CN111141255A - 一种基于flex传感器的沉降及边坡位移监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统及方法，传感器旋转连接铰被三角加固构件与横向固定端位移传递板件及竖向固定端位移传递板件连接，使两个方向的固定端位移传递板件夹角呈90度；各位移传递板件内留有用于插入FLEX传感器的矩形槽，其中插入FLEX无限弯曲传感器，四个位移传递板件通过传感器旋转连接铰相连，使两个同一方向上的位移传递板件上的FLEX传感器槽口位于同一直线上；各个FLEX传感器均通过传感器信号采集线缆与数据采集传输装置连接。采用本发明系统还能进行岩土工程双向监测，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FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于FLEXFORCE弯曲传感器技术及3D打印技术的岩土工程沉降及边坡位移监测系统。可用于测量各类岩土工程建筑物如地基、路面、隧道、基坑等发生的沉降及边坡位移，属于工程结构健康监测技术领域。

背景技术

在当前岩土工程及建筑业迅速发展形势下，各类构筑物及建筑物的安全性越来越受到重视。随着我国地标性、异形性、超大规模的岩土工程构筑物、建筑物的大量涌现，桥梁、隧道、高架道路的迅速建设，各类基础、边坡、路基等大量出现，土体沉降及边坡位移会对岩土工程构筑物及建筑物产生严重的负面影响，由于土体沉降及边坡位移引发的滑坡、塌陷等安全事故严重危害人民的生命和财产安全，造成了极大的负面效应。

目前，不同类型的建筑结构的沉降测量主要由沉降传感器实现，现有技术方法较多，较成熟的主要是液位沉降测量系统，但其测量步骤较为繁琐，操作灵活度较差。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精密程度要求极高的传感部件，加工精度难以控制，且加工一般较为复杂，实现工业化生产难度较大。

目前，我国岩土工程主要通过可靠的设计来保证边坡的安全稳定性，而国外对危险边坡已经做到了实时监测。由于岩土力学还在发展期，很多理论还不完善，尚需要实践和时间去检验，仅通过设计去解决，存在一定的不确定性。且边坡破坏具有极大的破坏力，一旦发生会造成巨大的生命财产损失，极大的威胁到边坡附近人民的正常生活。目前，边坡监测中现有的测斜仪，都存在一些需完善之处：如专利号CN201903347U提供的电缆与测斜探头连接的测斜仪、专利号CN204902782U提供的光纤测斜仪等测斜仪，具有安装使用复杂，长期使用易折断损坏的问题；又如专利号CN205138480U给出的坡面GPS测点监测仪，费用昂贵难以普及，且坡面位移反应慢，并且会在深部位移，准确性不高；还有一种全站仪监测，需要人工监测，对天气条件有一定要求，难以实施长期实时监测。因此，迫切需求一种可无线传输、体积小、成本低、易于安装使用、可深度监测的监测仪来解决上述问题。

目前的岩土工程中，土体沉降的监测与边坡测斜是分开进行的，也就是说同一个岩土工程中需要两套不同的设备分别监测土体沉降与边坡位移。所需要的设备较多，操作较复杂，需要一种结构简单、性能可靠、能同时监测土体沉降及边坡位移的新型监测系统。

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。

FLEX传感器是一种电阻式传感器，与传统的弯曲感器相比有着许多不可替代的优点，如:准确度高、重量轻、可无线传输等。由于它是由超薄的电阻片构成，使得它与传统的弯曲传感器相比，又有许多优点：可以借助超薄的外部封装将它固定在被测物曲面上，配合无线模拟输出，十分方便将数据进行采集并处理。配合带有AD转换的控制器后特别适合做手指弯曲度检测、机器人、医疗器械、建筑检测等产品。传感器封装后受环境影响小，更加容易复用和实现分布式传感等。利用FLEX弯曲传感器复用能力强、重量轻、体积小，可无线传输等优点，封装后埋入监测材料中可以方便地实现全自动准分布式测量，属于目前较为先进的弯曲传感技术。FLEX弯曲传感器的应用范围越来越广，在诸多领域已经开始被尝试应用。因此，FLEX弯曲传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以埋入边坡土体内部对边坡变形进行实时监测,监视边坡变形发展及实现滑坡预警。

蓝牙技术是一种无线通信技术，通过安装在不同设备上蓝牙模块的连接可以实现数据的交换共享，使得数据由传感器直接传输到电脑或者手机上变得简单高效。蓝牙技术具有功耗小、技术成熟、成本低、抗衰减能力强等优点。功耗小和抗衰减能力强的优点使得无线测斜监测仪可在土体内部长时间稳定的提供数据输出。同时，成本低等优点可节约无线测斜监测仪的制造成本，使其容易实现，便于推广应用。

