BS-25AT 日本KYOWA共和應變傳感器技術解析

在土木工程領域，混凝土結構的應力-應變監測是一項歷史悠久的課題，但一個長期存在的工程難題卻是：混凝土材料的非勻質特性?；炷劣伤嗌皾{與粗細骨料復合而成，其中骨料粒徑可達數十毫米甚至上百毫米。傳統的短標距應變片若直接置于大骨料混凝土表面或內部，測得的往往只是局部砂漿或單一骨料顆粒的變形，無法反映混凝土材料整體的平均應變狀態。更棘手的是，混凝土的水化熱與環境溫差所引起的熱應變與外力應變相互疊加，使測量結果的解釋變得極為復雜。

日本共和電業（KYOWA）推出的BS-25AT型內埋式應變傳感器，正是為解決上述雙重困境而設計的專業測量設備。共和電業成立于1949年，是全球應變測量領域的創始級企業之一，其應變片產品被Intel等半導體選為主板應變分析的優選供應商。BS-25AT作為共和電業在土木工程傳感領域的代表性產品，以長標距設計消解骨料尺寸帶來的測量不確定性，以材料特性匹配消除熱應變干擾，同時將應變與溫度兩個物理量集成于同一傳感器中，為混凝土內部應力監測提供了系統化的技術方案。

一、系統架構與核心技術規格

BS-25AT在硬件設計上體現了“適應性”與耐久性的雙重考量。傳感器全長約250mm，采用金屬防護外殼封裝，內部集成了基于電阻應變原理的敏感元件及溫度傳感元件。整機重量約600g，尺寸與重量設計適中，既能穩固埋入混凝土內部，又不因體積過大而擾動混凝土自身的力學行為。

BS-25AT以±500×10??應變量（±500 με）為額定容量，BS-25BT則以±1000×10??應變量（±1000 με）為額定容量，供不同量程需求的選擇。該傳感器的關鍵技術規格匯總如下：

BS-25BT作為同一產品線的較高量程版本，額定容量為±1000×10??應變，非線性指標為±2% RO以內，其余規格與BS-25AT基本一致，可為骨料粒徑更大或混凝土變形預期更強烈的應用場景提供選型依據。

二、長標距設計：消解大骨料效應

混凝土的非勻質特性對應變測量構成了深刻的技術限制。當混凝土中骨料粒徑達到50mm以上時，任意選取一個短標距的測量點，測得的應變數值將高度依賴于該位置恰好落入砂漿區還是骨料核心區——兩個位置的力學特性差異巨大，測量結果缺乏代表性。

BS-25AT以250mm的超長標距應對這一挑戰。其設計邏輯在于：應變傳感器的標距長度被拉長后，測量的覆蓋區間跨越了多個骨料-砂漿界面，測量變形的平均值更接近混凝土材料作為連續介質的整體應變響應。這與代表性體積單元（RVE）的理論原則高度一致——只有當傳感器的測量尺度遠大于材料內部缺陷或異質結構的特征尺寸時，測得的物理量才能真正代表材料的宏觀行為。

根據實測數據，BS-25AT的應變傳遞效率達到96%，能夠有效適應粒徑50-150mm范圍內的大骨材分布場景。換言之，在摻有鵝卵石、碎石等大骨料的混凝土結構中，BS-25AT的長標距設計能夠跳過局部材料的變異性，直接測量結構的宏觀力學響應——這正是大壩、橋梁基礎等大型混凝土工程對所埋設傳感器的“質檢”書要求。

三、材料匹配設計：熱應變消除機制

應變測量中最為常見的誤差來源是溫度變化引起的虛假應變——即測量裝置自身的熱脹冷縮被錯誤地與外力引起的真實變形混淆。尤其在混凝土結構的測量中，這一問題尤為突出：混凝土的線膨脹系數通常在（10～12）×10??/℃量級，而許多金屬傳感元件的線膨脹系數則截然不同（例如不銹鋼約17×10??/℃），導致溫度波動在傳感器輸出中產生可觀的“熱應變漂移”。

BS-25AT從材料層面解決此問題。其內置傳感單元的外觀線膨脹系數為(11.5±0.6)×10??/℃，與混凝土的典型線膨脹系數精確匹配。這意味著環境溫度變化時，傳感器與周圍混凝土近乎同步伸縮，溫度變化不會在測量結果中產生額外的應變信號。換言之，BS-25AT測量的是混凝土的真實應變——無論是外力施加的機械應變，還是由溫差引起的熱應力應變，傳感器均如實反映材料自身的變形狀態，而非因傳感器與材料的膨脹不匹配而產生的偽信號。

