房屋變形坍塌預(yù)警傳感器技術(shù)研究

繆秋蓮 關(guān)樸芳 謝祖強(qiáng) 杜盼成

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

關(guān)鍵字：傳感器；變形坍塌；應(yīng)變片；預(yù)警；實(shí)驗(yàn)

國內(nèi)外大型建筑物的安全監(jiān)控及分析預(yù)警系統(tǒng)正在向網(wǎng)絡(luò)模式的方向發(fā)展，并且已經(jīng)由事后數(shù)據(jù)處理發(fā)展到了事前安全預(yù)警的程度，為相關(guān)部門提供了決策基礎(chǔ)，這也必定是今后大型建筑物安全監(jiān)測及變形預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。然而，目前在房屋建筑物變形預(yù)警方面的研究仍存在空白，沒有相應(yīng)的預(yù)警系統(tǒng)。

近年來，建筑物坍塌事故頻發(fā)，給人們的生命安全造成了嚴(yán)重影響。例如：某市酒店發(fā)生倒塌事故，現(xiàn)場搜救出受困人員71 人，死亡29 人，受傷42 人，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。相關(guān)部門針對該坍塌事故組織調(diào)查組調(diào)查后顯示，事故所涉酒店在建設(shè)、改造等環(huán)節(jié)存在嚴(yán)重問題，改造后的房屋因超過自身的強(qiáng)度極限或因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞而造成了此次事故。該房屋在坍塌前，出現(xiàn)了承重柱變形、窗戶破裂等預(yù)警現(xiàn)象。由于缺乏預(yù)警系統(tǒng)，這些預(yù)警現(xiàn)象并未被房屋內(nèi)部租住人員識別。因此，需要設(shè)計(jì)一款預(yù)警傳感器來識別房屋變形量，當(dāng)房屋產(chǎn)生變形時(shí)能夠提前預(yù)警，以便減少不必要的損失。

1 設(shè)計(jì)原理

房屋坍塌事故發(fā)生前會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形現(xiàn)象，如承重柱扭曲變形[2]等。本課題設(shè)計(jì)了一款房屋變形坍塌預(yù)警傳感器，以采集房屋承重柱變形量，該傳感器能夠?qū)⒎课莩兄刂茸冃吻闆r轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅麟娮柚底兓盘柌⑤敵觯欣诤笃诜课葑冃翁A(yù)警技術(shù)的深度開發(fā)，從而減少房屋坍塌帶來的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

房屋變形坍塌預(yù)警傳感器是一種采用應(yīng)變式傳感器來測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的傳感器，其中應(yīng)變式傳感器能夠?qū)C(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。房屋變形坍塌預(yù)警傳感器應(yīng)變片的基本構(gòu)造如圖1 所示，由基片、引線、敏感柵和覆蓋層等部件組成，其中敏感柵是由Φ0.01～0.05 mm 的高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲成柵狀的電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分[3]。

圖1 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片的構(gòu)造圖

房屋變形坍塌預(yù)警傳感器制作時(shí)，可應(yīng)用粘合劑將敏感柵固定在基片上。為了使構(gòu)件上的應(yīng)變能夠準(zhǔn)確傳遞給敏感柵，基片必須很薄，通常為0.03～0.06 mm，并且要保證它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起[4]。

2.2 測量電路設(shè)計(jì)

當(dāng)房屋承重柱受力變形時(shí)，房屋變形坍塌預(yù)警傳感器應(yīng)變片的敏感柵將會(huì)獲得同樣的變形力，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，其變化值與承重柱變形量成對應(yīng)比例。房屋變形坍塌預(yù)警傳感器測量電路的設(shè)計(jì)目的是通過測量電路將應(yīng)變片電阻變化轉(zhuǎn)換為電路電壓變化，最終根據(jù)電壓變化量折算出被測承重柱變形量的大小，其測量電路使用直流電橋電路，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變傳感器測量電路圖

當(dāng)房屋變形坍塌預(yù)警傳感器應(yīng)變片發(fā)生形變時(shí)，若電阻改變量為ΔR，則輸出電壓變化量ΔU為：

假設(shè)房屋承重柱為圓柱體，則其軸向是最大應(yīng)變處，環(huán)向?yàn)樽畲筘?fù)應(yīng)變處。為了提高房屋變形坍塌預(yù)警傳感器識別變形的能力，對原有直流電橋電路做了相應(yīng)改變，如圖3 所示。由圖3 可知，每根承重柱需要粘貼8 個(gè)應(yīng)變片，其中包括4 個(gè)軸向片和4 個(gè)橫向片，且應(yīng)變片貼在圓柱中部的四等分圓周上，如圖4所示。其目的是為了保證將4 片應(yīng)變片粘貼在最大正應(yīng)變處，另外4 片貼在最大負(fù)應(yīng)變處，從而獲得最大靈敏度，并方便應(yīng)變片接入串聯(lián)全橋電路。

圖3 改變后的電橋電路

圖4 應(yīng)變片的粘貼位置圖

采用改變后的電橋電路后，當(dāng)房屋變形坍塌預(yù)警傳感器應(yīng)變片發(fā)生形變時(shí)，若電阻改變量為ΔR，則房屋變形坍塌預(yù)警系統(tǒng)輸出的電壓變化量ΔU為：

2.3 軟件電路仿真設(shè)計(jì)

本文利用Altium Designer 電氣元器件電路原理圖軟件設(shè)計(jì)房屋變形坍塌預(yù)警應(yīng)變式傳感器電路，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 房屋變形坍塌預(yù)警應(yīng)變式傳感器電路設(shè)計(jì)圖

3 實(shí)驗(yàn)測試

按照上述設(shè)計(jì)制作出硬件部分的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB），并把編寫的相應(yīng)程序燒錄到電路板中，從而制作成房屋變形坍塌預(yù)警傳感器試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D6 所示。對房屋變形坍塌預(yù)警系統(tǒng)傳感器進(jìn)行相應(yīng)的性能測試，其測試結(jié)果如圖7 所示。經(jīng)測試，設(shè)計(jì)出的房屋變形坍塌預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)變式傳感器能檢測到彎曲形量，且輸出電壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，能夠模擬檢測房屋承重柱彎曲情況，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖6 房屋變形坍塌預(yù)警應(yīng)變式傳感器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖7 測試結(jié)果

4 結(jié)語

此次設(shè)計(jì)的房屋變形坍塌預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)變式傳感器可用于房屋變形量檢測，適用于鋼筋混凝土房屋、鋼結(jié)構(gòu)房屋、木質(zhì)房屋等具有承重柱的房屋，在外力或重力作用下該傳感器會(huì)發(fā)出變形坍塌事故預(yù)警信號，從而減少了房屋坍塌帶來的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失。