BS-25AT 日本KYOWA共和应变传感器技术解析

在土木工程领域，混凝土结构的应力-应变监测是一项历史悠久的课题，但一个长期存在的工程难题却是：混凝土材料的非匀质特性。混凝土由水泥砂浆与粗细骨料复合而成，其中骨料粒径可达数十毫米甚至上百毫米。传统的短标距应变片若直接置于大骨料混凝土表面或内部，测得的往往只是局部砂浆或单一骨料颗粒的变形，无法反映混凝土材料整体的平均应变状态。更棘手的是，混凝土的水化热与环境温差所引起的热应变与外力应变相互叠加，使测量结果的解释变得极为复杂。

日本共和电业（KYOWA）推出的BS-25AT型内埋式应变传感器，正是为解决上述双重困境而设计的专业测量设备。共和电业成立于1949年，是全球应变测量领域的创始级企业之一，其应变片产品被Intel等半导体选为主板应变分析的优选供应商。BS-25AT作为共和电业在土木工程传感领域的代表性产品，以长标距设计消解骨料尺寸带来的测量不确定性，以材料特性匹配消除热应变干扰，同时将应变与温度两个物理量集成于同一传感器中，为混凝土内部应力监测提供了系统化的技术方案。

一、系统架构与核心技术规格

BS-25AT在硬件设计上体现了“适应性"与耐久性的双重考量。传感器全长约250mm，采用金属防护外壳封装，内部集成了基于电阻应变原理的敏感元件及温度传感元件。整机重量约600g，尺寸与重量设计适中，既能稳固埋入混凝土内部，又不因体积过大而扰动混凝土自身的力学行为。

BS-25AT以±500×10⁻⁶应变量（±500 με）为额定容量，BS-25BT则以±1000×10⁻⁶应变量（±1000 με）为额定容量，供不同量程需求的选择。该传感器的关键技术规格汇总如下：

BS-25BT作为同一产品线的较高量程版本，额定容量为±1000×10⁻⁶应变，非线性指标为±2% RO以内，其余规格与BS-25AT基本一致，可为骨料粒径更大或混凝土变形预期更强烈的应用场景提供选型依据。

二、长标距设计：消解大骨料效应

混凝土的非匀质特性对应变测量构成了深刻的技术限制。当混凝土中骨料粒径达到50mm以上时，任意选取一个短标距的测量点，测得的应变数值将高度依赖于该位置恰好落入砂浆区还是骨料核心区——两个位置的力学特性差异巨大，测量结果缺乏代表性。

BS-25AT以250mm的超长标距应对这一挑战。其设计逻辑在于：应变传感器的标距长度被拉长后，测量的覆盖区间跨越了多个骨料-砂浆界面，测量变形的平均值更接近混凝土材料作为连续介质的整体应变响应。这与代表性体积单元（RVE）的理论原则高度一致——只有当传感器的测量尺度远大于材料内部缺陷或异质结构的特征尺寸时，测得的物理量才能真正代表材料的宏观行为。

根据实测数据，BS-25AT的应变传递效率达到96%，能够有效适应粒径50-150mm范围内的大骨材分布场景。换言之，在掺有鹅卵石、碎石等大骨料的混凝土结构中，BS-25AT的长标距设计能够跳过局部材料的变异性，直接测量结构的宏观力学响应——这正是大坝、桥梁基础等大型混凝土工程对所埋设传感器的“质检"书要求。

三、材料匹配设计：热应变消除机制

应变测量中最为常见的误差来源是温度变化引起的虚假应变——即测量装置自身的热胀冷缩被错误地与外力引起的真实变形混淆。尤其在混凝土结构的测量中，这一问题尤为突出：混凝土的线膨胀系数通常在（10～12）×10⁻⁶/℃量级，而许多金属传感元件的线膨胀系数则截然不同（例如不锈钢约17×10⁻⁶/℃），导致温度波动在传感器输出中产生可观的“热应变漂移"。

BS-25AT从材料层面解决此问题。其内置传感单元的外观线膨胀系数为(11.5±0.6)×10⁻⁶/℃，与混凝土的典型线膨胀系数精确匹配。这意味着环境温度变化时，传感器与周围混凝土近乎同步伸缩，温度变化不会在测量结果中产生额外的应变信号。换言之，BS-25AT测量的是混凝土的真实应变——无论是外力施加的机械应变，还是由温差引起的热应力应变，传感器均如实反映材料自身的变形状态，而非因传感器与材料的膨胀不匹配而产生的伪信号。

