本发明专利技术公开了一种地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统及方法，所述系统包括柔性应变传感器阵列、信号处理桩以及监视端：柔性应变传感器阵列包括多个沿线性路径排布的应变传感器单元；传感器单元由柔性衬底、导电流体层、顶部保护层构成，顶部保护层和底部柔性衬底均选用高弹性Ecoflex材料，导电流体层是利用墨汁导电流体填充衬底微流道结构形成的具有特殊形状的导电通道。本发明专利技术可应用于城市道路地下空洞监测与道路塌陷事故预警，制作成本低、制备流程简便、信号检测方式简单、监测效果良好，能够满足在地下空间中进行塌陷监测的工程需求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及城市道路塌陷早期预警领域，具体涉及一种地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统及方法；拟在地下环境中利用基于导电流体的高拉伸柔性应变传感器阵列实现对城市地下空洞的实时监测与道路塌陷事故的预警。
技术介绍
1、城市道路塌陷的主要诱因是地下施工扰动或者地下管道损坏引起的地下空洞，当地下空洞的规模演变到一定程度后会直接引起地表道路的快速坍塌。道路塌陷的早期预警需要获取土层塌陷状况的准确评估结果，但由于地下土层环境结构复杂，截至目前仍未能形成一套良好的道路塌陷早期预警方法。
2、根据相关研究，城市道路塌陷会经历了三个阶段：地下空洞形成、地下空洞膨胀、上覆土层破坏。地表塌陷只是地下土层扩展后在地面上的宏观表现，而道路塌陷的本质是土层的相对位移，而使用应变传感器可以直观、精确地测量土体位移。但传统应变传感器一般由金属或者半导体材料制成，有效测量应变范围小，并不适用于地下土体监测。而柔性应变传感器具有柔性、高可拉伸性、耐用性等特点，是实现土体监测的较好选择。
3、目前城市道路塌陷早期预警领域研究较少，现有预警方法较为传统，人力、物力消耗大且预警效果较差。而使用柔性应变传感器阵列进行道路塌陷早期预警时，仅需预先将传感器阵列铺设在道路下方，之后即可利用远程数据传输模块实现对传感器阵列信号的监测。当地下土体发生塌陷时，传感器阵列在重力和土体的挤压下发生形变，且不同单元的形变程度不同，可通过传感器单元形变情况绘制整体形变曲线，评估塌陷形势。故将柔性应变传感器应用于城市道路塌陷早期预警领域具有较大应用价值。
/>技术实现思路
1、城市道路塌陷早期预警领域存在着上述问题，因此专利技术了一款基于导电流体的柔性高拉伸应变传感器阵列，其由柔性衬底材料ecoflex和墨汁导电流体构成。墨汁与ecoflex材料的低成本与简化后的制备工艺使得该方案具备实际工业应用潜力。
2、本专利技术的目的是提出一种地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统及方法，拟在地下环境中利用基于导电流体的柔性高拉伸应变传感器阵列实现对地下空洞的实时监测和道路塌陷事故的预警。以下提供了所述地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统的技术方案和预警方法。
3、本专利技术采用如下的技术方案：
4、一种地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，包括：
5、柔性应变传感器阵列，设置在垂直于道路前进方向的地下，包括封装层、金属信号线以多个沿线性路径排布的应变传感器单元，所述应变传感器单元用于在重力和土体的挤压下发生形变并将形变程度转化为电阻信号后通过金属信号线进行输出；所述封装层由ecoflex制备而成，设置在传感器阵列上方；封装层开设有用于金属信号线走线的中空通道；
6、信号处理桩，设置在道路旁，内部搭载有远程数据传输模块，所述远程数据传输模块用于接收柔性应变传感器阵列的电阻信号并将电阻信号进行传输；
7、监视端，用于接收远程数据传输模块传输的电阻信号，并根据电阻信号进行道路塌陷的监测和预警。
8、作为本专利技术的优选方案，所述应变传感器单元包括设置的柔性衬底、导电流体层、顶部保护层；所述顶部保护层和柔性衬底均选用ecoflex制备而成，所述柔性衬底具有“s”型微流道结构；所述导电流体层为将导电流体填充在“s”型微流道结构内而形成的“s”型导电通道；顶部保护层与柔性衬底进行粘合从而将导电流体层进行密封；
9、所述金属信号线位于传感器单元的导电流体层两端，统一布置在传感器阵列的封装层中，用于传输传感器单元的电阻信号；
10、相邻两个所述传感器单元之间涂抹液态ecoflex，利用ecoflex在液态和固态之间的自粘附实现相邻传感器单元的无缝拼接。
11、作为本专利技术的优选方案，所述柔性衬底的“s”型微流道结构两侧末端均连接一个方块型中空结构，方块型中空结构用于后续金属信号线的连接以及存储过量的导电流体，保证拉伸过程中导电路径的稳定性。
12、作为本专利技术的优选方案，所述导电流体为墨汁。
13、作为本专利技术的优选方案，当对传感器单元施加拉力时，导电流体层内导电流体的长度和面积随传感器拉伸发生形变，导致传感器单元电阻值发生变化。
