一种土体动态应变传感器的设计

尹姜鳗 李耀宗 蒋薇 张胜杰 王林

摘要：该文研发了一种土体动态应变传感器，能够对铁路路基的土体动态应变进行实时监测，保障路基结构稳定性与行车安全。该文详细阐述了土体动态应变传感器的设计原理，通过试验与理论相结合，试验测试传感器各部分材料性能，分析材料具体适用条件，选择土体动态应变传感器的最优组合，保证土体动态应变传感器的可靠性，适应实际工程的使用情况。

关键词：铁路路基传感器研发试验研究土体应变应变监测

中图分类号：TU196;TU4文献标识码：A   文章编号：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，随着我国铁路建设里程的不断增加以及列车速度的不断提高，对铁路工程的安全性与稳定性也提出了更高的要求。铁路路基在列车动荷载的作用下，会产生动态应变，在铁路长期运营过程中，会导致路基变形增大，严重影响轨道的平顺性和列车的行驶安全。因此，需要对铁路路基的土体动态应变进行监测，保证结构安全。

土体与其他连续固体介质相区别的最主要特征就是它的多孔性和散体性，由此导致了土体的一系列物理特性和力学特性。土工试验是认识土的形状和发展的重要方式。秦鹏飞阐释了室内土工测试技术研究的新进展，比如三轴压缩、离心模型试验、共振柱试验及热物性参数试验;并且分析了岩土原位测试技术及其应用研究，比如静载荷试验、触探试验、旁压试验和十字板剪切试验[1]。但是已有的土工试验方法间接求得土体应变，缺少一种对土体动态应变进行实时精确测量的装置。使用电阻应变片可以有效地结构工程解决实时监测的问题，将电阻应变片应用于土体动态应变监测领域是目前应用在土体动态应变上的新检测方式。

电阻应变片尺寸小，性能稳定，在混凝土结构、钢结构以及桥梁工程的变形监测中得到了广泛应用。周笑将电阻应变片应用于大型原油储罐弯曲应力监测，提高弯曲应力检测的准确率[2]。李红文根据金属电阻应变片称重传感器的原理，实现对货车载重物品重心的监测与计算[3]。澳大利亚新南威尔士州的一座大型电缆架桥，已广泛安装加速度计、应变计和环境传感器阵列，用于桥梁安全的长期监测[4]。张道英利用工具室应变片对钢筋混凝土梁桥进行荷载试验，为桥梁的养护、加固等工作提供数据支撑。电阻应变片的测试技术在结构工程中的成熟且精确[5]，为土体动态应变的实时监测提供了参考。电阻应变片的测试技术在结构工程等领域中的应用成熟且精确，为土体动态应变的实时监测提供了参考。因此，该文的研究目的是开发出一种基于电阻应变片测试技术能够实时精确测量土体动态应变的传感器。

1土体动态应变传感器设计原理

土作为散粒体，电阻应变片与其接触无法产生应变，需要土体动态应变传感器作为中间介质，电阻应变片布设在其结构上，埋设在土体中压实后，土体受到动态荷载时，土体动态应变传感器所布设的应变片会反映测试柱的弹性应变，根据标定公式推出土体动态传感器的测试柱产生的弹性变形，上下承压盘之间所夹的一小段土柱也会产生相应的弹性变形，且二者弹性变形数值相同，根据应变计算公式：

ε=∆x/x（1）

式（1）中，x为变形前长度，∆x为变形后长度变化量。土柱的弹性变形与上下两承压盘之间土柱高度的比值，即为土体的应变。

土体动态应变传感器的结构如上图所示，包括测试柱、承压盘、连接环和电阻应变片;测试柱为弹性构件，长度为100 mm，直径为10 mm，沿测试柱四周竖向均匀粘贴4个电阻应变式片;承压盘设有两个，直径为100 mm;连接环的材质与测试柱相同，沿连接环四周竖向均匀粘贴4个电阻应变式传感器，用以温度补偿。

2 传感器各结构材料选择

由于土体动态应变传感器是埋设在铁路路基结构内部进行动应变监测的，所以在传感器各部分材料所组成時主要克服铁路路基工程环境、温度变化以及填土粒径所带来的影响。

2.1测试柱材料选择

测试柱所用材料应具有良好的力学性能和压缩性能，以保证土体动态应变传感器在疲劳加载下测试效果的稳定性。

测试柱的材质选择尼龙棒、聚甲醛以及PVC三种材料，制成直径为16 mm，长度为150 mm的圆柱体试样，利用应变控制式无侧限压力仪，通过无侧限抗压强度试验，多次验证其压缩性能，测出不同应力下对应的应变值，根据胡克定律计算出压缩模量，公式如下。

