繆秋蓮 關(guān)樸芳 謝祖強 杜盼成

（福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007）

關(guān)鍵字：傳感器；變形坍塌；應變片；預警；實驗

國內(nèi)外大型建筑物的安全監(jiān)控及分析預警系統(tǒng)正在向網(wǎng)絡模式的方向發(fā)展，并且已經(jīng)由事后數(shù)據(jù)處理發(fā)展到了事前安全預警的程度，為相關(guān)部門提供了決策基礎(chǔ)，這也必定是今后大型建筑物安全監(jiān)測及變形預警系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。然而，目前在房屋建筑物變形預警方面的研究仍存在空白，沒有相應的預警系統(tǒng)。

近年來，建筑物坍塌事故頻發(fā)，給人們的生命安全造成了嚴重影響。例如：某市酒店發(fā)生倒塌事故，現(xiàn)場搜救出受困人員71 人，死亡29 人，受傷42 人，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。相關(guān)部門針對該坍塌事故組織調(diào)查組調(diào)查后顯示，事故所涉酒店在建設(shè)、改造等環(huán)節(jié)存在嚴重問題，改造后的房屋因超過自身的強度極限或因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞而造成了此次事故。該房屋在坍塌前，出現(xiàn)了承重柱變形、窗戶破裂等預警現(xiàn)象。由于缺乏預警系統(tǒng)，這些預警現(xiàn)象并未被房屋內(nèi)部租住人員識別。因此，需要設(shè)計一款預警傳感器來識別房屋變形量，當房屋產(chǎn)生變形時能夠提前預警，以便減少不必要的損失。

1 設(shè)計原理

房屋坍塌事故發(fā)生前會產(chǎn)生相應的變形現(xiàn)象，如承重柱扭曲變形[2]等。本課題設(shè)計了一款房屋變形坍塌預警傳感器，以采集房屋承重柱變形量，該傳感器能夠?qū)⒎课莩兄刂茸冃吻闆r轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅麟娮柚底兓盘柌⑤敵?，有利于后期房屋變形坍塌預警技術(shù)的深度開發(fā)，從而減少房屋坍塌帶來的人員傷亡以及經(jīng)濟損失。

2 設(shè)計方案

2.1 硬件設(shè)計

房屋變形坍塌預警傳感器是一種采用應變式傳感器來測量物體受力變形所產(chǎn)生的應變的傳感器，其中應變式傳感器能夠?qū)C械構(gòu)件上應變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。房屋變形坍塌預警傳感器應變片的基本構(gòu)造如圖1 所示，由基片、引線、敏感柵和覆蓋層等部件組成，其中敏感柵是由Φ0.01～0.05 mm 的高電阻系數(shù)的細絲彎曲成柵狀的電阻元件，是電阻應變片感受構(gòu)件應變的敏感部分[3]。

圖1 應變式傳感器應變片的構(gòu)造圖

房屋變形坍塌預警傳感器制作時，可應用粘合劑將敏感柵固定在基片上。為了使構(gòu)件上的應變能夠準確傳遞給敏感柵，基片必須很薄，通常為0.03～0.06 mm，并且要保證它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起[4]。

2.2 測量電路設(shè)計

當房屋承重柱受力變形時，房屋變形坍塌預警傳感器應變片的敏感柵將會獲得同樣的變形力，從而使應變片電阻值發(fā)生變化，其變化值與承重柱變形量成對應比例。房屋變形坍塌預警傳感器測量電路的設(shè)計目的是通過測量電路將應變片電阻變化轉(zhuǎn)換為電路電壓變化，最終根據(jù)電壓變化量折算出被測承重柱變形量的大小，其測量電路使用直流電橋電路，如圖2所示。

圖2 應變傳感器測量電路圖

當房屋變形坍塌預警傳感器應變片發(fā)生形變時，若電阻改變量為ΔR，則輸出電壓變化量ΔU為：

假設(shè)房屋承重柱為圓柱體，則其軸向是最大應變處，環(huán)向為最大負應變處。為了提高房屋變形坍塌預警傳感器識別變形的能力，對原有直流電橋電路做了相應改變，如圖3 所示。由圖3 可知，每根承重柱需要粘貼8 個應變片，其中包括4 個軸向片和4 個橫向片，且應變片貼在圓柱中部的四等分圓周上，如圖4所示。其目的是為了保證將4 片應變片粘貼在最大正應變處，另外4 片貼在最大負應變處，從而獲得最大靈敏度，并方便應變片接入串聯(lián)全橋電路。

圖3 改變后的電橋電路

圖4 應變片的粘貼位置圖

采用改變后的電橋電路后，當房屋變形坍塌預警傳感器應變片發(fā)生形變時，若電阻改變量為ΔR，則房屋變形坍塌預警系統(tǒng)輸出的電壓變化量ΔU為：

2.3 軟件電路仿真設(shè)計

本文利用Altium Designer 電氣元器件電路原理圖軟件設(shè)計房屋變形坍塌預警應變式傳感器電路，設(shè)計結(jié)果如圖5 所示。

圖5 房屋變形坍塌預警應變式傳感器電路設(shè)計圖

3 實驗測試

按照上述設(shè)計制作出硬件部分的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB），并把編寫的相應程序燒錄到電路板中，從而制作成房屋變形坍塌預警傳感器試驗模型，如圖6 所示。對房屋變形坍塌預警系統(tǒng)傳感器進行相應的性能測試，其測試結(jié)果如圖7 所示。經(jīng)測試，設(shè)計出的房屋變形坍塌預警系統(tǒng)應變式傳感器能檢測到彎曲形量，且輸出電壓會發(fā)生相應變化，能夠模擬檢測房屋承重柱彎曲情況，達到了設(shè)計目的。

圖6 房屋變形坍塌預警應變式傳感器試驗模型

圖7 測試結(jié)果

4 結(jié)語

此次設(shè)計的房屋變形坍塌預警系統(tǒng)應變式傳感器可用于房屋變形量檢測，適用于鋼筋混凝土房屋、鋼結(jié)構(gòu)房屋、木質(zhì)房屋等具有承重柱的房屋，在外力或重力作用下該傳感器會發(fā)出變形坍塌事故預警信號，從而減少了房屋坍塌帶來的人員傷亡以及經(jīng)濟損失。