建筑變形監(jiān)測(cè)傳感器研究

龔仕偉, 陳建飚

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510010)

0 引言

改革開放以來,我國(guó)興建了大量的民用與工業(yè)建筑。 但隨著時(shí)間的推移,部分建筑陸續(xù)接近設(shè)計(jì)使用年限,再加上我國(guó)建筑場(chǎng)地地基與建筑環(huán)境的復(fù)雜性,以及自然災(zāi)害和人為等多種因素的影響,這些建筑在使用過程中或多或少都會(huì)產(chǎn)生變形,變形如果超過了規(guī)定的允許限度,就會(huì)影響建筑的正常使用,嚴(yán)重時(shí)甚至危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。 近幾年來,我國(guó)老舊建筑倒塌事故頻頻出現(xiàn),引發(fā)了國(guó)家和社會(huì)的極大關(guān)注,也促使建筑安全排查成為如今建筑日常維護(hù)中的一項(xiàng)非常重要的工作。

通常來說,建筑變形分為沉降和位移兩大類。其中,沉降指豎向的變形,包括下沉和上升;而位移為除沉降外其他變形的統(tǒng)稱,包括水平位移、傾斜、裂縫、撓度、收斂變形、風(fēng)振變形和日照變形等。

傳統(tǒng)的建筑安全排查使用人工定期巡檢的方式,通過觀察和經(jīng)驗(yàn)判斷等手段,輔以吊錘、卷尺、裂縫卡等儀器,對(duì)建筑物傾斜、裂縫、剝落、滲漏等情況逐一進(jìn)行檢查和安全評(píng)估,這種方式存在主觀性強(qiáng)、結(jié)果不精確、巡檢周期長(zhǎng)、預(yù)警反應(yīng)不及時(shí)、微小變化難以發(fā)現(xiàn)等弊端。 利用固定安裝的傳感器,使用正確的監(jiān)測(cè)方法持續(xù)對(duì)建筑變形量進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量并分析其安全狀況,可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)及成片建筑物動(dòng)態(tài)的長(zhǎng)期跟蹤。 通過長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)及科學(xué)的預(yù)警分析,可以很大程度上避免災(zāi)難的發(fā)生,延長(zhǎng)建筑物的安全使用年限。

本文針對(duì)目前常見的幾種變形監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行介紹,分析各自的工作原理、優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),為建筑智能化系統(tǒng)中傳感器的選取提供參考。

1 沉降監(jiān)測(cè)

建筑沉降監(jiān)測(cè)的主要方法是安裝靜力水準(zhǔn)系統(tǒng),系統(tǒng)由1 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成,每個(gè)點(diǎn)安裝1 套內(nèi)置儲(chǔ)液容器的靜力水準(zhǔn)儀,多個(gè)靜力水準(zhǔn)儀之間用通液管連通并注入液體(水或防凍液),當(dāng)液面完全靜止后所有靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)的液面位于同一個(gè)大地水準(zhǔn)面上,如圖1 所示,其中測(cè)點(diǎn)1 為基準(zhǔn)點(diǎn),安裝在被測(cè)房屋附近地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定的地方,測(cè)點(diǎn)2、3、4 為監(jiān)測(cè)點(diǎn),安裝在被測(cè)房屋外表面。

圖1 靜力水準(zhǔn)儀工作原理(一)

若測(cè)點(diǎn)2 有所上升,測(cè)點(diǎn)3 有所下降,測(cè)點(diǎn)4 不變,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡靜止后將形成新的水準(zhǔn)面,如圖2 所示,各水準(zhǔn)儀內(nèi)液位高度相應(yīng)升高、降低或保持不變,通過檢測(cè)液位變化量即可得出該測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移即沉降量。

圖2 靜力水準(zhǔn)儀工作原理(二)

由于液體的粘滯作用,靜力水準(zhǔn)儀管路內(nèi)部的液體需要一定時(shí)間才能流動(dòng)實(shí)現(xiàn)平衡,故無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量沉降變化量。

根據(jù)液位傳感裝置的不同,靜力水準(zhǔn)儀主要包括兩大類:(1)液壓類,通過傳感器測(cè)量底部液壓再換算成高度,根據(jù)傳感器不同分為晶硅式、電阻式、壓阻式、振弦式等;(2)液位類,通過傳感器直接測(cè)量液位高度,根據(jù)傳感器不同分為磁致伸縮式、電容式、光電式、超聲波式、激光式、傾角式、振弦式、光纖光柵式等。 市面上較常見的是液壓類及液位類的磁致伸縮式和光纖光柵式。

