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Flex传感器是一种电阻式传感器，以单薄的柔性塑料上的电阻碳元素为基板，表面是一层特殊的电阻材料[1]。Flex弯曲传感器将一种具有波状纹理的导电油墨、其他金属或半导体粒子混合到一种弹性体中，并在通道里嵌入离子液体（IL）作为可变导体的设备。Flex传感器的工作温度约为-43～52℃，其工作原理是传感器的输出电阻随弯曲角度的变化而变化，当Flex弯曲传感器受到应力基板发生弯曲变形时，涂层表面的元素分离产生微裂痕，导致电阻变化，进而使Flex传感器按比例产生电阻输出[2]。

与传统的传感器相比，Flex传感器成本较低，轻便小巧，具有耐用性、机械性、可靠性以及测量的可重复性等特性[3]，其封装后受环境影响较小，使用寿命较长。该传感器应用电路简单，输出信号易于处理，已广泛应用于农业、医疗器械、乐器和机器人等领域[4]。其中，Flex弯曲传感器可用于监测人体关节动静态时的姿态，主要是将关节运动的角度变化转换为电阻的变化，其还可用于测量其他人体关节的转动，例如肘、脚踝以及肩膀的运动，为步态分析以及矫正器具等方面提供帮助。现有的Flex传感器具有使用方便、结构设计简单、传感器元件高度柔性、可埋入土壤中进行地面运动监测等优点，并且其性能稳定，实时数据可连续输出，工作原理简单。文章将Flex传感器应用于土木工程监测，具有一定的创新性。

1 Flex土体变形监测传感器的设计和制备

Flex传感器是一种用于测量挠度或弯曲度的电阻传感器。弯曲传感器表面时，其电阻会发生变化，因此可使用挠性传感器制作弯曲传感器的基本结构，Flex土体变形监测传感器元件通过蓝牙数据采集系统读取数据（见图1）。Flex土体变形监测传感器结构的特点是2个传感梁由轴承连接，通过嵌入的Flex传感器电阻变化测量角度。每当两根梁之间的相对位置发生变化时，嵌入在两根梁内部的Flex传感器就会出现相应的弯曲角度变化。

图1 基于蓝牙数据采集系统的无线Flex传感器

利用CAD设计一种Flex土体变形监测传感器，见图2。Flex传感器电阻片共有两个型号，Flex4.5和Flex2.2，Flex4.5传感器长110mm、宽7mm、厚1mm；Flex2.2传感器长70mm、宽7mm、厚1mm。在Flex传感器外用厚度为8mm的热缩套管加热保护。由于该传感器对连接端角度的精度要求较高，采用铝合金封装，对连接端内圆进行精度抛光，提高旋转角度。Flex传感器由Flex传感器、连接端、固定保护端、连接圆杆组成。设计侧斜传感器封装外壳固定保护端长120mm、宽30mm、厚5mm，横截面中间预留宽8mm、厚2.2mm的长方形槽，可放入Flex传感器。连接端为外圆半径为5mm、内圆半径为3mm的空心圆筒，高度为5mm。连接圆杆为半径为3mm、高度为30mm的圆柱，中间同样是宽8mm、厚2.2mm的长方形槽。Flex沉降传感器长135mm、宽30mm、厚5mm。横截面中间同样预留宽8mm、厚2.2mm的长方形槽，可放入Flex传感器。

图2 CAD设计图

2 Flex侧斜传感器的工作原理推导

Flex传感器是一种碳电阻式的传感器，它能够将物理能量转换为电能。在不同的弯曲角度，它具有不同的电阻值。电信号输出量用于反映传感器的弯曲角度变化。在Flex传感器的基板上印刷了一层聚合物油墨，沿基板会出产生细小的微裂纹。当弯曲角度增大时，微裂纹张开并增大，使传感器的整体电导率降低，整体电阻会增大。反之，当弯曲角度变小时，整体电阻会减小。

Flex测斜传感器弯曲前后的示意图见图3，传感器长度为b，弯曲角度为α，则横向位移计算公式如下：

图3 Flex弯曲传感器弯曲前后示意图

竖向位移计算公式如下：

3 Flex传感器标定试验

此次试验在3个Flex传感系统中设计制作了7个Flex传感器，用于监测某边坡模型的内部倾角变化。这7个传感器，即A1～A7，按照设计的原理结构进行设计。这7个Flex传感器在实验室的标定数据见图4。由图4可知，Flex传感器数据的变化与挠性角度的变化成线性比例。标定试验中3个传感器的最大弯曲角度均为60°。因此，Flex传感器可以用来监测发生在地面内部的大倾角。

图4 土体变形监测传感器的标定试验数据

4 结论

基于Flex传感器，该研究制备了一种Flex无线斜坡运动传感系统，结合制备过程与标定试验得出以下结论：

（1）结合蓝牙无线传输技术可设计制作Flex弯曲传感器。该新型土体变形监测传感器具有嵌入灵活、实时数据连续输出和传感器数据快速处理的特点。

（2）标定测试表明，Flex土体变形监测传感器具有可靠的测量性能，最小分辨率和测量范围分别为0.5度和-20°～65°。根据物理参数计算出的倾角与角规测得的角度吻合较好。