監測土體內部傾斜的智能系統研究

中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384

隨著國家經濟的飛速發展，各行各業均在不斷地向前發展，基礎建設方面的發展也愈加完善。巖土工程的監測問題對于保障人民群眾的生命安全和財產安全具有重要意義。路基監測技術和方法的研究，不僅能夠保證邊坡的穩定性，還能用于驗證支擋措施取得的效果，在關鍵時刻可以提前預警，提高路基安全穩定性[1-2]。傳統的監測通常采用電阻儀器，如監測變形的主要儀器有固定測斜儀、位移計、水管式傾斜儀等[3]。Flex傳感器常用于機械手套、機器人的研究中，具有體積小、造價低等優點，近幾年被用于巖土工程監測試驗中[4-5]。

1 Flex傳感器的設計與制造

Flex傳感器是一種電阻傳感器，用于測量撓度或彎曲度。測量彎曲度時，撓性傳感器的電阻會發生變化。使用Flex傳感器制造的彎曲傳感器的基本結構如圖1所示。柔性傳感器元件可連接藍牙數據收集系統進行讀數。此次研究制作了一個具有兩個通過自由接頭連接的傳感梁的接頭結構，以測量兩個梁之間的相對角度變化。每次改變兩個梁之間的相對位置時，都會將撓性傳感器嵌入內部兩個光束將表現出相應的單一變化，表明兩個光束之間的彎曲角度變化程度。每個梁的長度為51mm，寬度為10mm，外部厚度為5mm。在每個橫梁內部創建了一個小的內部插槽（寬度為3mm，長度為5mm），用于放置柔性傳感器。

圖1 連接藍牙數據收集系統的無線Flex傳感器

2 Flex傳感器的標定

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旋轉運動。將整個彎曲傳感器垂直放置在用于監測傾斜度的坡度模型內。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測試在實驗室進行。測試所用的設備包括用于測量傳感器彎曲角度的數字角度計，用于接收和處理數據的計算機，用于固定傳感器的特殊包裝結構以及基于Flex的完整土壤沉降傳感系統，包括Flex彎曲傳感器、數據線、藍牙無線傳輸模塊等。此外，在校準測試中，由3D打印機制作了Flex彎曲傳感器的包裝結構，該包裝結構包括多個位移傳輸板和相應數量的連接鉸鏈。當標記的彎曲點緊貼旋轉軸時，Flex彎曲傳感器不會影響電阻和彎曲角度之間的關系。Flex彎曲傳感器的封裝結構如圖2所示。

圖2 結合FLEX彎曲傳感器的包裝結構

Flex彎曲傳感器的校準測試步驟如下：（1）準備用于測量角度的輔助設備以測量傳感器的彎曲角度，然后記錄傳感器從筆直狀態開始的電信號輸出。（2）每隔5°停止，使傳感器沿傳感器封裝結構的固定軸緩慢彎曲，并記錄此時的電信號輸出量。（3）繼續彎曲傳感器，直到傳感器彎曲60°，處理與變化角度相對應的輸出電信號量，并繪制線圖。（4）得到Flex彎曲傳感器的輸出電信號量與其彎曲角度的關系以及相應的方程式。分別對此次研究中使用的3個Flex彎曲傳感器進行校準。重復上述測試步驟，獲得彎曲角度分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°時Flex彎曲傳感器的數據。對測試結果進行數據處理后，找出各個角度數據的穩定值，進行濾波組合后生成散點圖，將這些點做成線性趨勢線，即可得到Flex彎曲傳感器的校準測試結果。3個Flex彎曲傳感器均按上述步驟進行標定。

Flex彎曲傳感器的測試結果是在校準測試后獲得的，這3個傳感器分別編號為1號、2號和3號。1號Flex彎曲傳感器的校準測試結果表明，當傳感器的彎曲角度為0°時，穩定的輸出信號為569；當彎曲角度為60°時，穩定輸出信號為442。在整個校準測試中，輸出信號變化量為127。1號Flex傳感器的測試結果如圖3所示。從圖3中可以看出，當彎曲角度變大時，Flex彎曲傳感器的輸出信號量變小，可得出線性回歸方程如下：

圖3 1號Flex傳感器的測試結果

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

2號Flex彎曲傳感器的校準測試結果表明，當傳感器的彎曲角度為0°時，穩定的輸出信號為618；當彎曲角度為60°時，穩定的輸出信號為495。在整個校準測試中，信號變化量為123。2號Flex傳感器的測試結果如圖4所示。從圖4中可以看出，當彎曲角度變大時，Flex彎曲傳感器的輸出信號量變小，可得出線性回歸方程如下：

圖4 2號Flex傳感器的測試結果

線性相關系數為R2=0.9987，故可將2號Flex彎曲傳感器的輸出信號與其彎曲角度之間的關系視為線性關系。

3號Flex彎曲傳感器的校準測試結果表明，當傳感器的彎曲角度為0°時，穩定的輸出信號為496；當彎曲角度為60°時，穩定的輸出信號為366。在整個校準測試中，信號變化量為130。3號Flex傳感器的測試結果如圖5所示。從圖5中可以看出，當彎曲角度變大時，Flex彎曲傳感器的輸出信號量變小，可得出線性回歸方程如下：

圖5 3號Flex傳感器的測試結果

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

根據測試結果，為邊坡模擬試驗選擇的3個Flex彎曲傳感器的輸出信號量和彎曲角度具有良好的線性關系，可用于邊坡模型荷載試驗的土壤沉降監測。

3 結束語

文章基于Flex技術結合藍牙無線傳輸技術設計并制造了一種彎曲傳感器，通過梁的相對位置改變以監測彎曲角度，并對3個Flex傳感器進行標定試驗研究。研究證明了3個Flex彎曲傳感器的輸出信號量與彎曲角度都有良好的線性關系，同時Flex傳感器具有足夠的精度，但從數據上分析不能用于測量小位移，彎曲角度的變化量應盡可能增加以提高其準確性。