CN107764236A - 一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，包括至少两段沉降传递板件，沉降传递板件内设有Flexforce弯曲传感器，相邻沉降传递板件通过传感器连接铰连接；各弯曲传感器均通过传感器信号采集线缆连接至数据采集传输装置，数据采集传输装置与数据采集分析终端通过无线发射装置连接。本发明还提供了一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测方法。本发明结合Flexforce传感技术的灵敏、3D打印构件的便捷迅速以及无线蓝牙传输稳定的优势，形成的岩土工程沉降监测系统具有应用范围广泛、即时性高、数据稳定的特点，降低了监测成本，提高了监测质量；具有可无线传输、体积小、成本低、易于安装使用的优点。

Description

一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于Flexforce无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，主要用于测量大型岩土工程建筑物如地基、路面、隧道等发生的沉降，属于工程结构健康监测技术领域。

背景技术

对于岩土工程中的建筑物而言，沉降对其工程质量有重要的影响，尤其是在部分较为大型的岩土工程如基础、隧道及铁路路基工程中，沉降控制直接影响到工程的使用安全。不同类型建筑结构的沉降测量主要由沉降传感器实现，目前现有技术方法种类较多，其中较为成熟的有液位沉降测量系统。

对于基于光纤传感器的测量沉降，现有技术中已有一些基本的技术方法，如专利号CN103362114A公开的基于布拉格光纤传光栅传感技术测量填土不同层深的沉降，该类型传感器结构简单，可以测量不同深度以及不同点位的沉降量；专利号CN103968804A公开的基于低相干干涉技术的沉降测量系统，该系统利用扫描光程的变化反映地面沉降，可以大范围的布设于隧道、铁路路基、大型的地基等等；专利号202119406U公开的专利将光纤光栅传感器密封在悬臂梁表面，然后将此悬臂梁密封在一个小型的盒状体内部，并将其埋入土体内部以感知沉降大小。专利号CN20187656U与专利号CN103175508A公开的结合光纤光栅传感技术测量应变、位移以及压力等参数，将这些参数综合成一套预警系统。这些常规的传感手段的复杂性在于制作各个传感部件的复杂性，加工精度难以控制，且加工一般较为复杂，而3D打印恰好可以克服这些缺陷。

3D打印又名快速成型技术，是一种使用粉末状金属或塑料等可粘合材料，以数字模型文件为基础的构造物体的逐层打印技术。与传统制造业不同，三维打印偏重于依靠先进的计算机建模及分析系统，对所需物品的结构和尺寸进行设计和逐层分区，将三维图形转化为大量二维模型用以指导打印机进行逐层打印。由于制造部分采用全机械自动化方式完成，3D打印技术与传统制造方式相比有着诸多优势，首先计算机对物件的高精度分解能实现对结构极其复杂构件的制造，各类难以用传统器械进行人工制造的构件亦可快速直接且精确地进行打印，从而有效地缩短了产品研发周期；其次，使用3D打印技术制造构件无需传统器具及人工，即可将三维模型转化为实物，减少了制作过程中产生的误差。

Flexforce弯曲传感器是一种由超薄电阻片构成的新型电阻式传感器，与传统的弯曲传感器相比具有更高的精度，更易携带且数据获取也更为便利，优势十分明显。由于其轻薄的特性，Flexforce弯曲传感器比传统传感器更易通过外部封装被固定在测量曲面上，更为准确地进行无线输出。同时，外部封装很好地将传感器与外部隔开，使得传感器极少受环境影响，从而能够实现垂直多点同步测量以及多次、循环使用。兼具轻质、便携、可循环、不易被环境影响、可无线模拟输出等诸多优势的Flexforce弯曲传感器经过封装即可埋入待测材料进行全自动准分布式测量。Flexforce传感器应用了当前较为先进的弯曲传感技术，广泛使用于医学、力学等多个研究领域，在土木工程中，Flexforce传感器已应用于测定建筑结构表面出现变形或裂缝的发展情况。

蓝牙是一种相对成熟的无线通信技术，不同设备通过分别安装蓝牙模块进行即时无线数据交换，使得移动终端能够便捷高效地接收数据。相对于其余无线通信技术，蓝牙以更小的功耗和更低的成本实现了无线通信，节约制造成本，有利于推广应用。同时由于蓝牙技术具有较强的抗衰减能力，位移传感器能够在土体内部长时间提供更为稳定的数据输出。

本发明致力于基于Flexforce无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，研发了一种无线沉降传感器，用于对岩土工程中的实时位移进行监测和无线数据传，能够更加直观的监测到岩土工程中的沉降，减少由于沉降带来的灾害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何基于Flexforce弯曲传感器对建筑进行分布连续式的沉降监测，在提高监测质量的同时降低监测成本。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：包括至少两段沉降传递板件，沉降传递板件内设有Flexforce弯曲传感器，相邻沉降传递板件通过传感器连接铰连接；各Flexforce弯曲传感器均通过传感器信号采集线缆连接至数据采集传输装置，数据采集传输装置与数据采集分析终端通过无线发射装置连接。

