橋梁工程應(yīng)變測(cè)試三種傳感器的分析

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摘要：本文分析了橋梁工程施工監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、荷載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中廣泛使用的三種傳感器，對(duì)三種傳感器的特點(diǎn)及各自的運(yùn)用進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：橋梁；電阻應(yīng)變片；振弦式應(yīng)變計(jì)；光纖光柵應(yīng)變傳感器

1、引言

橋梁構(gòu)件應(yīng)力與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，應(yīng)力測(cè)試至關(guān)重要。通過測(cè)量應(yīng)變?cè)倮脧椥阅Ａ繐Q算為應(yīng)力，這一種方式應(yīng)用普遍，應(yīng)變測(cè)試技術(shù)作為橋梁結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、荷載試驗(yàn)的手段，在橋梁工程中使用最多的應(yīng)變傳感技術(shù)是電阻應(yīng)變片、振弦弦應(yīng)變計(jì)和光纖光柵應(yīng)變計(jì)。

2、電阻應(yīng)變片運(yùn)用評(píng)述

電阻應(yīng)變片（見圖1）測(cè)試應(yīng)變的原理是應(yīng)用電阻絲的電阻值隨金屬絲的變形而變化的關(guān)系，及金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，將力學(xué)參數(shù)（壓力、荷載、位移、應(yīng)力或應(yīng)變）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電學(xué)參數(shù)。測(cè)量應(yīng)變時(shí)將應(yīng)變片用粘貼劑粘貼在試件上，試件受荷載作用產(chǎn)生變形，金屬絲隨著發(fā)生變形，應(yīng)變片的電阻值也就發(fā)生變化。按應(yīng)變片的敏感柵的不同分為絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片等。三種應(yīng)變片中，絲式應(yīng)變片由于橫向效應(yīng)較大已遭淘汰，半導(dǎo)體式應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成，靈敏度高，輸出信號(hào)不用放大就可直接測(cè)量，其缺點(diǎn)在于溫度系數(shù)大、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、非線性大等，所以在工程中也較少使用。目前，利用照相制版或光刻腐蝕技術(shù)制成的箔式應(yīng)變片最為常用，其優(yōu)點(diǎn)在于散熱能力好，零點(diǎn)漂移小、允許通過較大電流，有利于提高測(cè)量靈敏度。

圖1 應(yīng)變片的基本構(gòu)造

電阻應(yīng)變片是專門針對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量的儀器，和電阻應(yīng)變儀配套使用，與其相應(yīng)的各種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及施工測(cè)試方法工藝非常成熟，針對(duì)大型結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊要求，開發(fā)了數(shù)十、上百路的多通道應(yīng)變尋檢儀。但是應(yīng)變片由于其原理的制約，輸出信號(hào)極為微弱，極易受引線長(zhǎng)度及連接質(zhì)量、環(huán)境溫度及電磁場(chǎng)等內(nèi)外界因素的影響，給其后續(xù)應(yīng)變測(cè)量?jī)x的信號(hào)處理留下了許多隱患，使得應(yīng)變測(cè)量?jī)x的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、漂移抑制、調(diào)零成了困擾工程測(cè)量界的幾大難題。特別是用于大型結(jié)構(gòu)中的多路應(yīng)變測(cè)量?jī)x，每次測(cè)量時(shí)都需要對(duì)其每一路進(jìn)行調(diào)零、校正、標(biāo)定，不但儀器十分復(fù)雜、昂貴，而且操作繁瑣、困難，應(yīng)變片測(cè)量精度及長(zhǎng)期可靠性始終不能令人滿意，一般僅用于施工及驗(yàn)收時(shí)作參考，基本上是不能用于時(shí)間較長(zhǎng)的施工監(jiān)測(cè)。由于橋梁荷載試驗(yàn)對(duì)于應(yīng)變傳感器耐久性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求不高，基本上為一次性使用，測(cè)量后又省去回收的麻煩，且電阻應(yīng)變片價(jià)格低廉，所以在荷載試驗(yàn)中大量使用。

