基于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下應(yīng)變傳感器的選型

蔣 雄，侯 攀

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院)

1 引言

2008年，江陰大橋原橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于其設(shè)計(jì)上的缺陷，系統(tǒng)在使用后不久便出現(xiàn)了大面積的硬件故障，導(dǎo)致其無(wú)法正常的監(jiān)測(cè)橋梁的運(yùn)營(yíng)狀況。從而，不得不對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，而改進(jìn)的主要措施是傳感器的重新選型和更新。從已建的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析，系統(tǒng)建立的最終目的是用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別和健康狀態(tài)評(píng)估，其性能優(yōu)劣主要取決于以下方面。(1)傳感器的性能;(2)傳感器的優(yōu)化布置;(3)數(shù)據(jù)的分析與處理。由此可見(jiàn)，傳感器作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，直接決定著系統(tǒng)的使用壽命和可靠程度。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷完善，一些性能更優(yōu)的新型傳感器和監(jiān)測(cè)方法也相繼開(kāi)發(fā)和運(yùn)用。針對(duì)國(guó)內(nèi)外部分已建成的系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變、溫度、振動(dòng)以及形變是該系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，且這些傳感器的數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多，性狀不一，那么，在系統(tǒng)的建立之初，對(duì)于傳感器的選型就顯得尤為重要。本文僅對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器的選型作出簡(jiǎn)要的評(píng)述。

2 應(yīng)變傳感器的工作原理與特性

結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的目的在于對(duì)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)這些部位在外荷載作用下的響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、健康狀態(tài)評(píng)估提供可靠依據(jù)。目前普遍采用的應(yīng)變傳感器有電阻式應(yīng)變傳感器、振弦式應(yīng)變傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器。由于不同類(lèi)型的傳感器在性能參數(shù)方面存在一定的差異性，了解傳感器性能參數(shù)對(duì)于合理的選型至關(guān)重要。

2.1 電阻式應(yīng)變傳感器

(1)工作原理

電阻式應(yīng)變傳感器是以電阻應(yīng)變計(jì)為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成。當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生應(yīng)變引起彈性元件的變形時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化與作用的變化成比例。

(2)工作特性

根據(jù)敏感元件的特性，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、材質(zhì)等選擇合適的材料。常用的材料類(lèi)型有:金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片、金屬薄膜應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片。電阻應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式:ΔR/R=k0ε。其中，ΔR為電阻變化值，R為材料電阻值，k0為電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，ε與材料尺寸和電阻率有關(guān)。在使用電阻式應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)考慮的主要技術(shù)參數(shù)包括電阻靈敏系數(shù)、機(jī)械滯后、零漂和蠕變、橫向效應(yīng)等等。另外，由溫度引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化產(chǎn)生的附加應(yīng)變比較明顯，因此，需重點(diǎn)考慮環(huán)境溫度因素。

2.2 振弦式式應(yīng)變傳感器

(1)工作原理

振弦式應(yīng)變傳感器由受力彈性形變外殼(或膜片)、金屬弦、緊固夾頭、激振和接收線圈等組成。根據(jù)金屬弦自振頻率與張緊力的函數(shù)關(guān)系，利用振弦振動(dòng)頻率的變化量，來(lái)反映外界作用力的大小。金屬弦與被測(cè)結(jié)構(gòu)變形相協(xié)調(diào)，所測(cè)應(yīng)變即結(jié)構(gòu)應(yīng)變。

(2)工作特性

振弦式應(yīng)變傳感器的工作特性主要取決于振弦的特性，主要考慮其靈敏度、溫度影響、穩(wěn)定性、滯后性等技術(shù)參數(shù)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，可以把頻率和張力的關(guān)系表述為，其中f表示弦的振動(dòng)頻率，σ表示弦的內(nèi)部張力，l表示弦的長(zhǎng)度，ρ表示金屬絲的密度。假設(shè)弦發(fā)生應(yīng)變，則f=，由于，故可以推出頻率與弦的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅取決于弦的內(nèi)部張力的改變。由于弦屬于金屬材料，必須考慮溫度的影響，可采取溫度補(bǔ)償?shù)拇胧?。?jù)實(shí)踐證明，振弦式傳感器在-10～55℃溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，溫度附加誤差為1.5 Hz/10℃。另外，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)存在滯后性，對(duì)應(yīng)力梯度大的部位難以測(cè)出某一點(diǎn)的應(yīng)變，所以振弦式傳感器只適用于靜態(tài)和不大于10 Hz的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)試。

2.3 光纖光柵應(yīng)變傳感器

(1)工作原理

利用光纖光柵的波長(zhǎng)選擇性，將寬譜光源發(fā)射的光進(jìn)行選擇性反射回解調(diào)裝置，根據(jù)光的波長(zhǎng)變化情況推導(dǎo)出光柵的柵距變化情況，從而推出外界應(yīng)力應(yīng)變。

