基于橋梁健康監測系統下應變傳感器的選型

蔣 雄，侯 攀

(長沙理工大學土木與建筑學院)

1 引言

2008年，江陰大橋原橋梁結構健康監測系統由于其設計上的缺陷，系統在使用后不久便出現了大面積的硬件故障，導致其無法正常的監測橋梁的運營狀況。從而，不得不對原有系統進行改進，而改進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測系統分析，系統建立的最終目的是用來對結構進行損傷識別和健康狀態評估，其性能優劣主要取決于以下方面。(1)傳感器的性能;(2)傳感器的優化布置;(3)數據的分析與處理。由此可見，傳感器作為健康監測系統的數據采集設備，直接決定著系統的使用壽命和可靠程度。隨著結構健康監測系統的不斷完善，一些性能更優的新型傳感器和監測方法也相繼開發和運用。針對國內外部分已建成的系統進行研究，發現應變、溫度、振動以及形變是該系統重點監測的內容，且這些傳感器的數量龐大、種類繁多，性狀不一，那么，在系統的建立之初，對于傳感器的選型就顯得尤為重要。本文僅對橋梁健康監測系統中結構應變傳感器的選型作出簡要的評述。

2 應變傳感器的工作原理與特性

結構應變監測的目的在于對關鍵部位的應力應變監測，通過監測這些部位在外荷載作用下的響應，為結構損傷識別、健康狀態評估提供可靠依據。目前普遍采用的應變傳感器有電阻式應變傳感器、振弦式應變傳感器和光纖光柵應變傳感器。由于不同類型的傳感器在性能參數方面存在一定的差異性，了解傳感器性能參數對于合理的選型至關重要。

2.1 電阻式應變傳感器

(1)工作原理

電阻式應變傳感器是以電阻應變計為轉換元件的傳感器，由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻和外殼組成。當被測結構物產生應變引起彈性元件的變形時，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路將其轉變成電量輸出，電量變化與作用的變化成比例。

(2)工作特性

根據敏感元件的特性，在結構健康監測中，需根據結構的應力狀態、材質等選擇合適的材料。常用的材料類型有:金屬絲式應變片、金屬箔式應變片、金屬薄膜應變片、半導體應變片。電阻應變效應表達式:ΔR/R=k0ε。其中，ΔR為電阻變化值，R為材料電阻值，k0為電阻絲的應變靈敏度系數，ε與材料尺寸和電阻率有關。在使用電阻式應變片時，應考慮的主要技術參數包括電阻靈敏系數、機械滯后、零漂和蠕變、橫向效應等等。另外，由溫度引起應變片敏感柵電阻變化產生的附加應變比較明顯，因此，需重點考慮環境溫度因素。

2.2 振弦式式應變傳感器

(1)工作原理

振弦式應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。根據金屬弦自振頻率與張緊力的函數關系，利用振弦振動頻率的變化量，來反映外界作用力的大小。金屬弦與被測結構變形相協調，所測應變即結構應變。

(2)工作特性

振弦式應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、穩定性、滯后性等技術參數。根據動力學原理，可以把頻率和張力的關系表述為，其中f表示弦的振動頻率，σ表示弦的內部張力，l表示弦的長度，ρ表示金屬絲的密度。假設弦發生應變，則f=，由于，故可以推出頻率與弦的長度無關，僅取決于弦的內部張力的改變。由于弦屬于金屬材料，必須考慮溫度的影響，可采取溫度補償的措施。據實踐證明，振弦式傳感器在-10～55℃溫度范圍內使用時，溫度附加誤差為1.5 Hz/10℃。另外，由于機械結構存在滯后性，對應力梯度大的部位難以測出某一點的應變，所以振弦式傳感器只適用于靜態和不大于10 Hz的準動態測試。