本发明致力于利用FLEXFORCE弯曲传感器技术及3D打印技术，制作一种能够同时监测土体沉降及边坡位移的岩土工程监测系统，研发了一种可以双向独立旋转的无线传感器，用于对岩土工程中的土体沉降及边坡位移进行实时测量及数据传输，实现两者的同时监测，使土体沉降及边坡位移情况能够被更加直观、清晰的掌握，对可能产生的灾害事故进行预警，减少相关人员的生命财产损失。

发明内容

本发明提供一种基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统及方法，本发明要解决的技术问题是：基于FLEX无线传感器对建筑进行分布式的、连续性的沉降及位移监测，如何实现一个系统同时进行土体沉降的监测及边坡测斜，在提高监测质量的同时降低监测成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，包括横向固定端位移传递板件、竖向固定端位移传递板件、两个双向通用位移传递板件；传感器旋转连接铰被三角加固构件与横向固定端位移传递板件及竖向固定端位移传递板件相固定在一起，使两个方向的固定端位移传递板件夹角呈90度；各位移传递板件内留有用于插入FLEX传感器的矩形槽，其中插入FLEX无限弯曲传感器，四个位移传递板件通过传感器旋转连接铰相连，使两个同一方向上的位移传递板件上的FLEX传感器槽口位于同一直线上；各个FLEX传感器均通过传感器信号采集线缆与数据采集传输装置连接，数据采集传输装置与数据采集分析终端通过蓝牙无线发射装置连接。

优选地，所述各位移传递板件和传感器旋转连接铰均由3D打印技术制作。

优选地，所述各位移传递板件内均设有用于容纳FLEXFORCE传感器的槽，FLEX传感器的一端设于固定端位移传递板件的槽内，FLEX传感器的另一端穿过传感器旋转连接铰后，插入同一方向的相邻位移传递板件的槽内；两个方向的位移传递板件均按照上述方法连接。

更优选地，所述FLEX传感器为矩形条结构。

更优选地，所述各位移传递板件内的用于容纳FLEX传感器的槽为矩形槽。

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器的岩土工程双向监测方法，采用上述的基于FLEX无线传感器的双向监测系统，步骤为：将FLEX传感器分别装入两个方向的位移传递板件内之后，将位移传递板件整体埋入土体，固定横向或竖向固定端位移传递板件中的一个于所埋设位置，当两个横向位移传递板件受到来自沉降土体的压力时，由于所受压力不均匀，两个位移传递板件之间将出现角度变化；当两个竖向位移传递板件受到水平方向的土压力时，由于所受压力不均匀，两个位移传递板件之间将出现角度变化；同时各方向的位移传递板件内部的FLEX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FLEX传感器的数据，并通过各FLEX传感器数据的变化来换算监测点竖向沉降情况及横向位移情况，实现对岩土工程土体沉降及边坡位移情况的实时监测。

优选地，通过各FLEX传感器数据的变化来换算监测点的土体沉降及边坡位移情况的具体方法为：

首先，利用标定实验预先得出位移传递板件与水平面之间的角度变化和FLEX传感器数据变化的关系式；

然后，根据所述关系式及实际测量时各FLEX无线传感器的电信号量的变化，得到横向板件内的FLEX无线传感器相对水平面的弯曲角度，设为θ₁，以及竖向板件内的FLEX无线传感器相对垂直面的弯曲角度，设为θ₂，则所测得的岩土工程的沉降量D₁为：

D₁＝sin(θ₁)d；

所测的岩土工程的边坡位移量D₂为：

D₂＝sin(θ₂)d；

其中，d为双向通用位移传递板件一端圆铰孔圆心到另一端的距离。

本发明结合FLEX弯曲传感器技术的灵敏、3D打印构件的便捷迅速、无线蓝牙传输稳定、双向位移传递板件的一系统两用的优势，形成的岩土工程土体沉降、边坡位移双向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为本发明优选实施例提供的基于FLEX无线传感技术的双向监测系统结构示意图。

