一種土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)

尹姜鰻 李耀宗 蔣薇 張勝杰 王林

摘要：該文研發(fā)了一種土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，能夠?qū)﹁F路路基的土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與行車安全。該文詳細(xì)闡述了土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)原理，通過試驗(yàn)與理論相結(jié)合，試驗(yàn)測(cè)試傳感器各部分材料性能，分析材料具體適用條件，選擇土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的最優(yōu)組合，保證土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的可靠性，適應(yīng)實(shí)際工程的使用情況。

關(guān)鍵詞：鐵路路基傳感器研發(fā)試驗(yàn)研究土體應(yīng)變應(yīng)變監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TU196;TU4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：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，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)里程的不斷增加以及列車速度的不斷提高，對(duì)鐵路工程的安全性與穩(wěn)定性也提出了更高的要求。鐵路路基在列車動(dòng)荷載的作用下，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變，在鐵路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中，會(huì)導(dǎo)致路基變形增大，嚴(yán)重影響軌道的平順性和列車的行駛安全。因此，需要對(duì)鐵路路基的土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證結(jié)構(gòu)安全。

土體與其他連續(xù)固體介質(zhì)相區(qū)別的最主要特征就是它的多孔性和散體性，由此導(dǎo)致了土體的一系列物理特性和力學(xué)特性。土工試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)土的形狀和發(fā)展的重要方式。秦鵬飛闡釋了室內(nèi)土工測(cè)試技術(shù)研究的新進(jìn)展，比如三軸壓縮、離心模型試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)及熱物性參數(shù)試驗(yàn);并且分析了巖土原位測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用研究，比如靜載荷試驗(yàn)、觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)[1]。但是已有的土工試驗(yàn)方法間接求得土體應(yīng)變，缺少一種對(duì)土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量的裝置。使用電阻應(yīng)變片可以有效地結(jié)構(gòu)工程解決實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，將電阻應(yīng)變片應(yīng)用于土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域是目前應(yīng)用在土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變上的新檢測(cè)方式。

電阻應(yīng)變片尺寸小，性能穩(wěn)定，在混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及橋梁工程的變形監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。周笑將電阻應(yīng)變片應(yīng)用于大型原油儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力監(jiān)測(cè)，提高彎曲應(yīng)力檢測(cè)的準(zhǔn)確率[2]。李紅文根據(jù)金屬電阻應(yīng)變片稱重傳感器的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨車載重物品重心的監(jiān)測(cè)與計(jì)算[3]。澳大利亞新南威爾士州的一座大型電纜架橋，已廣泛安裝加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)和環(huán)境傳感器陣列，用于橋梁安全的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[4]。張道英利用工具室應(yīng)變片對(duì)鋼筋混凝土梁橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，為橋梁的養(yǎng)護(hù)、加固等工作提供數(shù)據(jù)支撐。電阻應(yīng)變片的測(cè)試技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的成熟且精確[5]，為土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了參考。電阻應(yīng)變片的測(cè)試技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用成熟且精確，為土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了參考。因此，該文的研究目的是開發(fā)出一種基于電阻應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)精確測(cè)量土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變的傳感器。

1土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)原理

土作為散粒體，電阻應(yīng)變片與其接觸無法產(chǎn)生應(yīng)變，需要土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器作為中間介質(zhì)，電阻應(yīng)變片布設(shè)在其結(jié)構(gòu)上，埋設(shè)在土體中壓實(shí)后，土體受到動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器所布設(shè)的應(yīng)變片會(huì)反映測(cè)試柱的彈性應(yīng)變，根據(jù)標(biāo)定公式推出土體動(dòng)態(tài)傳感器的測(cè)試柱產(chǎn)生的彈性變形，上下承壓盤之間所夾的一小段土柱也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，且二者彈性變形數(shù)值相同，根據(jù)應(yīng)變計(jì)算公式：

ε=?x/x（1）

式（1）中，x為變形前長(zhǎng)度，?x為變形后長(zhǎng)度變化量。土柱的彈性變形與上下兩承壓盤之間土柱高度的比值，即為土體的應(yīng)變。

土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)如上圖所示，包括測(cè)試柱、承壓盤、連接環(huán)和電阻應(yīng)變片;測(cè)試柱為彈性構(gòu)件，長(zhǎng)度為100 mm，直徑為10 mm，沿測(cè)試柱四周豎向均勻粘貼4個(gè)電阻應(yīng)變式片;承壓盤設(shè)有兩個(gè)，直徑為100 mm;連接環(huán)的材質(zhì)與測(cè)試柱相同，沿連接環(huán)四周豎向均勻粘貼4個(gè)電阻應(yīng)變式傳感器，用以溫度補(bǔ)償。

2 傳感器各結(jié)構(gòu)材料選擇

由于土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器是埋設(shè)在鐵路路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的，所以在傳感器各部分材料所組成時(shí)主要克服鐵路路基工程環(huán)境、溫度變化以及填土粒徑所帶來的影響。

2.1測(cè)試柱材料選擇

測(cè)試柱所用材料應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和壓縮性能，以保證土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器在疲勞加載下測(cè)試效果的穩(wěn)定性。

