一種土體動態應變傳感器的設計

尹姜鰻 李耀宗 蔣薇 張勝杰 王林

摘要：該文研發了一種土體動態應變傳感器，能夠對鐵路路基的土體動態應變進行實時監測，保障路基結構穩定性與行車安全。該文詳細闡述了土體動態應變傳感器的設計原理，通過試驗與理論相結合，試驗測試傳感器各部分材料性能，分析材料具體適用條件，選擇土體動態應變傳感器的最優組合，保證土體動態應變傳感器的可靠性，適應實際工程的使用情況。

關鍵詞：鐵路路基傳感器研發試驗研究土體應變應變監測

中圖分類號：TU196;TU4文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Design of a Dynamic Strain Sensor for Soil

YIN Jiangman*LI YaozongJIANG WeiZHANG ShengjieWANG Lin

（School of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang，Hebei Province，050043 China）

Abstract：In this paper，a soil dynamic strain sensor is developed， which can monitor the soil dynamic strain of railway subgrade in real time and ensure the stability of subgrade structure and traffic safety. In this paper， the design principle of soil dynamic strain sensor is expounded in detail. Through the combination of experiment and theory， the material properties of each part of the sensor are tested， the specific applicable conditions of the material are analyzed， and the optimal combination of soil dynamic strain sensor is selected to ensure the reliability of soil dynamic strain sensor and adapt to the use of practical engineering.

Key Words：Railway subgrade; Sensor development; Experimental study; Soil strain; Strain monitoring

近年來，隨著我國鐵路建設里程的不斷增加以及列車速度的不斷提高，對鐵路工程的安全性與穩定性也提出了更高的要求。鐵路路基在列車動荷載的作用下，會產生動態應變，在鐵路長期運營過程中，會導致路基變形增大，嚴重影響軌道的平順性和列車的行駛安全。因此，需要對鐵路路基的土體動態應變進行監測，保證結構安全。

土體與其他連續固體介質相區別的最主要特征就是它的多孔性和散體性，由此導致了土體的一系列物理特性和力學特性。土工試驗是認識土的形狀和發展的重要方式。秦鵬飛闡釋了室內土工測試技術研究的新進展，比如三軸壓縮、離心模型試驗、共振柱試驗及熱物性參數試驗;并且分析了巖土原位測試技術及其應用研究，比如靜載荷試驗、觸探試驗、旁壓試驗和十字板剪切試驗[1]。但是已有的土工試驗方法間接求得土體應變，缺少一種對土體動態應變進行實時精確測量的裝置。使用電阻應變片可以有效地結構工程解決實時監測的問題，將電阻應變片應用于土體動態應變監測領域是目前應用在土體動態應變上的新檢測方式。

電阻應變片尺寸小，性能穩定，在混凝土結構、鋼結構以及橋梁工程的變形監測中得到了廣泛應用。周笑將電阻應變片應用于大型原油儲罐彎曲應力監測，提高彎曲應力檢測的準確率[2]。李紅文根據金屬電阻應變片稱重傳感器的原理，實現對貨車載重物品重心的監測與計算[3]。澳大利亞新南威爾士州的一座大型電纜架橋，已廣泛安裝加速度計、應變計和環境傳感器陣列，用于橋梁安全的長期監測[4]。張道英利用工具室應變片對鋼筋混凝土梁橋進行荷載試驗，為橋梁的養護、加固等工作提供數據支撐。電阻應變片的測試技術在結構工程中的成熟且精確[5]，為土體動態應變的實時監測提供了參考。電阻應變片的測試技術在結構工程等領域中的應用成熟且精確，為土體動態應變的實時監測提供了參考。因此，該文的研究目的是開發出一種基于電阻應變片測試技術能夠實時精確測量土體動態應變的傳感器。

1土體動態應變傳感器設計原理

土作為散粒體，電阻應變片與其接觸無法產生應變，需要土體動態應變傳感器作為中間介質，電阻應變片布設在其結構上，埋設在土體中壓實后，土體受到動態荷載時，土體動態應變傳感器所布設的應變片會反映測試柱的彈性應變，根據標定公式推出土體動態傳感器的測試柱產生的彈性變形，上下承壓盤之間所夾的一小段土柱也會產生相應的彈性變形，且二者彈性變形數值相同，根據應變計算公式：

ε=?x/x（1）

式（1）中，x為變形前長度，?x為變形后長度變化量。土柱的彈性變形與上下兩承壓盤之間土柱高度的比值，即為土體的應變。

土體動態應變傳感器的結構如上圖所示，包括測試柱、承壓盤、連接環和電阻應變片;測試柱為彈性構件，長度為100 mm，直徑為10 mm，沿測試柱四周豎向均勻粘貼4個電阻應變式片;承壓盤設有兩個，直徑為100 mm;連接環的材質與測試柱相同，沿連接環四周豎向均勻粘貼4個電阻應變式傳感器，用以溫度補償。

2 傳感器各結構材料選擇

由于土體動態應變傳感器是埋設在鐵路路基結構內部進行動應變監測的，所以在傳感器各部分材料所組成時主要克服鐵路路基工程環境、溫度變化以及填土粒徑所帶來的影響。

2.1測試柱材料選擇

測試柱所用材料應具有良好的力學性能和壓縮性能，以保證土體動態應變傳感器在疲勞加載下測試效果的穩定性。

測試柱的材質選擇尼龍棒、聚甲醛以及PVC三種材料，制成直徑為16 mm，長度為150 mm的圓柱體試樣，利用應變控制式無側限壓力儀，通過無側限抗壓強度試驗，多次驗證其壓縮性能，測出不同應力下對應的應變值，根據胡克定律計算出壓縮模量，公式如下。