优选地，所述沉降传递板件和传感器连接铰均由3D打印技术制作。

优选地，所述沉降传递板件内设有用于容纳Flexforce弯曲传感器的槽，Flexforce弯曲传感器的一端设于沉降传递板件的槽内，Flexforce弯曲传感器的另一端穿过传感器连接铰后，插入相邻段的沉降传递板件的槽内；各段沉降传递板件之间按照上述结构依次连接。

更优选地，所述Flexforce弯曲传感器为矩形条结构。

更优选地，所述沉降传递板件内的用于容纳Flexforce弯曲传感器的槽为矩形槽。

优选地，所述传感器连接铰的中心设有用于穿过所述Flexforc弯曲传感器的孔。

优选地，所述无线发射装置为蓝牙无线传输模块。

本发明提供了一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测方法，其特征在于：采用上述的基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，步骤为：多段带有Flexforce弯曲传感器的沉降传递板件埋入土体后，当沉降传递板件受到来自沉降土体的压力时，各段沉降传递板件与水平面之间将出现不同的角度变化；同时各段沉降传递板件内部的Flexforce弯曲传感器也会随之发生弯曲，因此电阻发生相应的改变；数据采集分析终端通过数据采集传输装置采集各Flexforce弯曲传感器的数据，并通过各Flexforce弯曲传感器数据的变化来换算每个监测点的沉降情况，实现对岩土工程沉降情况的实时监测。

优选地，通过各Flexforce弯曲传感器数据的变化来换算每个监测点的沉降情况的具体方法为：

首先，利用标定实验预先得出沉降传递板件与水平面之间的角度变化和Flexforce弯曲传感器数据变化的关系式；

然后，根据所述关系式和实际测量时各Flexforce弯曲传感器的数据变化，得到各段沉降传递板件与水平面的夹角；设从左侧开始，各段沉降传递板件与水平面的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃、.......、θn，n表示发生沉降的沉降传递板件的数量，n为正整数；则所测的岩土工程的土体的总沉降量D为：

D＝d(θ₁+θ₂+θ₃+.......+θ_n)

其中，d为每段沉降传递板件的宽度。

本发明结合Flexforce传感技术的灵敏、3D打印构件的便捷迅速以及无线蓝牙传输稳定的优势，形成的岩土工程沉降监测系统具有应用范围广泛、即时性高、数据稳定的特点，降低了监测成本，提高了监测质量；具有可无线传输、体积小、成本低、易于安装使用的优点。

附图说明

图1为本实施例提供的基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统结构示意图；

图2为传感器连接铰的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本实施例提供的基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统结构示意图，所述的基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统由沉降传递板件1、Flexforce弯曲传感器2、传感器连接铰3等组成。

其中，沉降传递板件1和传感器连接铰3均有3D打印技术制作。

Flexforce弯曲传感器2为矩形条结构。

沉降传递板件1的两端开有槽，用于放置Flexforce弯曲传感器2。

结合图2，传感器连接铰3的中心开有用于穿过Flexforc弯曲传感器2的孔31。

Flexforce弯曲传感器2的一端置于一段沉降传递板件1一端的槽内，Flexforce弯曲传感器2的另一端穿过传感器连接铰3中心的孔31后，插入另一段沉降传递板件1一端的槽内，这两段沉降传递板件1通过传感器连接铰3连接为一体。Flexforce弯曲传感器2插入后相对封装壳体(即沉降传递板件1)位置不再移动。按照相同的方法完成多段沉降传递板件1之间的封装连接。各段沉降传递板件1均为同一规格。

各Flexforce弯曲传感器均与传感器信号采集线缆相连，并经由传感器信号采集线缆连接至数据采集传输装置。数据采集传输装置与数据采集分析终端通过无线发射装置连接。通过数据采集分析终端采集各Flexforce弯曲传感器的数据，并通过Flexforce弯曲传感器数据的变化来换算每个监测点的变形情况，实现对每个监测点的变形进行实时监测。

基于Flexforce无线传感技术的岩土工程沉降监测系统的使用步骤为：

步骤1：组合监测系统各模块

首先，根据监测对象的情况对Flexforce弯曲传感器进行设计，包括长度和构件数量的确定，并按设计进行3D打印。3D打印的对象是沉降传递板件和铰链。打印完毕后，对构件进行组装，并将Flexforce弯曲传感器置于沉降传递板件的槽中并穿过用于连接各板件的传感器连接铰中的孔进行固定，最后将无线沉降监测系统进行必要保护措施后固定于待监测点。

步骤2：监测系统测试

通过蓝牙模块建立数据采集传输装置与数据采集分析终端的无线连接，使用对应驱动操作软件对监测数据进行记录。

步骤3：根据Flexforce弯曲传感器示数随时间变化图，利用标定实验得出的Flexforce弯曲传感器示数与角度关系，并按照Flexforce弯曲传感器示数监测点计算位移的方法，计算每个监测点的位移或变形随时间的变化图，即实现对岩土工程结构的沉降进行实时监测的目的。