传感器在-20～70℃温度补偿范围内可将温度对输出的影响控制在±0.05%/℃以内，加上内置温度传感器提供的同步温度数据，测量人员可以进一步校准残余的温度影响，实现应变-温度双参数高精度采集。

四、双参数集成：应变-温度同步采集

BS-25AT的另一项关键技术特征在于：单个埋入式传感器同时具备应变测量与温度测量两种功能（带测温功能）。

从工程实践角度看，这一设计至少具备三重价值。

首先是数据逻辑的内在一致性。 当应变数据与温度数据源自同一物理位置、同一埋设深度时，应变与温度的物理关联性是最为紧密的。混凝土水化热的释放过程、环境日照引起的结构温度梯度变化等，均可直接在应变-温度对应关系中得到精确映射。

其次是测量系统配置的简化。 若应变与温度两个参数需要分别埋设两种不同的传感器，不仅增加了埋设施工的工作量，传感器定位的相对误差也会引入额外的测量不确定性。BS-25AT与KYOWA自家数据采集系统的组合，可同步记录应变、温度、时间三个维度的数据链，满足大型工程对监测系统简洁性与可靠性的双重要求。

最后是服役期监测的全面性。 长期监测（如大坝、桥梁的健康监测）除外力荷载引起的应变变化外，季节温度循环、材料徐变、干燥收缩等多种因素相互叠加，必须有温度数据作为解耦依据。BS-25AT集成式的双参数采集为实现这一目标提供了低成本、高可靠性的技术路径。

五、埋入适应性：抗振与密闭封装设计

BS-25AT是内埋式传感器，被浇筑在混凝土内部完成长期监控。这意味着传感器在混凝土浇筑与振捣过程中，需要同时承受两种环境：物理冲击与化学侵蚀。

5.1 抗振设计：耐受混凝土振捣

混凝土浇筑过程中，插入式振捣器以高频振动使混凝土密实，其能量足以将钢筋架上的传感器震脱甚至损坏。BS-25AT设计充分考虑了该工况，能够在振捣器的作用下保持结构完整性。其外壳采用耐水化全密封封装（316L不锈钢材质），防护等级达IP68，能够有效抵御混凝土浇筑过程中水泥浆的渗透以及长期服役环境下的潮湿侵蚀。

该产品还特别标注可充分承受RCD工法（混凝土圆柱体压实工法）带来的振动。RCD工法是重力坝等大型水利工程中采用的一种碾压混凝土施工方法，其振动强度较普通振捣更高。BS-25AT对RCD工法的耐受性，是其作为大型土木工程内埋式传感器可靠性的重要证明。

5.2 特种电缆设计

传感器配用4芯0.5mm²氯丁橡胶铠装电缆，电缆外径11.5mm，长度1m（前端裸线）。氯丁橡胶的耐磨性、耐油性、耐候性及其在酸碱环境下的化学稳定性，使其在野外工程环境中具备长期耐久性，可满足混凝土内部高碱性环境（pH≈12～13）对电缆绝缘层的苛刻要求。

六、测量系统集成与数据转换

6.1 兼容的数据采集设备

BS-25AT以2.5mV/V的额定输出电压与350Ω输入电阻的电气特性，与全球主流的应变测量设备具有良好的兼容性。KYOWA推荐与其配合使用的测量仪器包括：

• SME-30A/31A 系列应变测量仪

• UCAM-60B 通用数据采集器

• USS-63B / USB-70B-30 扫描仪单元

• RMH-301B/310A 手持式应变数据记录仪

以上设备均经制造商测试验证，与BS-25AT具备协同测量的有效性。

此外，BS-25AT还可与KYOWA UCAM-80A数据采集系统及FYPro分布式监测平台实现无缝对接，形成应变-温度-时间多参数同步分析的专业监测系统，可满足国家标准对结构健康监测的长期稳定性要求（年漂移小于30με）。

6.2 应变信号的标定公式

BS-25AT的应变转换遵循以下基本算法。给定使用KYOWA推荐的应变放大器时，测量结果可以微应变（×10⁻⁶）为单位读取，因此不同测量配置下的应变值转换公式为：

• 使用应变放大器时：

$$\epsilon (\mu \epsilon )=(\text{放大器读数})\times (\text{标定常数})$$

• 使用通用放大器或记录仪时：

$$\epsilon (\mu \epsilon )=\left(\frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{exc}}}\right)\times (\text{标定常数})$$

