房屋变形坍塌预警传感器技术研究

缪秋莲 关朴芳 谢祖强 杜盼成

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

关键字：传感器；变形坍塌；应变片；预警；实验

国内外大型建筑物的安全监控及分析预警系统正在向网络模式的方向发展，并且已经由事后数据处理发展到了事前安全预警的程度，为相关部门提供了决策基础，这也必定是今后大型建筑物安全监测及变形预警系统发展的必然趋势[1]。然而，目前在房屋建筑物变形预警方面的研究仍存在空白，没有相应的预警系统。

近年来，建筑物坍塌事故频发，给人们的生命安全造成了严重影响。例如：某市酒店发生倒塌事故，现场搜救出受困人员71 人，死亡29 人，受伤42 人，造成严重的人员伤亡和财产损失。相关部门针对该坍塌事故组织调查组调查后显示，事故所涉酒店在建设、改造等环节存在严重问题，改造后的房屋因超过自身的强度极限或因结构稳定性破坏而造成了此次事故。该房屋在坍塌前，出现了承重柱变形、窗户破裂等预警现象。由于缺乏预警系统，这些预警现象并未被房屋内部租住人员识别。因此，需要设计一款预警传感器来识别房屋变形量，当房屋产生变形时能够提前预警，以便减少不必要的损失。

1 设计原理

房屋坍塌事故发生前会产生相应的变形现象，如承重柱扭曲变形[2]等。本课题设计了一款房屋变形坍塌预警传感器，以采集房屋承重柱变形量，该传感器能够将房屋承重柱等变形情况转变为传感器电阻值变化信号并输出，有利于后期房屋变形坍塌预警技术的深度开发，从而减少房屋坍塌带来的人员伤亡以及经济损失。

2 设计方案

2.1 硬件设计

房屋变形坍塌预警传感器是一种采用应变式传感器来测量物体受力变形所产生的应变的传感器，其中应变式传感器能够将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。房屋变形坍塌预警传感器应变片的基本构造如图1 所示，由基片、引线、敏感栅和覆盖层等部件组成，其中敏感栅是由Φ0.01～0.05 mm 的高电阻系数的细丝弯曲成栅状的电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分[3]。

图1 应变式传感器应变片的构造图

房屋变形坍塌预警传感器制作时，可应用粘合剂将敏感栅固定在基片上。为了使构件上的应变能够准确传递给敏感栅，基片必须很薄，通常为0.03～0.06 mm，并且要保证它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起[4]。

2.2 测量电路设计

当房屋承重柱受力变形时，房屋变形坍塌预警传感器应变片的敏感栅将会获得同样的变形力，从而使应变片电阻值发生变化，其变化值与承重柱变形量成对应比例。房屋变形坍塌预警传感器测量电路的设计目的是通过测量电路将应变片电阻变化转换为电路电压变化，最终根据电压变化量折算出被测承重柱变形量的大小，其测量电路使用直流电桥电路，如图2所示。

图2 应变传感器测量电路图

当房屋变形坍塌预警传感器应变片发生形变时，若电阻改变量为ΔR，则输出电压变化量ΔU为：

假设房屋承重柱为圆柱体，则其轴向是最大应变处，环向为最大负应变处。为了提高房屋变形坍塌预警传感器识别变形的能力，对原有直流电桥电路做了相应改变，如图3 所示。由图3 可知，每根承重柱需要粘贴8 个应变片，其中包括4 个轴向片和4 个横向片，且应变片贴在圆柱中部的四等分圆周上，如图4所示。其目的是为了保证将4 片应变片粘贴在最大正应变处，另外4 片贴在最大负应变处，从而获得最大灵敏度，并方便应变片接入串联全桥电路。

图3 改变后的电桥电路

图4 应变片的粘贴位置图

采用改变后的电桥电路后，当房屋变形坍塌预警传感器应变片发生形变时，若电阻改变量为ΔR，则房屋变形坍塌预警系统输出的电压变化量ΔU为：

2.3 软件电路仿真设计

本文利用Altium Designer 电气元器件电路原理图软件设计房屋变形坍塌预警应变式传感器电路，设计结果如图5 所示。

图5 房屋变形坍塌预警应变式传感器电路设计图

3 实验测试

按照上述设计制作出硬件部分的印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），并把编写的相应程序烧录到电路板中，从而制作成房屋变形坍塌预警传感器试验模型，如图6 所示。对房屋变形坍塌预警系统传感器进行相应的性能测试，其测试结果如图7 所示。经测试，设计出的房屋变形坍塌预警系统应变式传感器能检测到弯曲形量，且输出电压会发生相应变化，能够模拟检测房屋承重柱弯曲情况，达到了设计目的。

图6 房屋变形坍塌预警应变式传感器试验模型

图7 测试结果

4 结语

此次设计的房屋变形坍塌预警系统应变式传感器可用于房屋变形量检测，适用于钢筋混凝土房屋、钢结构房屋、木质房屋等具有承重柱的房屋，在外力或重力作用下该传感器会发出变形坍塌事故预警信号，从而减少了房屋坍塌带来的人员伤亡以及经济损失。