E=σ/ε（2）

通过无侧限抗压强度试验可知，尼龙棒、聚甲醛以及PVC三种材料制成的圆柱体压缩模量分别为218.627 MPa、382.970 MPa、1 028.191 MPa。在铁路路基内部动应力衰减迅速，压缩模量较小的尼龙棒可以保证土体动态应变传感器在铁路路基中变形明显。

2.2承压盘材料及尺寸选择

承压盘的直径大小与土体粒径有关，土体动态应变传感器的直径要大于土介质最大颗粒粒径的50倍，以消除介质不均匀所引起的压力差别[6];承压盘的材质选用力学性能佳、易加工以及抗腐蚀性能优良的铝合金。

2.3电阻应变片选择

电阻应变片的结构主要有敏感栅、基底、覆盖层、引出线和粘结剂五部分组成，其中按敏感栅制造工艺可以分为丝式应变计和箔式应变计;丝式应变计制造工艺简单且易于安装，但敏感栅中焊点多，不适用于动态应变测量;箔式应变计测量灵敏度高，蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长，适用于土体动态应变监测。敏感栅尺寸对应变片测量精度也有影响，敏感栅越长，误差越小;栅丝间距越大，误差越小;栅丝直径越大，误差越大[7]。

应变片的选择依据与测试柱材料、应力状况以及允许粘贴电阻应变式传感器的面积相符的原则，选用应变片为箔式环氧类应变片，标称电阻值为120 Ω，应变计栅长为3 mm，结构形状为单轴，基底尺寸为6.9 mm×3.9 mm，丝栅尺寸为3.0 mm×2.0 mm。

各结构材料确定的土体动态应变传感器如下图所示，保证其埋设在铁路路基中稳定监测土体动态应变。

3  传感器测量电路设计

使用电阻应变片测量构件的应变时，由于电阻的变化量很小，精确测量困难，将电阻应变式传感器接入惠斯通电路中，把电阻变化率转化为电压输出，然后提供放大电路放大后进行测量。

惠斯通直流电桥结构如图所示，R1、R2和R补为桥臂电阻由应变片组成。A、C为输入端，接直流电源，输入电压为UAC，B、D为输出端，输出电压为UBD。依据欧姆定律和克希霍夫定理可知：

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

当R_1 R_2=R_补 R_补时，U_BD=0，即为电桥平衡。

在实际铁路路基工程监测中，环境温度变化明显，测量结果受到影响。一是因为电阻应变片的阻值随温度变化而改变;二是温度变化时，由于应变片敏感栅与被测试件材料的线膨胀系数不同，敏感栅被迫伸长或缩短，应变片电阻值也会发生变化。测量电路消除温度影响的措施是温度补偿，利用电桥特性采用桥路补偿法实现。该文采用对臂工作全桥接法，四个桥臂的电阻处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响，且全桥电路测量更加精确。应变仪的应变读数和测量相对误差分别为：

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

e=|K/2 （ε_1+ε_2 ） |（5）

测试柱四周竖向均匀贴有4个应变片，温度补偿块上贴有相同阻值的4个应变片。两两对应共形成2组惠斯通电路，消除偏压对试验数据的影响。

4结语

该文发明了一种土体动态应变传感器，通过传感器的应变得出其弹性变形值，反映上下承压盘所夹土体的弹性变形，土体变形与其高度的比值即为土体应变，实现对土体应变的实时监测。对传感器各个部分材料进行性能试验与理论研究，分析测试柱压缩性能以及测量电路温度补偿等因素，选取传感器各部分最优组合。

参考文献

[1]秦鹏飞，齐悦，杨光，等.岩土工程测试技术研究新进展[J].水利与建筑工程学报，2021，19（5）：8-13.

[2]周笑.基于电阻应变测试的大型原油储罐弯曲应力检测[J].科技资讯，2020，18（5）：73-74.

[3]李红文，侯劲，杨中凡，等.基于电阻应变片的载重货车重心监测系统仿真[C]//2020中国自动化大会（CAC2020）论文集，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]张道英.既有钢筋混凝土梁桥试验检测技术及结果分析[J].科学技术创新，2021（32）：162-164.

[6]曾辉，余尚江.岩土应力传感器设计和使用原则[J].岩土工程学报，1994（1）：93-98

[7]余航，舒安庆，丁克勤.电阻应变片敏感栅栅丝尺寸对测量精度影响的研究[J].中国仪器仪表，2021（4）：71-75.