利用Flexforce弯曲传感器示数监测点计算位移的方法具体如下：

将n(n为正整数)段带有Flexforce弯曲传感器的沉降传递板件埋入土体后，当沉降传递板件受到一定来自沉降土体的压力时，各段沉降传递板件将出现不同的角度变化，从左侧开始，设各段沉降传递板件与水平面的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃、......、θ_n。同时各段沉降传递板件内部的Flexforce弯曲传感器也会随之发生弯曲，因此电阻发生相应的改变；

由下式推算监测点土体的总沉降量D：

D＝d(θ₁+θ₂+θ₃+.......+θ_n)

上式中，d为一段沉降传递板件的宽度，

通过各沉降传递板件弯曲角度的叠加和计算后，可得监测点处的垂直位移，从而获得岩土工程结构的沉降情况。

本实施例中，使用Flexforce弯曲传感器进行数据测定。相对于现下传感器而言，Flexforce弯曲传感器持久度和灵敏度相对更高，体量轻薄便于使用，同时数据传输量不受限制。拥有上述特点，Flexforce弯曲传感器能够更为便利精确地实现建筑沉降的实时监测，具有明显的性能优势。

本发明监测系统的构件采用3D打印技术进行生产。3D打印技术能够实现对零件内部细部结构的精准打印，减少了零件组装的人工参与，有效提高了构件的生产效率和准确度。通过3D打印完成基本构件的一次成型，并且简化装置组装，实现广泛应用。Flexforce无线传感器的功能与3D打印技术的相结合，能够大幅降低产品的制作成本，获得更大的经济效益，便于更好的推广本发明的监测系统。

此外，本发明监测系统结合Flexforce弯曲传感器与无线数据传输系统对工程结构的沉降状况进行检测。通过对弯曲角度的分布叠加，对工程结构不同部位的沉降进行监测，通过蓝牙无线发射模块对测得数据进行持续性的即时传输，实现对各监测部位沉降的实时监测。蓝牙无线传输模块是一种成熟的无线传输系统，传输稳定连续，保证了监测系统的精准性，再者FLEX弯曲传感器耐久度相对较高且具优越性，因此Flexforce沉降弯曲传感易于普及，有利于对各类建筑的沉降进行监测记录。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：包括至少两段沉降传递板件(1)，沉降传递板件(1)内设有Flexforce弯曲传感器(2)，相邻沉降传递板件(1)通过传感器连接铰(3)连接；各Flexforce弯曲传感器(2)均通过传感器信号采集线缆连接至数据采集传输装置，数据采集传输装置与数据采集分析终端通过无线发射装置连接。

2.如权利要求1所述的一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：所述沉降传递板件(1)和传感器连接铰(3)均由3D打印技术制作。

3.如权利要求1或2所述的一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：所述沉降传递板件(1)内设有用于容纳Flexforce弯曲传感器(2)的槽，Flexforce弯曲传感器(2)的一端设于沉降传递板件(1)的槽内，Flexforce弯曲传感器(2)的另一端穿过传感器连接铰(3)后，插入相邻段的沉降传递板件(1)的槽内；各段沉降传递板件(1)之间按照上述结构依次连接。

4.如权利要求3所述的一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：所述Flexforce弯曲传感器(2)为矩形条结构。

5.如权利要求4所述的一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：所述沉降传递板件(1)内的用于容纳Flexforce弯曲传感器(2)的槽为矩形槽。

6.如权利要求3所述的一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：所述传感器连接铰(3)的中心设有用于穿过所述Flexforc弯曲传感器(2)的孔(31)。

7.如权利要求1或2所述的一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，其特征在于：所述无线发射装置为蓝牙无线传输模块。

8.一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测方法，其特征在于：采用如权利要求1～7任一项所述的基于无线传感技术的岩土工程沉降监测系统，步骤为：多段带有Flexforce弯曲传感器的沉降传递板件埋入土体后，当沉降传递板件受到来自沉降土体的压力时，各段沉降传递板件与水平面之间将出现不同的角度变化；同时各段沉降传递板件内部的Flexforce弯曲传感器也会随之发生弯曲，因此电阻发生相应的改变；数据采集分析终端通过数据采集传输装置采集各Flexforce弯曲传感器的数据，并通过各Flexforce弯曲传感器数据的变化来换算每个监测点的沉降情况，实现对岩土工程沉降情况的实时监测。

9.如权利要求8所述的一种基于无线传感技术的岩土工程沉降监测方法，其特征在于：通过各Flexforce弯曲传感器数据的变化来换算每个监测点的沉降情况的具体方法为：

首先，利用标定实验预先得出沉降传递板件与水平面之间的角度变化和Flexforce弯曲传感器数据变化的关系式；

然后，根据所述关系式和实际测量时各Flexforce弯曲传感器的数据变化，得到各段沉降传递板件与水平面的夹角；设从左侧开始，各段沉降传递板件与水平面的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃、.......、θ_n，n表示发生沉降的沉降传递板件的数量，n为正整数；则所测的岩土工程的土体的总沉降量D为：

D＝d(θ₁+θ₂+θ₃+.......+θ_n)

其中，d为每段沉降传递板件的宽度。