图2为本发明优选实施例提供的基于FLEX无线传感技术的双向监测系统横向固定端位移传递板件、竖向固定端位移传递板件及传感器旋转连接轴的示意图。

图3为本发明优选实施例提供的基于FLEX无线传感技术的双向监测系统双向通用位移传递板件及突出圆铰结构的示意图。

图4为本发明优选实施例提供的基于FLEX无线传感技术的双向监测系统固定端三角加固构件示意图。

图5为本发明优选实施例提供的基于FLEX无线传感技术的双向监测系统侧面示意图。

图6为本发明优选实施例提供的基于FLEX无线传感技术的双向监测系统斜侧45°视角示意图。

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FLEX无线传感技术的双向监测系统结构示意图，所述的基于FLEX无线传感技术的双向沉降监测系统由横向固定端位移传递板件(1)，竖向固定端位移传递板件(2)，至少两个双向通用位移传递板件(3)，固定端三角加固构件(4)，各个位移传递板件(1、2、3)之间的传感器旋转连接铰(5)，FLEX弯曲传感器(6)，数据采集传输装置与蓝牙无线信号发射装置(7)以及传感器数据采集分析终端(8)组成。

其中，横向固定端位移传递板件(1)，竖向固定端位移传递板件(2)，两个双向通用位移传递板件(3)，固定端三角加固构件(4)，各个位移传递板件(1、2、3)之间的传感器旋转连接铰(5)均由3D打印技术制作。

FLEX弯曲传感器(6)为矩形条结构。

横向固定端位移传递板件(1)、竖向固定端位移传递板件(2)、两个双向通用位移传递板件(3)的一端均有突出的圆铰结构，其内部均在一侧开槽为插入FLEX弯曲传感器(6)留出空间。

结合图2，所述横向固定端位移传递板件(1)、竖向固定端位移传递板件(2)、两个双向通用位移传递板件(3)的突出圆铰结构相互对齐后，使用传感器旋转连接铰(5)插入以固定，传感器旋转连接铰(5)两端使用固定端三角加固构件(4)将其与横向固定端位移传递板件(1)和竖向固定端位移传递板件(2)固定在一起。

完成所述横向固定端位移传递板件(1)、竖向固定端位移传递板件(2)和两个双向通用位移传递板件(3)的安装之后，将两个所述FLEX弯曲传感器(6)分别插入所述横向固定端位移传递板件(1)及竖向固定端位移传递板件(2)开好的槽中，并将二分之一长度左右的所述FLEX弯曲传感器(6)插入同一直线上的双向通用位移传递板件(3)开好的槽中，使FLEX弯曲传感器(6)在各个位移传递板件(1、2、3)的槽中不再相对移动。

各个FLEX弯曲传感器(6)均通过传感器信号采集线缆连接至数据采集传输装置，再通过蓝牙无线信号发射装置(7)发射无线信号与传感器数据采集分析终端(8)建立联系，至此基于FLEX无线传感器的双向监测系统进入正常工作状态。

基于FLEX无线传感技术的双向监测系统的使用步骤为：

步骤1：将横向固定端位移传递板件(1)朝向坡外、竖向固定端位移传递板件(2)朝向坡顶埋置于待监测土边坡接近坡顶的位置。将横向固定端位移传递板件(1)和竖向固定端位移传递板件(2)中的任意一个固定于所埋设的位置。

步骤2：当横向固定端位移传递板件(1)及同一直线上的双向通用位移传递板件(3)受到沉降土体的压力时，由于受力不均匀，导致两个位移传递板件之间出现角度变化；同时两段位移传递板件内部的FLEX弯曲传感器(6)也在传感器旋转连接铰处发生弯曲，因此电阻也发生相应的变化；当竖向固定端位移传递板件(2)及同一直线上的双向通用位移传递板件(3)受到横向土压力的时候，由于受力不均匀，导致两个位移传递板件之间出现角度变化；同时两段位移传递板件内部的FLEX弯曲传感器(6)也在传感器旋转连接铰处发生弯曲，电阻发生相应变化。

步骤3：传感器数据采集分析终端(8)通过数据采集传输装置与蓝牙无线信号发射装置(7)同时采集两个方向上的FLEX弯曲传感器(6)的电信号，并根据各FLEX弯曲传感器(6)的信号量变化，来换算横向的双向通用位移传递板件(3)远离传感器旋转连接铰的末端处的沉降量，及竖向的双向通用位移传递板件(3)远离传感器旋转连接铰的末端处的位移量。实现对岩土工程中的土体沉降及边坡位移的同时监测。