1.1 液壓類靜力水準(zhǔn)儀

液壓傳感器在建筑智能化領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用,其工作原理本文不再詳述。 液壓與高度的換算關(guān)系如式(1)所示:

式中,F 為傳感器壓力,ρ 為液體密度,g 為重力加速度,h 為液面高度,S 為傳感器受力面積,由于ρ、g、S均為固定值,故測(cè)量F 值即可計(jì)算得出h 值。

液壓類靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)部無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu),體積小、量程大,現(xiàn)場(chǎng)安裝無(wú)需調(diào)平,施工難度低,其分辨力可高達(dá)0.001mm,已廣泛用于高大建筑、基坑、鐵路、橋梁、隧道等沉降監(jiān)測(cè)。

1.2 磁致伸縮式靜力水準(zhǔn)儀

磁致伸縮傳感器是利用磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移的測(cè)量。 當(dāng)鐵磁材料或亞鐵磁材料在磁場(chǎng)中被磁化時(shí),會(huì)沿磁化方向發(fā)生微量伸長(zhǎng)或縮短,稱之為磁致伸縮效應(yīng)。 傳感器主要由測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸浮球組成。 其工作原理如圖3 所示,測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸縮波導(dǎo)絲,電子倉(cāng)內(nèi)裝有檢測(cè)電路,浮球內(nèi)裝有位置磁鐵。

圖3 磁致伸縮傳感器工作原理

測(cè)量時(shí),由電路先發(fā)出一個(gè)問詢脈沖,脈沖沿測(cè)桿內(nèi)的磁致伸縮波導(dǎo)絲傳輸,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生沿其方向前進(jìn)的環(huán)形磁場(chǎng)。 當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與浮球中位置磁鐵的永久磁場(chǎng)相遇時(shí),合成為一個(gè)新的螺旋磁場(chǎng),波導(dǎo)絲受螺旋磁場(chǎng)作用產(chǎn)生瞬間扭轉(zhuǎn)變形,此變形受永久磁場(chǎng)作用又產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖并同時(shí)向末端和起始端傳輸,在末端被阻尼器吸收,在起始端則被檢測(cè)出來,通過計(jì)算兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差,即可精確地算出浮球的位置。

磁致伸縮式靜力水準(zhǔn)儀采用非接觸式連續(xù)測(cè)量,使用壽命長(zhǎng),無(wú)需重新標(biāo)定和定期維護(hù),其分辨率可以達(dá)到0.01mm。 但脈沖檢測(cè)易受電磁干擾,在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定性相對(duì)較差。

1.3 光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀

其工作原理與光纖光柵式傾角傳感器類似,均為利用受力裝置引起光纖光柵產(chǎn)生形變,通過收集波長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)從而獲得液位變化量。 如圖4 所示,傳感器由上腔和下腔組成,上腔包含對(duì)稱布置的兩個(gè)等強(qiáng)度梁和粘貼于梁上的光纖光柵,下腔包括頂桿、浮筒和卡環(huán)等,其中頂桿與等強(qiáng)度梁和浮筒相連。 當(dāng)下腔內(nèi)液位變化時(shí),通過浮筒和頂桿作用于等強(qiáng)度梁并產(chǎn)生形變,光纖光柵所受應(yīng)變也發(fā)生變化,其反射光經(jīng)解調(diào)后即可得到液位變化量。

如前所述,光纖光柵傳感器具有耐腐蝕和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),并可通過一根光纖實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)分布式檢測(cè),用于沉降檢測(cè)其分辨力可達(dá)到0.01mm。 同樣受解調(diào)裝置造價(jià)高的影響,光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀目前僅用于部分高大建筑和橋梁等,暫未大規(guī)模普及。

圖4 光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀示意圖

2 傾斜監(jiān)測(cè)

傾斜監(jiān)測(cè)的方法是在建筑表面固定傾角傳感器,把建筑傾斜量轉(zhuǎn)換成電或光信號(hào)的變化。 根據(jù)角度敏感元件的不同,傾斜監(jiān)測(cè)傳感器主要包括擺式、加速度式和光纖光柵式三種類型。