E=σ/ε（2）

通過無側限抗壓強度試驗可知，尼龍棒、聚甲醛以及PVC三種材料制成的圓柱體壓縮模量分別為218.627 MPa、382.970 MPa、1 028.191 MPa。在鐵路路基內部動應力衰減迅速，壓縮模量較小的尼龍棒可以保證土體動態應變傳感器在鐵路路基中變形明顯。

2.2承壓盤材料及尺寸選擇

承壓盤的直徑大小與土體粒徑有關，土體動態應變傳感器的直徑要大于土介質最大顆粒粒徑的50倍，以消除介質不均勻所引起的壓力差別[6];承壓盤的材質選用力學性能佳、易加工以及抗腐蝕性能優良的鋁合金。

2.3電阻應變片選擇

電阻應變片的結構主要有敏感柵、基底、覆蓋層、引出線和粘結劑五部分組成，其中按敏感柵制造工藝可以分為絲式應變計和箔式應變計;絲式應變計制造工藝簡單且易于安裝，但敏感柵中焊點多，不適用于動態應變測量;箔式應變計測量靈敏度高，蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長，適用于土體動態應變監測。敏感柵尺寸對應變片測量精度也有影響，敏感柵越長，誤差越小;柵絲間距越大，誤差越小;柵絲直徑越大，誤差越大[7]。

應變片的選擇依據與測試柱材料、應力狀況以及允許粘貼電阻應變式傳感器的面積相符的原則，選用應變片為箔式環氧類應變片，標稱電阻值為120 Ω，應變計柵長為3 mm，結構形狀為單軸，基底尺寸為6.9 mm×3.9 mm，絲柵尺寸為3.0 mm×2.0 mm。

各結構材料確定的土體動態應變傳感器如下圖所示，保證其埋設在鐵路路基中穩定監測土體動態應變。

3 ?傳感器測量電路設計

使用電阻應變片測量構件的應變時，由于電阻的變化量很小，精確測量困難，將電阻應變式傳感器接入惠斯通電路中，把電阻變化率轉化為電壓輸出，然后提供放大電路放大后進行測量。

惠斯通直流電橋結構如圖所示，R1、R2和R補為橋臂電阻由應變片組成。A、C為輸入端，接直流電源，輸入電壓為UAC，B、D為輸出端，輸出電壓為UBD。依據歐姆定律和克希霍夫定理可知：

U_BD=（R_1 R_2-R_補 R_補）/（R_1+R_2 ）（R_補+R_補 ） ?U_AC（3）

當R_1 R_2=R_補 R_補時，U_BD=0，即為電橋平衡。

在實際鐵路路基工程監測中，環境溫度變化明顯，測量結果受到影響。一是因為電阻應變片的阻值隨溫度變化而改變;二是溫度變化時，由于應變片敏感柵與被測試件材料的線膨脹系數不同，敏感柵被迫伸長或縮短，應變片電阻值也會發生變化。測量電路消除溫度影響的措施是溫度補償，利用電橋特性采用橋路補償法實現。該文采用對臂工作全橋接法，四個橋臂的電阻處于相同的溫度條件下，相互抵消了溫度的影響，且全橋電路測量更加精確。應變儀的應變讀數和測量相對誤差分別為：

ε_d=K/K_儀 ?[（ε_1+ε_t ）-ε_t+（ε_2+ε_t ）-ε_t ]（4）

e=|K/2 （ε_1+ε_2 ） |（5）

測試柱四周豎向均勻貼有4個應變片，溫度補償塊上貼有相同阻值的4個應變片。兩兩對應共形成2組惠斯通電路，消除偏壓對試驗數據的影響。

4結語

該文發明了一種土體動態應變傳感器，通過傳感器的應變得出其彈性變形值，反映上下承壓盤所夾土體的彈性變形，土體變形與其高度的比值即為土體應變，實現對土體應變的實時監測。對傳感器各個部分材料進行性能試驗與理論研究，分析測試柱壓縮性能以及測量電路溫度補償等因素，選取傳感器各部分最優組合。

參考文獻

[1]秦鵬飛，齊悅，楊光，等.巖土工程測試技術研究新進展[J].水利與建筑工程學報，2021，19（5）：8-13.

[2]周笑.基于電阻應變測試的大型原油儲罐彎曲應力檢測[J].科技資訊，2020，18（5）：73-74.

[3]李紅文，侯勁，楊中凡，等.基于電阻應變片的載重貨車重心監測系統仿真[C]//2020中國自動化大會（CAC2020）論文集，2020：700-704.

[4]ALAMDARIM，KHOAN，WANGY，et al.A Multi-way Data Analysis Approach for Structural Health Monitoring of a Cable-Stayed Bridge[J].Structural Health Monitoring，2019，18（1）：35-48.

[5]張道英.既有鋼筋混凝土梁橋試驗檢測技術及結果分析[J].科學技術創新，2021（32）：162-164.

[6]曾輝，余尚江.巖土應力傳感器設計和使用原則[J].巖土工程學報，1994（1）：93-98

[7]余航，舒安慶，丁克勤.電阻應變片敏感柵柵絲尺寸對測量精度影響的研究[J].中國儀器儀表，2021（4）：71-75.