监测土体内部倾斜的智能系统研究

中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384

随着国家经济的飞速发展，各行各业均在不断地向前发展，基础建设方面的发展也愈加完善。岩土工程的监测问题对于保障人民群众的生命安全和财产安全具有重要意义。路基监测技术和方法的研究，不仅能够保证边坡的稳定性，还能用于验证支挡措施取得的效果，在关键时刻可以提前预警，提高路基安全稳定性[1-2]。传统的监测通常采用电阻仪器，如监测变形的主要仪器有固定测斜仪、位移计、水管式倾斜仪等[3]。Flex传感器常用于机械手套、机器人的研究中，具有体积小、造价低等优点，近几年被用于岩土工程监测试验中[4-5]。

1 Flex传感器的设计与制造

Flex传感器是一种电阻传感器，用于测量挠度或弯曲度。测量弯曲度时，挠性传感器的电阻会发生变化。使用Flex传感器制造的弯曲传感器的基本结构如图1所示。柔性传感器元件可连接蓝牙数据收集系统进行读数。此次研究制作了一个具有两个通过自由接头连接的传感梁的接头结构，以测量两个梁之间的相对角度变化。每次改变两个梁之间的相对位置时，都会将挠性传感器嵌入内部两个光束将表现出相应的单一变化，表明两个光束之间的弯曲角度变化程度。每个梁的长度为51mm，宽度为10mm，外部厚度为5mm。在每个横梁内部创建了一个小的内部插槽（宽度为3mm，长度为5mm），用于放置柔性传感器。

图1 连接蓝牙数据收集系统的无线Flex传感器

2 Flex传感器的标定

两根横梁之间安装了直径为5mm的钢轴承，用于控制和反映两根横梁之间的相对旋转运动。将整个弯曲传感器垂直放置在用于监测倾斜度的坡度模型内。在斜面模型的顶部表面上施加垂直荷载后的角度变化与校准测试在实验室进行。测试所用的设备包括用于测量传感器弯曲角度的数字角度计，用于接收和处理数据的计算机，用于固定传感器的特殊包装结构以及基于Flex的完整土壤沉降传感系统，包括Flex弯曲传感器、数据线、蓝牙无线传输模块等。此外，在校准测试中，由3D打印机制作了Flex弯曲传感器的包装结构，该包装结构包括多个位移传输板和相应数量的连接铰链。当标记的弯曲点紧贴旋转轴时，Flex弯曲传感器不会影响电阻和弯曲角度之间的关系。Flex弯曲传感器的封装结构如图2所示。

图2 结合FLEX弯曲传感器的包装结构

Flex弯曲传感器的校准测试步骤如下：（1）准备用于测量角度的辅助设备以测量传感器的弯曲角度，然后记录传感器从笔直状态开始的电信号输出。（2）每隔5°停止，使传感器沿传感器封装结构的固定轴缓慢弯曲，并记录此时的电信号输出量。（3）继续弯曲传感器，直到传感器弯曲60°，处理与变化角度相对应的输出电信号量，并绘制线图。（4）得到Flex弯曲传感器的输出电信号量与其弯曲角度的关系以及相应的方程式。分别对此次研究中使用的3个Flex弯曲传感器进行校准。重复上述测试步骤，获得弯曲角度分别为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°时Flex弯曲传感器的数据。对测试结果进行数据处理后，找出各个角度数据的稳定值，进行滤波组合后生成散点图，将这些点做成线性趋势线，即可得到Flex弯曲传感器的校准测试结果。3个Flex弯曲传感器均按上述步骤进行标定。

Flex弯曲传感器的测试结果是在校准测试后获得的，这3个传感器分别编号为1号、2号和3号。1号Flex弯曲传感器的校准测试结果表明，当传感器的弯曲角度为0°时，稳定的输出信号为569；当弯曲角度为60°时，稳定输出信号为442。在整个校准测试中，输出信号变化量为127。1号Flex传感器的测试结果如图3所示。从图3中可以看出，当弯曲角度变大时，Flex弯曲传感器的输出信号量变小，可得出线性回归方程如下：

图3 1号Flex传感器的测试结果

线性相关系数R2=0.9981，故可将1号Flex弯曲传感器的输出信号与其弯曲角度之间的关系视为线性关系。

2号Flex弯曲传感器的校准测试结果表明，当传感器的弯曲角度为0°时，稳定的输出信号为618；当弯曲角度为60°时，稳定的输出信号为495。在整个校准测试中，信号变化量为123。2号Flex传感器的测试结果如图4所示。从图4中可以看出，当弯曲角度变大时，Flex弯曲传感器的输出信号量变小，可得出线性回归方程如下：

图4 2号Flex传感器的测试结果

线性相关系数为R2=0.9987，故可将2号Flex弯曲传感器的输出信号与其弯曲角度之间的关系视为线性关系。

3号Flex弯曲传感器的校准测试结果表明，当传感器的弯曲角度为0°时，稳定的输出信号为496；当弯曲角度为60°时，稳定的输出信号为366。在整个校准测试中，信号变化量为130。3号Flex传感器的测试结果如图5所示。从图5中可以看出，当弯曲角度变大时，Flex弯曲传感器的输出信号量变小，可得出线性回归方程如下：

图5 3号Flex传感器的测试结果

线性相关系数R2=0.9961，故可将3号Flex弯曲传感器的输出信号与其弯曲角度之间的关系视为线性关系。

根据测试结果，为边坡模拟试验选择的3个Flex弯曲传感器的输出信号量和弯曲角度具有良好的线性关系，可用于边坡模型荷载试验的土壤沉降监测。

3 结束语

文章基于Flex技术结合蓝牙无线传输技术设计并制造了一种弯曲传感器，通过梁的相对位置改变以监测弯曲角度，并对3个Flex传感器进行标定试验研究。研究证明了3个Flex弯曲传感器的输出信号量与弯曲角度都有良好的线性关系，同时Flex传感器具有足够的精度，但从数据上分析不能用于测量小位移，弯曲角度的变化量应尽可能增加以提高其准确性。