2.1 擺式傾斜傳感器

其工作原理是利用重力對(duì)固體、液體或氣體的鉛錘作用,測(cè)量不同位置下電阻、電壓、電流或電容的變化量從而獲得傾斜角度值。 以液體擺式為例,在一個(gè)封閉容器內(nèi)充以一半的導(dǎo)電液,等間距平行插入三根電極,如圖5(a)所示。 當(dāng)容器水平時(shí),三根電極插入導(dǎo)電液的深度相同,電極之間的電阻R1-2=R2-3;當(dāng)容器傾斜時(shí),三根電極浸入導(dǎo)電液的深度發(fā)生變化,但中間電極浸入深入基本保持不變,如圖5(b)所示,左邊電極浸入深度小,導(dǎo)電液減少,電阻R1-2增大,右邊電極則導(dǎo)電液增加,電阻R2-3減小,即R1-2＞R2-3。 反之,若傾斜方向相反,則R1-2＜R2-3。

圖5 液體擺式原理示意圖

擺式傾斜傳感器的分辨率較高,可檢測(cè)低至0.001°的角度變化,但其頻率響應(yīng)范圍較窄(約0 ～0.5Hz),若安裝位置存在車流、大風(fēng)、機(jī)械施工等導(dǎo)致的高頻振動(dòng),可能會(huì)產(chǎn)生較大的檢測(cè)誤差。

2.2 加速度式傾斜傳感器

圖6 所示為典型的加速度式傳感器組成結(jié)構(gòu),其工作原理可以理解為:處于水平姿態(tài)的傳感器若沿感受軸線受力并加速時(shí),內(nèi)部的質(zhì)量塊受慣性作用沿感受軸線左右移動(dòng),通過檢測(cè)輸出電壓可獲知加速度或受力大小及方向。

圖6 加速度式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

若傳感器靜止或保持水平勻速運(yùn)動(dòng),加速度為零。 若傳感器靜止并傾斜一定角度,質(zhì)量塊受重力作用仍將沿軸線移動(dòng),從而導(dǎo)致輸出電壓變化,相當(dāng)于傳感器獲得某一特定加速度(即重力加速度),并有如式(2)所示計(jì)算關(guān)系:

式中,θ 為傾斜角,Uθ為傾斜θ 時(shí)的輸出電壓,Ug為傾斜90°(即輸入加速度為9.8m/s2)時(shí)的輸出電壓。

故利用輸出電壓與傾角的對(duì)應(yīng)關(guān)系,靜止的加速度傳感器又可當(dāng)做傾角傳感器使用。 由于傾斜角度與加速度輸出之間具有正弦函數(shù)關(guān)系,在小傾斜角度如±15°以內(nèi)時(shí),可直接進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)要測(cè)量大傾斜角度時(shí),需采取線性化措施。

加速度傾斜傳感器的分辨率與擺式傾斜傳感器相仿,但其頻率響應(yīng)范圍可寬至55kHz,抗高頻振動(dòng)和沖擊的能力更好,適合在市政、施工環(huán)境下使用。 根據(jù)質(zhì)量塊所帶動(dòng)的敏感芯體及受力軸數(shù)的不同,常用的加速度傳感器有壓電式、壓阻式、電容式及單軸、雙軸、三軸等。

近年來,基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的加速度傳感器在航空航天、汽車、醫(yī)療、消費(fèi)電子、無(wú)人機(jī)等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,它將微型傳感機(jī)構(gòu)、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路甚至通信和電源等封裝在一塊長(zhǎng)、寬均不超過1cm 的芯片上,具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、易集成等一系列優(yōu)點(diǎn),非常適合大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于如市政井蓋傾斜監(jiān)測(cè),路燈、廣告牌傾斜監(jiān)測(cè),房屋傾斜監(jiān)測(cè)等。

2.3 光纖光柵式傾斜傳感器

當(dāng)光在光纖中傳播時(shí),在外界溫度、壓力、位移等因素作用下,通過光的反射、折射和吸收效應(yīng),可使光波的振幅、相位、偏振態(tài)和波長(zhǎng)等參量直接或間接地發(fā)生變化,因而可將光纖作為敏感元件來探測(cè)各種物理量。 在建筑電氣行業(yè),光纖測(cè)溫已成功應(yīng)用于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中。

