監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部?jī)A斜的智能系統(tǒng)研究

中國(guó)電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300384

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)均在不斷地向前發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)方面的發(fā)展也愈加完善。巖土工程的監(jiān)測(cè)問(wèn)題對(duì)于保障人民群眾的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。路基監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法的研究，不僅能夠保證邊坡的穩(wěn)定性，還能用于驗(yàn)證支擋措施取得的效果，在關(guān)鍵時(shí)刻可以提前預(yù)警，提高路基安全穩(wěn)定性[1-2]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)通常采用電阻儀器，如監(jiān)測(cè)變形的主要儀器有固定測(cè)斜儀、位移計(jì)、水管式傾斜儀等[3]。Flex傳感器常用于機(jī)械手套、機(jī)器人的研究中，具有體積小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，近幾年被用于巖土工程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中[4-5]。

1 Flex傳感器的設(shè)計(jì)與制造

Flex傳感器是一種電阻傳感器，用于測(cè)量撓度或彎曲度。測(cè)量彎曲度時(shí)，撓性傳感器的電阻會(huì)發(fā)生變化。使用Flex傳感器制造的彎曲傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。柔性傳感器元件可連接藍(lán)牙數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)進(jìn)行讀數(shù)。此次研究制作了一個(gè)具有兩個(gè)通過(guò)自由接頭連接的傳感梁的接頭結(jié)構(gòu)，以測(cè)量?jī)蓚€(gè)梁之間的相對(duì)角度變化。每次改變兩個(gè)梁之間的相對(duì)位置時(shí)，都會(huì)將撓性傳感器嵌入內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光束將表現(xiàn)出相應(yīng)的單一變化，表明兩個(gè)光束之間的彎曲角度變化程度。每個(gè)梁的長(zhǎng)度為51mm，寬度為10mm，外部厚度為5mm。在每個(gè)橫梁內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)小的內(nèi)部插槽（寬度為3mm，長(zhǎng)度為5mm），用于放置柔性傳感器。

圖1 連接藍(lán)牙數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的無(wú)線Flex傳感器

2 Flex傳感器的標(biāo)定

兩根橫梁之間安裝了直徑為5mm的鋼軸承，用于控制和反映兩根橫梁之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。將整個(gè)彎曲傳感器垂直放置在用于監(jiān)測(cè)傾斜度的坡度模型內(nèi)。在斜面模型的頂部表面上施加垂直荷載后的角度變化與校準(zhǔn)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。測(cè)試所用的設(shè)備包括用于測(cè)量傳感器彎曲角度的數(shù)字角度計(jì)，用于接收和處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，用于固定傳感器的特殊包裝結(jié)構(gòu)以及基于Flex的完整土壤沉降傳感系統(tǒng)，包括Flex彎曲傳感器、數(shù)據(jù)線、藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊等。此外，在校準(zhǔn)測(cè)試中，由3D打印機(jī)制作了Flex彎曲傳感器的包裝結(jié)構(gòu)，該包裝結(jié)構(gòu)包括多個(gè)位移傳輸板和相應(yīng)數(shù)量的連接鉸鏈。當(dāng)標(biāo)記的彎曲點(diǎn)緊貼旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，F(xiàn)lex彎曲傳感器不會(huì)影響電阻和彎曲角度之間的關(guān)系。Flex彎曲傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)合FLEX彎曲傳感器的包裝結(jié)構(gòu)