(2)工作特性

根據(jù)模耦合理論，滿足ΔλB=2neff·ΔΛ的波長(zhǎng)就會(huì)被光纖光柵反射回去(λB為光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Λ為光柵周期，neff為纖芯的有效折射率)?？芍?，λB受光柵周期和有效折射率的影響，對(duì)上式微分可得:，其中，光柵周期由于傳感器的機(jī)械伸長(zhǎng)而發(fā)生改變得，另外，由于光纖材料的彈光效應(yīng)引起材料的有效折射率發(fā)生變化得為有效彈光系數(shù)，ε為測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)x變)，記ΔλB為光柵波長(zhǎng)的絕對(duì)漂移量，則可得出應(yīng)力引起光柵反射中心波長(zhǎng)的相對(duì)漂移量為，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得波長(zhǎng)為1 550 nm的光纖光柵應(yīng)變系數(shù)為1.209 pm/με。此外，由于溫度的變化引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化為為光纖的熱膨脹系數(shù)，通常取值5.5×10-7K-1，ζ為光纖材料的熱光系數(shù)，通常取值7.0×10-6K-1)，若去波長(zhǎng)為1 550 nm，則可計(jì)算出光纖光柵的溫度靈敏度為 10.80 pm/με。

3 長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器選型

3.1 設(shè)計(jì)原則

(1)適用性原則。滿足量程、靈敏度、精度等要求，能真正對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

(2)可靠性原則。在長(zhǎng)期、動(dòng)靜態(tài)測(cè)試應(yīng)變監(jiān)測(cè)中，盡可能選擇成熟先進(jìn)的傳感器，保證獲取信息的真實(shí)可靠。

(3)耐久性原則。要考慮到各種工作環(huán)境下傳感器的耐久性，埋入式傳感器宜設(shè)置備用測(cè)點(diǎn)，對(duì)外置式的傳感器盡可能加以保護(hù)。

(4)經(jīng)濟(jì)性原則。系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)子項(xiàng)目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設(shè)備需考慮合理的投資限度，在設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行成本—效益分析。

3.2 技術(shù)性能

(1)線度好;

(2)靈敏度高且誤差小;

(3)有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性;

(4)滯后誤差小，漂移小;

(5)具有較高的分辨力;

(6)動(dòng)態(tài)性能好;

(7)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的影響小，即“負(fù)載效應(yīng)”較低。

3.3 對(duì)比選型

(1)電阻式應(yīng)變傳感器——電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度較高，測(cè)量范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。其缺點(diǎn)是對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、系統(tǒng)誤差較大且使用壽命較短;由于采用電信號(hào)作為測(cè)量值，容易受電磁信號(hào)干擾、外界環(huán)境腐蝕，導(dǎo)線數(shù)量多;加之溫漂和零漂的影響，使得長(zhǎng)期應(yīng)變監(jiān)測(cè)的結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真。

(2)振弦式應(yīng)變傳感器——由于振弦式應(yīng)變傳感器直接輸出弦振動(dòng)的自振頻率信號(hào)，因此，具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)漂移小、耐振動(dòng)、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。但若材料處理不當(dāng)，由于鋼弦蠕變、殘余應(yīng)力的原因，會(huì)嚴(yán)重影響傳感器的穩(wěn)定性;以及零件的金屬材料膨脹系數(shù)的不同，使得溫度范圍內(nèi)存在誤差，導(dǎo)致動(dòng)應(yīng)變的測(cè)量精度不足;使用壽命較短，其耐久性無(wú)法滿足橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需要。

(3)光纖光柵應(yīng)變傳感器——同傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器相比，具有以下優(yōu)勢(shì)。①體積小、重量輕、可靠性好，便于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。②環(huán)境適應(yīng)性好、抗干擾能力強(qiáng)，可長(zhǎng)期用于高溫、高濕及存在化學(xué)侵蝕等惡劣環(huán)境。③測(cè)量精度高，零偏值不漂移。④分辨率高，可直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程;⑤不受光強(qiáng)波動(dòng)及傳輸光纖彎曲損耗等影響，長(zhǎng)期工作性能穩(wěn)定。目前，光纖光柵傳感器的應(yīng)用也面臨了一些問(wèn)題，如傳感器溫度—應(yīng)變交叉敏感、復(fù)用性不夠、產(chǎn)品成本過(guò)高等等。

通過(guò)綜合比較傳感器各自技術(shù)性能，依照橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和技術(shù)要求，系統(tǒng)宜選用光纖光柵傳感器進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，其性能參數(shù)能夠較好的滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)測(cè)量。

4 結(jié)語(yǔ)

傳感器作為一種數(shù)據(jù)采集工具，其發(fā)展有力地推動(dòng)了橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)步，運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁在運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)的行為與響應(yīng)，為橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、安全評(píng)估分析提供了保障。不同類(lèi)型傳感器的性能直接影響了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的健康運(yùn)行。因此，傳感器的選型工作很有必要，選擇合適的傳感器對(duì)于橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理建設(shè)以及管理維護(hù)工作都具有重要意義。

［1]孫孝婷.江陰大橋橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)改造［J］.公路交通技術(shù)，2010，(2):98-102.

［2]南秋明.FBG應(yīng)變傳感器的研制與應(yīng)用(碩士學(xué)位論文)［J］.武漢:武漢理工大學(xué)，2003.

［3]張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(1):65-69.

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