傳感器在-20～70℃溫度補償范圍內可將溫度對輸出的影響控制在±0.05%/℃以內，加上內置溫度傳感器提供的同步溫度數據，測量人員可以進一步校準殘余的溫度影響，實現應變-溫度雙參數高精度采集。

四、雙參數集成：應變-溫度同步采集

BS-25AT的另一項關鍵技術特征在于：單個埋入式傳感器同時具備應變測量與溫度測量兩種功能（帶測溫功能）。

從工程實踐角度看，這一設計至少具備三重價值。

首先是數據邏輯的內在一致性。 當應變數據與溫度數據源自同一物理位置、同一埋設深度時，應變與溫度的物理關聯性是最為緊密的。混凝土水化熱的釋放過程、環境日照引起的結構溫度梯度變化等，均可直接在應變-溫度對應關系中得到精確映射。

其次是測量系統配置的簡化。 若應變與溫度兩個參數需要分別埋設兩種不同的傳感器，不僅增加了埋設施工的工作量，傳感器定位的相對誤差也會引入額外的測量不確定性。BS-25AT與KYOWA自家數據采集系統的組合，可同步記錄應變、溫度、時間三個維度的數據鏈，滿足大型工程對監測系統簡潔性與可靠性的雙重要求。

最后是服役期監測的全面性。 長期監測（如大壩、橋梁的健康監測）除外力荷載引起的應變變化外，季節溫度循環、材料徐變、干燥收縮等多種因素相互疊加，必須有溫度數據作為解耦依據。BS-25AT集成式的雙參數采集為實現這一目標提供了低成本、高可靠性的技術路徑。

五、埋入適應性：抗振與密閉封裝設計

BS-25AT是內埋式傳感器，被澆筑在混凝土內部完成長期監控。這意味著傳感器在混凝土澆筑與振搗過程中，需要同時承受兩種環境：物理沖擊與化學侵蝕。

5.1 抗振設計：耐受混凝土振搗

混凝土澆筑過程中，插入式振搗器以高頻振動使混凝土密實，其能量足以將鋼筋架上的傳感器震脫甚至損壞。BS-25AT設計充分考慮了該工況，能夠在振搗器的作用下保持結構完整性。其外殼采用耐水化全密封封裝（316L不銹鋼材質），防護等級達IP68，能夠有效抵御混凝土澆筑過程中水泥漿的滲透以及長期服役環境下的潮濕侵蝕。

該產品還特別標注可充分承受RCD工法（混凝土圓柱體壓實工法）帶來的振動。RCD工法是重力壩等大型水利工程中采用的一種碾壓混凝土施工方法，其振動強度較普通振搗更高。BS-25AT對RCD工法的耐受性，是其作為大型土木工程內埋式傳感器可靠性的重要證明。

5.2 特種電纜設計

傳感器配用4芯0.5mm2氯丁橡膠鎧裝電纜，電纜外徑11.5mm，長度1m（前端裸線）。氯丁橡膠的耐磨性、耐油性、耐候性及其在酸堿環境下的化學穩定性，使其在野外工程環境中具備長期耐久性，可滿足混凝土內部高堿性環境（pH≈12～13）對電纜絕緣層的苛刻要求。

六、測量系統集成與數據轉換

6.1 兼容的數據采集設備

BS-25AT以2.5mV/V的額定輸出電壓與350Ω輸入電阻的電氣特性，與全球主流的應變測量設備具有良好的兼容性。KYOWA推薦與其配合使用的測量儀器包括：

• SME-30A/31A 系列應變測量儀

• UCAM-60B 通用數據采集器

• USS-63B / USB-70B-30 掃描儀單元

• RMH-301B/310A 手持式應變數據記錄儀

以上設備均經制造商測試驗證，與BS-25AT具備協同測量的有效性。

此外，BS-25AT還可與KYOWA UCAM-80A數據采集系統及FYPro分布式監測平臺實現無縫對接，形成應變-溫度-時間多參數同步分析的專業監測系統，可滿足國家標準對結構健康監測的長期穩定性要求（年漂移小于30με）。

6.2 應變信號的標定公式

BS-25AT的應變轉換遵循以下基本算法。給定使用KYOWA推薦的應變放大器時，測量結果可以微應變（×10??）為單位讀取，因此不同測量配置下的應變值轉換公式為：

• 使用應變放大器時：

$$\epsilon \text{??}(\mu \epsilon )=(\text{放大器讀數})\times (\text{標定常數})$$

• 使用通用放大器或記錄儀時：

$$\epsilon \text{??}(\mu \epsilon )=\left(\frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{exc}}}\right)\times (\text{標定常數})$$