2.3 光纖光柵應變傳感器

(1)工作原理

利用光纖光柵的波長選擇性，將寬譜光源發射的光進行選擇性反射回解調裝置，根據光的波長變化情況推導出光柵的柵距變化情況，從而推出外界應力應變。

(2)工作特性

根據模耦合理論，滿足ΔλB=2neff·ΔΛ的波長就會被光纖光柵反射回去(λB為光纖光柵的中心波長，Λ為光柵周期，neff為纖芯的有效折射率)。可知，λB受光柵周期和有效折射率的影響，對上式微分可得:，其中，光柵周期由于傳感器的機械伸長而發生改變得，另外，由于光纖材料的彈光效應引起材料的有效折射率發生變化得為有效彈光系數，ε為測點的軸向應x變)，記ΔλB為光柵波長的絕對漂移量，則可得出應力引起光柵反射中心波長的相對漂移量為，根據實驗測得波長為1 550 nm的光纖光柵應變系數為1.209 pm/με。此外，由于溫度的變化引起的光纖光柵中心波長的變化為為光纖的熱膨脹系數，通常取值5.5×10-7K-1，ζ為光纖材料的熱光系數，通常取值7.0×10-6K-1)，若去波長為1 550 nm，則可計算出光纖光柵的溫度靈敏度為 10.80 pm/με。

3 長期健康監測系統結構應變傳感器選型

3.1 設計原則

(1)適用性原則。滿足量程、靈敏度、精度等要求，能真正對監測信號進行實時采集。

(2)可靠性原則。在長期、動靜態測試應變監測中，盡可能選擇成熟先進的傳感器，保證獲取信息的真實可靠。

(3)耐久性原則。要考慮到各種工作環境下傳感器的耐久性，埋入式傳感器宜設置備用測點，對外置式的傳感器盡可能加以保護。

(4)經濟性原則。系統對應變監測子項目的規模以及所采用的傳感儀器和通信設備需考慮合理的投資限度，在設計時必須進行成本—效益分析。

3.2 技術性能

(1)線度好;

(2)靈敏度高且誤差小;

(3)有較好的重復性和穩定性;

(4)滯后誤差小，漂移小;

(5)具有較高的分辨力;

(6)動態性能好;

(7)被監測對象的影響小，即“負載效應”較低。

3.3 對比選型

(1)電阻式應變傳感器——電阻應變式傳感器的優點是精度較高，測量范圍廣，結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。其缺點是對于大應變有較大的非線性、系統誤差較大且使用壽命較短;由于采用電信號作為測量值，容易受電磁信號干擾、外界環境腐蝕，導線數量多;加之溫漂和零漂的影響，使得長期應變監測的結果會嚴重失真。

(2)振弦式應變傳感器——由于振弦式應變傳感器直接輸出弦振動的自振頻率信號，因此，具有抗干擾能力強、受電參數影響小、零點漂移小、耐振動、性能穩定可靠等特點。但若材料處理不當，由于鋼弦蠕變、殘余應力的原因，會嚴重影響傳感器的穩定性;以及零件的金屬材料膨脹系數的不同，使得溫度范圍內存在誤差，導致動應變的測量精度不足;使用壽命較短，其耐久性無法滿足橋梁長期健康監測系統的實際需要。

(3)光纖光柵應變傳感器——同傳統應變傳感器相比，具有以下優勢。①體積小、重量輕、可靠性好，便于對結構進行長期連續實時監測。②環境適應性好、抗干擾能力強，可長期用于高溫、高濕及存在化學侵蝕等惡劣環境。③測量精度高，零偏值不漂移。④分辨率高，可直接實現遠程;⑤不受光強波動及傳輸光纖彎曲損耗等影響，長期工作性能穩定。目前，光纖光柵傳感器的應用也面臨了一些問題，如傳感器溫度—應變交叉敏感、復用性不夠、產品成本過高等等。

通過綜合比較傳感器各自技術性能，依照橋梁結構健康監測系統設計的目的和技術要求，系統宜選用光纖光柵傳感器進行應變監測，其性能參數能夠較好的滿足系統的實際需求，實現對結構的應變響應測量。

4 結語

傳感器作為一種數據采集工具，其發展有力地推動了橋梁長期健康監測系統的進步，運用現代傳感與通信技術，實時監測橋梁在運營階段結構的行為與響應，為橋梁結構的損傷識別、安全評估分析提供了保障。不同類型傳感器的性能直接影響了監測數據的準確性及系統的健康運行。因此，傳感器的選型工作很有必要，選擇合適的傳感器對于橋梁長期健康監測系統的合理建設以及管理維護工作都具有重要意義。

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

［3]張啟偉.大型橋梁健康監測概念與監測系統設計［J］.同濟大學學報，2001，29(1):65-69.

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