3、振弦式應(yīng)變計(jì)運(yùn)用評(píng)述

圖2 振弦式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

振弦傳感器工作原理是鋼弦振動(dòng)（見圖2）[1～3]，以振弦頻率的變化量來表征受力的大小，輸出信號(hào)是頻率信號(hào)，不存在應(yīng)變片現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、信號(hào)漂移、遠(yuǎn)距傳輸、長(zhǎng)期使用等問題，魯棒性好，耐久性與穩(wěn)定性上遠(yuǎn)超應(yīng)變片，是目前橋梁施工監(jiān)控中主流的使用產(chǎn)品。振弦傳感器的壽命，需要從兩個(gè)方面加以說明，一方面是儀器自身的因素，振弦傳感器在制造上由鋼弦、彈性變形外殼、緊固夾頭、激振和接受線圈等組成，應(yīng)變計(jì)的每一零件及相互間的組裝連接都會(huì)對(duì)壽命產(chǎn)生影響，不同的生產(chǎn)廠家在原材料的選擇以及生產(chǎn)制造工藝上各有不同，例如鋼弦應(yīng)變計(jì)內(nèi)部的鋼弦一般是通過螺釘緊固在傳感器基座上，長(zhǎng)期使用中會(huì)逐漸松弛而導(dǎo)致失效，因此這種鋼弦應(yīng)變計(jì)的壽命一般都在一年左右，然而國(guó)外十年之前即已采用焊接方法固定鋼弦的工藝，可使傳感器的壽命延長(zhǎng)到十余年以上，但其價(jià)格為國(guó)產(chǎn)傳感器的數(shù)倍。

另一方面，外界因素如溫度變化引起的儀器各零部件的溫度起伏伸縮變化，以及伸縮系數(shù)不同導(dǎo)致伸縮差異，必然會(huì)使傳感器逐步老化、性能降低、最終失效；在使用上使用次數(shù)多，過頻的振動(dòng)也會(huì)加快鋼弦自身的疲勞松弛。傳感器的壽命就在于其內(nèi)在品質(zhì)如各種材料材質(zhì)及組裝連接工藝等抵抗外界因素作用的能力。所以鋼弦傳感器的壽命不能一概而論。我國(guó)水電系統(tǒng)對(duì)于振弦式傳感器使用較多，應(yīng)用最為成熟，發(fā)布了關(guān)于振弦式應(yīng)變計(jì)、振弦式測(cè)縫計(jì)等的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。《土工試驗(yàn)儀器巖土工程儀器振弦式傳感器通用技術(shù)條件》就規(guī)定短期使用的傳感器平均壽命應(yīng)不小于10 000h，長(zhǎng)期使用的傳感器平均壽命應(yīng)不小于40 000h，對(duì)于穩(wěn)定性、絕緣性能、溫度影響等也有相關(guān)規(guī)定。可見當(dāng)前的振弦式傳感器的壽命一般都能達(dá)到一年以上，即是可靠性、穩(wěn)定性也能保持一年以上。

4、光纖光柵傳感器運(yùn)用評(píng)述

光纖光柵[4、5]是纖芯折射率沿軸向周期性分布的波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器（見圖3），空間周期小于1μm的亦稱為光纖布拉格光柵（FBG），當(dāng)多種波長(zhǎng)的光束由光纖內(nèi)入射到光纖光柵上時(shí)，只有一個(gè)波長(zhǎng)被光纖光柵反射、使其沿原路返回，其余所有波長(zhǎng)的光都無損失地穿過光纖光柵繼續(xù)向前傳輸見圖3。被光纖光柵反射的那一個(gè)波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)它由光纖光柵的柵距及有效折射率n決定。

圖3 光纖光柵傳感器原理

當(dāng)光纖光柵受外界影響，柵距或有效折射率n產(chǎn)生變化時(shí)，被光纖光柵反射的布拉格波長(zhǎng)易產(chǎn)生相應(yīng)的變化；如果將FBG埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或溫度都會(huì)引起光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化，因此可以通過監(jiān)測(cè)其反射波長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與溫度監(jiān)測(cè)。更為重要的是將幾只不同波長(zhǎng)的光纖光柵串聯(lián)在同一根光纖上時(shí)，各個(gè)光纖光柵只反射它自己的布拉格波長(zhǎng)，彼此之間互不干擾，因此可以方便地用一個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)這幾個(gè)光纖光柵的反射波長(zhǎng)變化，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器的多傳感復(fù)用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變參量的準(zhǔn)分布測(cè)量。光纖光柵傳感器由于其優(yōu)異的耐久性、穩(wěn)定性等性能，廣泛用于橋梁施工監(jiān)測(cè)中。

光纖光柵傳感器具有多只串聯(lián)在同一根光纖上的能力，故傳感器數(shù)量增加時(shí)，只要數(shù)量沒有超過極限數(shù)（一般6～8只）監(jiān)測(cè)成本只略微增加，因此比較適合大規(guī)模監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。但由于它本身不但對(duì)應(yīng)變敏感、對(duì)溫度更敏感，因此必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

5、結(jié)束語

電阻應(yīng)變片由于其耐久性、穩(wěn)定性、可靠性極差，只能用于施工、成橋驗(yàn)收或荷載試驗(yàn)中，基本上不用于結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)中。

振弦式傳感器，壽命一般能達(dá)到一年以上，價(jià)格低廉，受到用戶青睞，是施工監(jiān)測(cè)中應(yīng)變測(cè)試最為廣泛使用的工程儀器。

光纖光柵傳感器較傳統(tǒng)傳感器具有較多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該傳感器一般用于重要結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中。

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