3號傳感器監測到的位移大于2號傳感器監測到的位移，即隨著監測點深度的減小，位移增大。

圖11 1~3號傳感器位移對比

圖12 所示為FBG2號大位移傳感器、Flex傳感器在底層位移對比圖，從圖中可以看出，FBG大位移傳感器對位移測量更精確，在第4次加載時，FBG大位移傳感器已測得位移，而Flex傳感器示數仍為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大于FBG大位移傳感器大于Flex彎曲傳感器，在第2次加載時，位移計和FBG大位移傳感器已測得位移，而Flex傳感器示數仍為0。隨著荷載的增加，位移計、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位移傳感器監測數值基本與現場實測數值吻合。

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大位移傳感器數據與Flex傳感器的數據進行對比計算得出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

通過標定試驗可知，在0~60°的測量范圍內Flex大位移傳感器信號與彎曲角度呈現良好的線性關系，線性度均為0.99，其分辨率可達到0.5°~0.7°。在室內模型箱試驗中發現Flex傳感器的靈敏度與其鏈接鉸的彎曲半徑有關，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位移傳感器測量結果進行比較，得到的數據結果吻合良好，驗證了Flex大位移傳感器的可靠性。

3 結論

本研究研發了一種基于Flex傳感技術的無線位移監測系統，通過將其應用到模型監測之中，得到如下結論。①將3D打印和Flex傳感技術相結合，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彎曲傳感器標定試驗表明:傳感器信號與彎曲角度呈線性關系，線性度良好。最大量程為0~60°，分辨率為0.5°~0.7°之間。③在室內模型箱試驗中，Flex位移傳感器的監測結果與靈敏度較高的FBG位移傳感器監測結果吻合良好。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，未來會在更大的模型或現場試驗中做進一步的研究。