根据FLEX弯曲传感器(6)数据变化来换算双向通用位移传递板件(3)远离传感器旋转连接铰的末端处的沉降量或位移量的具体方法为：

步骤1：利用标定实验预先得出位移传递板件与水平面之间的角度变化和FLEX弯曲传感器点信号量变化的关系式；

步骤2：根据所述关系式及实际测量时各FLEX弯曲传感器的电信号量的变化，得到横向板件内的FLEX弯曲传感器相对水平面的弯曲角度，设为θ₁，以及竖向板件内的FLEX弯曲传感器相对垂直面的弯曲角度，设为θ₂。

步骤3：所测的岩土工程的沉降量D₁为：

D₁＝sin(θ₁)d；

所测的岩土工程的边坡位移量D₂为：

D₂＝sin(θ₂)d；

其中，d为双向通用位移传递板件(3)一端圆铰孔圆心到另一端的距离。

本实施例中，使用FLEX传感器进行数据测定。相对于现下传感器而言，FLEX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，FLEX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。FLEX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，本发明利用互不影响的两个方向的位移传递板件，实现对沉降及位移的同时监测，同时，本监测系统结合FLEX传感器与无线数据传输系统对工程结构的土体沉降及边坡位移状况进行检测。实时对工程结构不同部位的沉降及位移进行监测，利用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及位移的实时监测。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传感器耐久度相对较高且具优越性，因此基于Flex无线传感技术的双向监测系统易于普及，有利于对各类建筑的沉降及位移进行监测记录。

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 (8)

1.一种基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，其特征在于：包括横向固定端位移传递板件、竖向固定端位移传递板件、两个双向通用位移传递板件；传感器旋转连接铰被三角加固构件与横向固定端位移传递板件及竖向固定端位移传递板件相固定在一起，使两个方向的固定端位移传递板件夹角呈90度；各位移传递板件内留有用于插入FLEX传感器的矩形槽，其中插入FLEX无限弯曲传感器，四个位移传递板件通过传感器旋转连接铰相连，使两个同一方向上的位移传递板件上的FLEX传感器槽口位于同一直线上；各个FLEX传感器均通过传感器信号采集线缆与数据采集传输装置连接，数据采集传输装置与数据采集分析终端通过蓝牙无线发射装置连接。

2.根据权利要求1所述基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，其特征在于：所述各位移传递板件和传感器旋转连接铰均由3D打印技术制作。

3.根据权利要求1所述基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，其特征在于：所述各位移传递板件内均设有用于容纳FLEXFORCE传感器的槽，FLEX传感器的一端设于固定端位移传递板件的槽内，FLEX传感器的另一端穿过传感器旋转连接铰后，插入同一方向的相邻位移传递板件的槽内；两个方向的位移传递板件均按照上述方法连接。

4.根据权利要求1所述基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，其特征在于：所述FLEX传感器为矩形条结构。

5.根据权利要求1所述基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，其特征在于：所述各位移传递板件内的用于容纳FLEX传感器的槽为矩形槽。

6.根据权利要求1所述基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，其特征在于：所述无线发射装置为蓝牙无线传输模块。

7.一种岩土工程双向监测方法，采用权利要求1所述基于FLEX传感器的沉降及边坡位移监测系统，其特征在于，其步骤如下：

将FLEX传感器分别装入两个方向的位移传递板件内之后，将位移传递板件整体埋入土体，固定横向或竖向固定端位移传递板件中的一个于所埋设位置，当两个横向位移传递板件受到来自沉降土体的压力时，由于所受压力不均匀，两个位移传递板件之间将出现角度变化；当两个竖向位移传递板件受到水平方向的土压力时，由于所受压力不均匀，两个位移传递板件之间将出现角度变化；

同时各方向的位移传递板件内部的FLEX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FLEX传感器的数据，并通过各FLEX传感器数据的变化来换算监测点竖向沉降情况及横向位移情况，实现对岩土工程土体沉降及边坡位移情况的实时监测。

8.根据权利要求7所述岩土工程双向监测方法，其特征在于，通过各FLEX传感器数据的变化来换算监测点的土体沉降及边坡位移情况的具体方法为：

首先，利用标定实验预先得出位移传递板件与水平面之间的角度变化和FLEX传感器数据变化的关系式；

然后，根据所述关系式及实际测量时各FLEX无线传感器的电信号量的变化，得到横向板件内的FLEX无线传感器相对水平面的弯曲角度，设为θ₁，以及竖向板件内的FLEX无线传感器相对垂直面的弯曲角度，设为θ₂，则所测得的岩土工程的沉降量D₁为：

D₁＝sin(θ₁)d；

所测的岩土工程的边坡位移量D₂为：

D₂＝sin(θ₂)d；

其中，d为双向通用位移传递板件一端圆铰孔圆心到另一端的距离。

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