測(cè)試柱的材質(zhì)選擇尼龍棒、聚甲醛以及PVC三種材料，制成直徑為16 mm，長(zhǎng)度為150 mm的圓柱體試樣，利用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，多次驗(yàn)證其壓縮性能，測(cè)出不同應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，根據(jù)胡克定律計(jì)算出壓縮模量，公式如下。

E=σ/ε（2）

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可知，尼龍棒、聚甲醛以及PVC三種材料制成的圓柱體壓縮模量分別為218.627 MPa、382.970 MPa、1 028.191 MPa。在鐵路路基內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力衰減迅速，壓縮模量較小的尼龍棒可以保證土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器在鐵路路基中變形明顯。

2.2承壓盤材料及尺寸選擇

承壓盤的直徑大小與土體粒徑有關(guān)，土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的直徑要大于土介質(zhì)最大顆粒粒徑的50倍，以消除介質(zhì)不均勻所引起的壓力差別[6];承壓盤的材質(zhì)選用力學(xué)性能佳、易加工以及抗腐蝕性能優(yōu)良的鋁合金。

2.3電阻應(yīng)變片選擇

電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)主要有敏感柵、基底、覆蓋層、引出線和粘結(jié)劑五部分組成，其中按敏感柵制造工藝可以分為絲式應(yīng)變計(jì)和箔式應(yīng)變計(jì);絲式應(yīng)變計(jì)制造工藝簡(jiǎn)單且易于安裝，但敏感柵中焊點(diǎn)多，不適用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量;箔式應(yīng)變計(jì)測(cè)量靈敏度高，蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)，適用于土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。敏感柵尺寸對(duì)應(yīng)變片測(cè)量精度也有影響，敏感柵越長(zhǎng)，誤差越小;柵絲間距越大，誤差越小;柵絲直徑越大，誤差越大[7]。

應(yīng)變片的選擇依據(jù)與測(cè)試柱材料、應(yīng)力狀況以及允許粘貼電阻應(yīng)變式傳感器的面積相符的原則，選用應(yīng)變片為箔式環(huán)氧類應(yīng)變片，標(biāo)稱電阻值為120 Ω，應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)為3 mm，結(jié)構(gòu)形狀為單軸，基底尺寸為6.9 mm×3.9 mm，絲柵尺寸為3.0 mm×2.0 mm。

各結(jié)構(gòu)材料確定的土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器如下圖所示，保證其埋設(shè)在鐵路路基中穩(wěn)定監(jiān)測(cè)土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

3 ?傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì)

使用電阻應(yīng)變片測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變時(shí)，由于電阻的變化量很小，精確測(cè)量困難，將電阻應(yīng)變式傳感器接入惠斯通電路中，把電阻變化率轉(zhuǎn)化為電壓輸出，然后提供放大電路放大后進(jìn)行測(cè)量。

惠斯通直流電橋結(jié)構(gòu)如圖所示，R1、R2和R補(bǔ)為橋臂電阻由應(yīng)變片組成。A、C為輸入端，接直流電源，輸入電壓為UAC，B、D為輸出端，輸出電壓為UBD。依據(jù)歐姆定律和克?；舴蚨ɡ砜芍?/p>

U_BD=（R_1 R_2-R_補(bǔ) R_補(bǔ)）/（R_1+R_2 ）（R_補(bǔ)+R_補(bǔ) ） ?U_AC（3）

當(dāng)R_1 R_2=R_補(bǔ) R_補(bǔ)時(shí)，U_BD=0，即為電橋平衡。

在實(shí)際鐵路路基工程監(jiān)測(cè)中，環(huán)境溫度變化明顯，測(cè)量結(jié)果受到影響。一是因?yàn)殡娮钁?yīng)變片的阻值隨溫度變化而改變;二是溫度變化時(shí)，由于應(yīng)變片敏感柵與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)不同，敏感柵被迫伸長(zhǎng)或縮短，應(yīng)變片電阻值也會(huì)發(fā)生變化。測(cè)量電路消除溫度影響的措施是溫度補(bǔ)償，利用電橋特性采用橋路補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)。該文采用對(duì)臂工作全橋接法，四個(gè)橋臂的電阻處于相同的溫度條件下，相互抵消了溫度的影響，且全橋電路測(cè)量更加精確。應(yīng)變儀的應(yīng)變讀數(shù)和測(cè)量相對(duì)誤差分別為：

ε_(tái)d=K/K_儀 ?[（ε_(tái)1+ε_(tái)t ）-ε_(tái)t+（ε_(tái)2+ε_(tái)t ）-ε_(tái)t ]（4）

e=|K/2 （ε_(tái)1+ε_(tái)2 ） |（5）

測(cè)試柱四周豎向均勻貼有4個(gè)應(yīng)變片，溫度補(bǔ)償塊上貼有相同阻值的4個(gè)應(yīng)變片。兩兩對(duì)應(yīng)共形成2組惠斯通電路，消除偏壓對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

4結(jié)語

該文發(fā)明了一種土體動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，通過傳感器的應(yīng)變得出其彈性變形值，反映上下承壓盤所夾土體的彈性變形，土體變形與其高度的比值即為土體應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)土體應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)傳感器各個(gè)部分材料進(jìn)行性能試驗(yàn)與理論研究，分析測(cè)試柱壓縮性能以及測(cè)量電路溫度補(bǔ)償?shù)纫蛩兀x取傳感器各部分最優(yōu)組合。

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