式中 $V_{\text{out}}$ 为电桥输出电压，$V_{\text{exc}}$ 为电桥激励电压。

以上算法依据产品说明书整理。

6.3 温度修正公式

当传感器线膨胀系数（约11.5×10⁻⁶/℃）与周围混凝土的系数 $c$ 不相等时，温度变化Δt会在应变测量中引入需修正的偏差。修正后的真实应变值为：

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

式中 $s$ 为传感器的线膨胀系数（根据出厂测试报告确定），$\mathrm{\Delta }t$ 为温度变化量。

七、土木工程/结构健康监测应用场景详析

BS-25AT在多个应力监测方向中均体现出重要价值。

大型混凝土结构监测。在大坝、桥梁主墩、高层建筑核心筒等关键部位，使用BS-25AT可实时捕捉混凝土在水化、养护及服役全过程中由自身体积变化和外加荷载产生的内部应变状态，准确评估结构安全水平。

温度应力监测。大体积混凝土水化热引起的温度应力是导致裂缝的主要机制。BS-25AT可同时监测水化过程中的温度变化及相应产生的热应变，为优化施工温控方案与控制早期裂缝提供可靠的实测依据。

长期结构健康监测（SHM） 。对于核电站安全壳、水利枢纽、隧道衬砌等时间跨度很长的工程，BS-25AT可埋入后持续提供应力、温度双参数数据，帮助运维团队掌握结构老化情况并预测剩余寿命。其10年以上的设计服役寿命覆盖工程设施的全生命周期监测需求。

科研与标准符合性验证。BS-25AT满足JIS与GB50982-2014的相关技术要求，测量结果具备较高的跨实验室可比性，可用于验证混凝土材料本构模型或新施工方法的力学性能评估等多种科研用途。

混凝土配合比调整参考。在混凝土配合比试验或新材料验证中，BS-25AT可监测不同配方下的内部应力和温度变化数据，为优化配合比提供力学性能定量参考。

八、技术定位：与主流混凝土/岩土应变测量技术的横向对比

为全面理解BS-25AT的技术边界和在测量装备梯次中的定位，有必要将BS-25AT与其他几种常用于混凝土及岩土工程应变测量中的技术途径进行系统性对比：

从上表可见，BS-25AT在几类混凝土应变测量技术中解决了长标距设计、大骨料适应性、温度匹配、宽温域耐久性等双重技术交叉需求。相比传统的粘贴式箔式应变片，BS-25AT以其长标距设计可平均消解混凝土内部因骨料分布不均匀而导致的测量误差，自带温度补偿电缆、防护等级更高的密闭金属封装使其在土木工程恶劣环境下服役寿命远高于通用箔式应变片。相较于振弦式传感器与FBG传感器，BS-25AT的电阻应变输出信号可直接兼容KYOWA及通用应变采集系统，测量链路更简洁、工程部署更直接、测量结果的解析也更契合传统的结构力学分析框架。在性价比上，对于大坝、核电站安全壳、高层建筑基础中的大骨料混凝土结构监测任务，BS-25AT提供了全面且成熟的机械与电磁测量接口方案，并具备确切的抗震耐久性设计。然而，当被测对象要求更高抗电磁干扰能力，或有分布式测量需求（例如需要沿数千米坝体连续感知应变）时，全光纤系统（FBG、布里渊散射BOTDR等）和振弦信号的数字化传输在长寿命周期内逐步占有优势。

综上，日本KYOWA共和电气（共和電業）BS-25AT应变传感器是针对混凝土内部大骨料应变测量而开发的专业嵌入式应变测量仪器。它通过三项设计决策解决了长期存在的测量难题：以250mm超长标距消解因骨料尺寸带来的应变局部变异，以精确匹配混凝土的线膨胀系数消除温度变化引起的虚假应变，以内置温度传感器实现应变-温度双参数同步采集。

在实际工程应用中，从水力大坝到核电站安全壳，从高层建筑基础到隧道衬砌，BS-25AT的应变监测能力已融入多类大型混凝土结构质量的完整评估流程。对于需在混凝土内部获取高质量应变数据的研究人员、土木工程师及结构健康监测从业者而言，BS-25AT是一款长期验证可靠、可真正深入混凝土内部的测量工具。随着结构健康监测（SHM）成为保障基础设施安全运行的关键手段，BS-25AT的技术路径将不断发展和深度融合，为土木工程智能化监测提供坚实的基础数据支撑。