14、本专利技术还提供了一种上述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统的预警方法，包括以下步骤：
15、步骤1、道路施工阶段，在地下一定深度处垂直于道路前进方向放置柔性应变传感器阵列；将柔性应变传感器阵列的金属信号线与设置在道路旁的信号处理桩连接；
16、步骤2、柔性应变传感器阵列放置后，通过信号处理桩内搭载的远程数据传输模块，将柔性应变传感器阵列输出的数据传输至监视端进行道路塌陷的监测和预警；
17、步骤3、当地下土体发生塌陷时，传感器阵列在重力和土体的挤压下发生形变，且处于不同位置的应变传感器单元形变程度不同；应变传感器单元将形变程度转化为电阻信号后通过金属信号线进行输出；信号处理桩内搭载的远程数据传输模块将电阻信号传输到监视端；监视端根据传输的电阻信号判断每个传感器单元的形变情况，并据此绘制实际土体形变曲线，进而监测土体塌陷点距离初始位置的落差高度，当传感器阵列电阻变化幅度或者落差高度超过阈值时做出道路塌陷预警响应，从而评估实际塌陷形势。
18、与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：
19、1、本专利技术所述的柔性应变传感器阵列使用的制作材料为ecoflex(一种广泛使用的硅橡胶)、墨汁、金属信号线，价格低廉，性质稳定。且所述传感器阵列体积小、结构简单、制作便利，适合大规模生产使用。
20、2、本专利技术所述的柔性应变传感器阵列使用ecoflex作为传感器阵列的封装材料，密封性和拉伸性好，能够满足大范围应变测量的要求。
21、3、本专利技术所述的柔性应变传感器阵列使用墨汁导电流体进行应变测量，灵敏度高且温度性质稳定，能够满足在地下空间进行道路塌陷早期预警的应变测量精度和温度要求。
22、4、本专利技术在道路塌陷事故预警应用时，所述的柔性应变传感器阵列可以直接监测地下空洞周围土层的应变情况，受地下道路交通带来的应力影响较小，可靠性高。
23、5、本专利技术在道路塌陷事故预警应用时，仅需预先将所述的柔性应变传感器阵列在道路下方铺设，后续结合远程数据传输模块进行道路塌陷监测和预警，操作简单、实时性高、预警效果良好。
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【技术保护点】
1.一种地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，所述应变传感器单元(1)包括设置的柔性衬底(4)、导电流体层(5)、顶部保护层(6)；所述顶部保护层(6)和柔性衬底(4)均选用Ecoflex制备而成，所述柔性衬底(4)具有“S”型微流道结构；所述导电流体层(5)为将导电流体填充在“S”型微流道结构内而形成的“S”型导电通道；顶部保护层(6)与柔性衬底(4)进行粘合从而将导电流体层(5)进行密封；
3.根据权利要求2所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，所述柔性应变传感器阵列通过以下步骤进行制备：
4.根据权利要求2所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，所述导电流体为墨汁。
5.根据权利要求2所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，所述柔性衬底(4)的“S”型微流道结构两侧末端均连接一个方块型中空结构，方块型中空结构用于后续金属信号线(3)的连接以及存储过量的导电流体，保证拉伸过程中导电路径的稳定性。</p>6.根据权利要求2所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于：当对传感器单元施加拉力时，导电流体层(5)内导电流体的长度和面积随传感器拉伸发生形变，导致传感器单元电阻值发生变化。
7.一种基于权利要求1所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
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【技术特征摘要】
1.一种地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，所述应变传感器单元(1)包括设置的柔性衬底(4)、导电流体层(5)、顶部保护层(6)；所述顶部保护层(6)和柔性衬底(4)均选用ecoflex制备而成，所述柔性衬底(4)具有“s”型微流道结构；所述导电流体层(5)为将导电流体填充在“s”型微流道结构内而形成的“s”型导电通道；顶部保护层(6)与柔性衬底(4)进行粘合从而将导电流体层(5)进行密封；
3.根据权利要求2所述的地下空洞监测与道路塌陷事故预警系统，其特征在于，所述柔性应变传感器阵列通过以下步骤进行制备：
4.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹云琦，姚一培，池豪镇，朱梓荧，侯迪波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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