Flex彎曲傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試步驟如下：（1）準(zhǔn)備用于測(cè)量角度的輔助設(shè)備以測(cè)量傳感器的彎曲角度，然后記錄傳感器從筆直狀態(tài)開(kāi)始的電信號(hào)輸出。（2）每隔5°停止，使傳感器沿傳感器封裝結(jié)構(gòu)的固定軸緩慢彎曲，并記錄此時(shí)的電信號(hào)輸出量。（3）繼續(xù)彎曲傳感器，直到傳感器彎曲60°，處理與變化角度相對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)量，并繪制線圖。（4）得到Flex彎曲傳感器的輸出電信號(hào)量與其彎曲角度的關(guān)系以及相應(yīng)的方程式。分別對(duì)此次研究中使用的3個(gè)Flex彎曲傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。重復(fù)上述測(cè)試步驟，獲得彎曲角度分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°時(shí)Flex彎曲傳感器的數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，找出各個(gè)角度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定值，進(jìn)行濾波組合后生成散點(diǎn)圖，將這些點(diǎn)做成線性趨勢(shì)線，即可得到Flex彎曲傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。3個(gè)Flex彎曲傳感器均按上述步驟進(jìn)行標(biāo)定。

Flex彎曲傳感器的測(cè)試結(jié)果是在校準(zhǔn)測(cè)試后獲得的，這3個(gè)傳感器分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)。1號(hào)Flex彎曲傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)傳感器的彎曲角度為0°時(shí)，穩(wěn)定的輸出信號(hào)為569；當(dāng)彎曲角度為60°時(shí)，穩(wěn)定輸出信號(hào)為442。在整個(gè)校準(zhǔn)測(cè)試中，輸出信號(hào)變化量為127。1號(hào)Flex傳感器的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)彎曲角度變大時(shí)，F(xiàn)lex彎曲傳感器的輸出信號(hào)量變小，可得出線性回歸方程如下：

圖3 1號(hào)Flex傳感器的測(cè)試結(jié)果

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9981，故可將1號(hào)Flex彎曲傳感器的輸出信號(hào)與其彎曲角度之間的關(guān)系視為線性關(guān)系。

2號(hào)Flex彎曲傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)傳感器的彎曲角度為0°時(shí)，穩(wěn)定的輸出信號(hào)為618；當(dāng)彎曲角度為60°時(shí)，穩(wěn)定的輸出信號(hào)為495。在整個(gè)校準(zhǔn)測(cè)試中，信號(hào)變化量為123。2號(hào)Flex傳感器的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，當(dāng)彎曲角度變大時(shí)，F(xiàn)lex彎曲傳感器的輸出信號(hào)量變小，可得出線性回歸方程如下：

圖4 2號(hào)Flex傳感器的測(cè)試結(jié)果

線性相關(guān)系數(shù)為R2=0.9987，故可將2號(hào)Flex彎曲傳感器的輸出信號(hào)與其彎曲角度之間的關(guān)系視為線性關(guān)系。

3號(hào)Flex彎曲傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)傳感器的彎曲角度為0°時(shí)，穩(wěn)定的輸出信號(hào)為496；當(dāng)彎曲角度為60°時(shí)，穩(wěn)定的輸出信號(hào)為366。在整個(gè)校準(zhǔn)測(cè)試中，信號(hào)變化量為130。3號(hào)Flex傳感器的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)彎曲角度變大時(shí)，F(xiàn)lex彎曲傳感器的輸出信號(hào)量變小，可得出線性回歸方程如下：

圖5 3號(hào)Flex傳感器的測(cè)試結(jié)果

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9961，故可將3號(hào)Flex彎曲傳感器的輸出信號(hào)與其彎曲角度之間的關(guān)系視為線性關(guān)系。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，為邊坡模擬試驗(yàn)選擇的3個(gè)Flex彎曲傳感器的輸出信號(hào)量和彎曲角度具有良好的線性關(guān)系，可用于邊坡模型荷載試驗(yàn)的土壤沉降監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章基于Flex技術(shù)結(jié)合藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)并制造了一種彎曲傳感器，通過(guò)梁的相對(duì)位置改變以監(jiān)測(cè)彎曲角度，并對(duì)3個(gè)Flex傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)研究。研究證明了3個(gè)Flex彎曲傳感器的輸出信號(hào)量與彎曲角度都有良好的線性關(guān)系，同時(shí)Flex傳感器具有足夠的精度，但從數(shù)據(jù)上分析不能用于測(cè)量小位移，彎曲角度的變化量應(yīng)盡可能增加以提高其準(zhǔn)確性。