斜坡土體運動監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

中國電建市政建設(shè)集團有限公司，天津 300384

Flex傳感器是一種電阻式傳感器，以單薄的柔性塑料上的電阻碳元素為基板，表面是一層特殊的電阻材料[1]。Flex彎曲傳感器將一種具有波狀紋理的導(dǎo)電油墨、其他金屬或半導(dǎo)體粒子混合到一種彈性體中，并在通道里嵌入離子液體（IL）作為可變導(dǎo)體的設(shè)備。Flex傳感器的工作溫度約為-43～52℃，其工作原理是傳感器的輸出電阻隨彎曲角度的變化而變化，當(dāng)Flex彎曲傳感器受到應(yīng)力基板發(fā)生彎曲變形時，涂層表面的元素分離產(chǎn)生微裂痕，導(dǎo)致電阻變化，進而使Flex傳感器按比例產(chǎn)生電阻輸出[2]。

與傳統(tǒng)的傳感器相比，F(xiàn)lex傳感器成本較低，輕便小巧，具有耐用性、機械性、可靠性以及測量的可重復(fù)性等特性[3]，其封裝后受環(huán)境影響較小，使用壽命較長。該傳感器應(yīng)用電路簡單，輸出信號易于處理，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療器械、樂器和機器人等領(lǐng)域[4]。其中，F(xiàn)lex彎曲傳感器可用于監(jiān)測人體關(guān)節(jié)動靜態(tài)時的姿態(tài)，主要是將關(guān)節(jié)運動的角度變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，其還可用于測量其他人體關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，例如肘、腳踝以及肩膀的運動，為步態(tài)分析以及矯正器具等方面提供幫助。現(xiàn)有的Flex傳感器具有使用方便、結(jié)構(gòu)設(shè)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(jiān)測等優(yōu)點，并且其性能穩(wěn)定，實時數(shù)據(jù)可連續(xù)輸出，工作原理簡單。文章將Flex傳感器應(yīng)用于土木工程監(jiān)測，具有一定的創(chuàng)新性。

1 Flex土體變形監(jiān)測傳感器的設(shè)計和制備

Flex傳感器是一種用于測量撓度或彎曲度的電阻傳感器。彎曲傳感器表面時，其電阻會發(fā)生變化，因此可使用撓性傳感器制作彎曲傳感器的基本結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lex土體變形監(jiān)測傳感器元件通過藍牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)（見圖1）。Flex土體變形監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)的特點是2個傳感梁由軸承連接，通過嵌入的Flex傳感器電阻變化測量角度。每當(dāng)兩根梁之間的相對位置發(fā)生變化時，嵌入在兩根梁內(nèi)部的Flex傳感器就會出現(xiàn)相應(yīng)的彎曲角度變化。

圖1 基于藍牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無線Flex傳感器

利用CAD設(shè)計一種Flex土體變形監(jiān)測傳感器，見圖2。Flex傳感器電阻片共有兩個型號，F(xiàn)lex4.5和Flex2.2，F(xiàn)lex4.5傳感器長110mm、寬7mm、厚1mm；Flex2.2傳感器長70mm、寬7mm、厚1mm。在Flex傳感器外用厚度為8mm的熱縮套管加熱保護。由于該傳感器對連接端角度的精度要求較高，采用鋁合金封裝，對連接端內(nèi)圓進行精度拋光，提高旋轉(zhuǎn)角度。Flex傳感器由Flex傳感器、連接端、固定保護端、連接圓桿組成。設(shè)計側(cè)斜傳感器封裝外殼固定保護端長120mm、寬30mm、厚5mm，橫截面中間預(yù)留寬8mm、厚2.2mm的長方形槽，可放入Flex傳感器。連接端為外圓半徑為5mm、內(nèi)圓半徑為3mm的空心圓筒，高度為5mm。連接圓桿為半徑為3mm、高度為30mm的圓柱，中間同樣是寬8mm、厚2.2mm的長方形槽。Flex沉降傳感器長135mm、寬30mm、厚5mm。橫截面中間同樣預(yù)留寬8mm、厚2.2mm的長方形槽，可放入Flex傳感器。

圖2 CAD設(shè)計圖

2 Flex側(cè)斜傳感器的工作原理推導(dǎo)

Flex傳感器是一種碳電阻式的傳感器，它能夠?qū)⑽锢砟芰哭D(zhuǎn)換為電能。在不同的彎曲角度，它具有不同的電阻值。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聚合物油墨，沿基板會出產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋。當(dāng)彎曲角度增大時，微裂紋張開并增大，使傳感器的整體電導(dǎo)率降低，整體電阻會增大。反之，當(dāng)彎曲角度變小時，整體電阻會減小。

Flex測斜傳感器彎曲前后的示意圖見圖3，傳感器長度為b，彎曲角度為α，則橫向位移計算公式如下：

圖3 Flex彎曲傳感器彎曲前后示意圖

豎向位移計算公式如下：

3 Flex傳感器標(biāo)定試驗

此次試驗在3個Flex傳感系統(tǒng)中設(shè)計制作了7個Flex傳感器，用于監(jiān)測某邊坡模型的內(nèi)部傾角變化。這7個傳感器，即A1～A7，按照設(shè)計的原理結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。這7個Flex傳感器在實驗室的標(biāo)定數(shù)據(jù)見圖4。由圖4可知，F(xiàn)lex傳感器數(shù)據(jù)的變化與撓性角度的變化成線性比例。標(biāo)定試驗中3個傳感器的最大彎曲角度均為60°。因此，F(xiàn)lex傳感器可以用來監(jiān)測發(fā)生在地面內(nèi)部的大傾角。

圖4 土體變形監(jiān)測傳感器的標(biāo)定試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

基于Flex傳感器，該研究制備了一種Flex無線斜坡運動傳感系統(tǒng)，結(jié)合制備過程與標(biāo)定試驗得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合藍牙無線傳輸技術(shù)可設(shè)計制作Flex彎曲傳感器。該新型土體變形監(jiān)測傳感器具有嵌入靈活、實時數(shù)據(jù)連續(xù)輸出和傳感器數(shù)據(jù)快速處理的特點。

（2）標(biāo)定測試表明，F(xiàn)lex土體變形監(jiān)測傳感器具有可靠的測量性能，最小分辨率和測量范圍分別為0.5度和-20°～65°。根據(jù)物理參數(shù)計算出的傾角與角規(guī)測得的角度吻合較好。