式中 $V_{\text{out}}$ 為電橋輸出電壓，$V_{\text{exc}}$ 為電橋激勵電壓。

以上算法依據產品說明書整理。

6.3 溫度修正公式

當傳感器線膨脹系數（約11.5×10??/℃）與周圍混凝土的系數 $c$ 不相等時，溫度變化Δt會在應變測量中引入需修正的偏差。修正后的真實應變值為：

$${\epsilon }_{\text{true}}={\epsilon }_{\text{measured}}?(c?s)?\mathrm{\Delta }t$$

式中 $s$ 為傳感器的線膨脹系數（根據出廠測試報告確定），$\mathrm{\Delta }t$ 為溫度變化量。

七、土木工程/結構健康監測應用場景詳析

BS-25AT在多個應力監測方向中均體現出重要價值。

大型混凝土結構監測。在大壩、橋梁主墩、高層建筑核心筒等關鍵部位，使用BS-25AT可實時捕捉混凝土在水化、養護及服役全過程中由自身體積變化和外加荷載產生的內部應變狀態，準確評估結構安全水平。

溫度應力監測。大體積混凝土水化熱引起的溫度應力是導致裂縫的主要機制。BS-25AT可同時監測水化過程中的溫度變化及相應產生的熱應變，為優化施工溫控方案與控制早期裂縫提供可靠的實測依據。

長期結構健康監測（SHM） 。對于核電站安全殼、水利樞紐、隧道襯砌等時間跨度很長的工程，BS-25AT可埋入后持續提供應力、溫度雙參數數據，幫助運維團隊掌握結構老化情況并預測剩余壽命。其10年以上的設計服役壽命覆蓋工程設施的全生命周期監測需求。

科研與標準符合性驗證。BS-25AT滿足JIS與GB50982-2014的相關技術要求，測量結果具備較高的跨實驗室可比性，可用于驗證混凝土材料本構模型或新施工方法的力學性能評估等多種科研用途。

混凝土配合比調整參考。在混凝土配合比試驗或新材料驗證中，BS-25AT可監測不同配方下的內部應力和溫度變化數據，為優化配合比提供力學性能定量參考。

八、技術定位：與主流混凝土/巖土應變測量技術的橫向對比

為全面理解BS-25AT的技術邊界和在測量裝備梯次中的定位，有必要將BS-25AT與其他幾種常用于混凝土及巖土工程應變測量中的技術途徑進行系統性對比：

從上表可見，BS-25AT在幾類混凝土應變測量技術中解決了長標距設計、大骨料適應性、溫度匹配、寬溫域耐久性等雙重技術交叉需求。相比傳統的粘貼式箔式應變片，BS-25AT以其長標距設計可平均消解混凝土內部因骨料分布不均勻而導致的測量誤差，自帶溫度補償電纜、防護等級更高的密閉金屬封裝使其在土木工程惡劣環境下服役壽命遠高于通用箔式應變片。相較于振弦式傳感器與FBG傳感器，BS-25AT的電阻應變輸出信號可直接兼容KYOWA及通用應變采集系統，測量鏈路更簡潔、工程部署更直接、測量結果的解析也更契合傳統的結構力學分析框架。在性價比上，對于大壩、核電站安全殼、高層建筑基礎中的大骨料混凝土結構監測任務，BS-25AT提供了全面且成熟的機械與電磁測量接口方案，并具備確切的抗震耐久性設計。然而，當被測對象要求更高抗電磁干擾能力，或有分布式測量需求（例如需要沿數千米壩體連續感知應變）時，全光纖系統（FBG、布里淵散射BOTDR等）和振弦信號的數字化傳輸在長壽命周期內逐步占有優勢。

綜上，日本KYOWA共和電氣（共和電業）BS-25AT應變傳感器是針對混凝土內部大骨料應變測量而開發的專業嵌入式應變測量儀器。它通過三項設計決策解決了長期存在的測量難題：以250mm超長標距消解因骨料尺寸帶來的應變局部變異，以精確匹配混凝土的線膨脹系數消除溫度變化引起的虛假應變，以內置溫度傳感器實現應變-溫度雙參數同步采集。

在實際工程應用中，從水力大壩到核電站安全殼，從高層建筑基礎到隧道襯砌，BS-25AT的應變監測能力已融入多類大型混凝土結構質量的完整評估流程。對于需在混凝土內部獲取高質量應變數據的研究人員、土木工程師及結構健康監測從業者而言，BS-25AT是一款長期驗證可靠、可真正深入混凝土內部的測量工具。隨著結構健康監測（SHM）成為保障基礎設施安全運行的關鍵手段，BS-25AT的技術路徑將不斷發展和深度融合，為土木工程智能化監測提供堅實的基礎數據支撐。