光纖光柵傳感器是近年發(fā)展起來的新型光纖傳感器,其纖芯采用通信用單模光纖,局部經(jīng)強(qiáng)紫外光照射刻寫形成類似于反射鏡的周期性光柵,如圖7 所示。 光纖結(jié)構(gòu)改變引起折射特性改變,只反射一種特定波長(zhǎng)的光波,其他光波都會(huì)被傳播。 目前在變形和溫度監(jiān)測(cè)中,普遍采用周期Λ＜1μm 的短周期光纖光柵傳感器,因其反射波長(zhǎng)稱為布拉格(Bragg)波長(zhǎng),故又稱為光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)。

圖7 光纖光柵原理示意圖

當(dāng)光纖受外部壓力或溫度影響導(dǎo)致膨脹或收縮,光柵之間的距離產(chǎn)生變化并引起反射光波長(zhǎng)的變化,通過解調(diào)裝置就可以精確感知壓力或溫度的變化量。

圖8 為光纖光柵傾斜傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 在封裝結(jié)構(gòu)中固定一根懸臂梁,將光纖光柵固定在梁的兩側(cè),梁的自由端固定一重錘,當(dāng)傳感器傾斜時(shí),懸臂梁受重錘擺動(dòng)產(chǎn)生彎矩并引起兩邊光柵波長(zhǎng)的變化,經(jīng)解調(diào)計(jì)算即可得出傾角大小。

圖8 光纖光柵傾角傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

由于不同傳感器可刻寫不同柵距的光柵,相當(dāng)于每個(gè)傳感器都有自己的編碼,故多個(gè)測(cè)點(diǎn)可以通過單根光纖首尾相連直接實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)。

光纖光柵傳感器近年來發(fā)展迅速,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高大建筑、橋梁、大壩、隧道及邊坡變形監(jiān)測(cè)中。 相對(duì)于電測(cè)傳感器,光纖光柵傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、耐腐蝕和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 光纖光柵傾斜傳感器的分辨力極高,可檢測(cè)低至0.0005°的角度變化,其頻率響應(yīng)范圍適中(約0 ～20Hz)。 不過,光纖光柵傳感器配套的解調(diào)裝置造價(jià)較高,大規(guī)模普及應(yīng)用尚有困難。

3 裂縫監(jiān)測(cè)

裂縫監(jiān)測(cè)的方法是在建筑表面裂縫兩側(cè)固定安裝帶滑動(dòng)拉桿的傳感器,通過檢測(cè)拉桿伸展或收縮量得出裂縫寬度。 根據(jù)敏感元件的不同,目前市面上常見的裂縫傳感器主要包括振弦式和光纖光柵式。 光纖光柵式裂縫檢測(cè)的基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)與傾斜和沉降檢測(cè)類似,本文不再贅述。

振弦式裂縫傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9 所示,主要由弦式敏感元件、拉桿及激振拾振線圈等組成。

圖9 振弦式裂縫傳感器示意圖

弦式敏感元件是一根張緊的金屬絲,稱為振弦,其基本工作原理與弦樂器類似,即通過改變弦的長(zhǎng)度可以改變其發(fā)聲頻率。 在激振線圈作用下,振弦按其固有頻率振動(dòng)。 當(dāng)墻體裂縫的開合度發(fā)生變化時(shí),傳感器左、右安裝基座產(chǎn)生相對(duì)位移,該位移通過拉桿傳遞給振弦使其長(zhǎng)度發(fā)生變化從而改變其振動(dòng)頻率,通過拾振線圈檢測(cè)頻率信號(hào)并經(jīng)換算即可得到裂縫的變化量。

振弦式、光纖光柵式裂縫傳感器的分辨力均可達(dá)到0.01mm。 需要注意的是,裂縫傳感器一般安裝在已知裂縫位置,并不能感知新裂縫出現(xiàn)的時(shí)間與位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

因其自動(dòng)化特征,建筑變形監(jiān)測(cè)在一定程度上屬于建筑智能化范疇。 然而,建筑變形監(jiān)測(cè)并非我國(guó)現(xiàn)行GB50314-2015《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)要素之一,以往也多由建筑結(jié)構(gòu)或測(cè)量專業(yè)根據(jù)項(xiàng)目需要實(shí)施。

近年來,隨著各類倒塌事故的頻繁發(fā)生,建筑安全類智慧城市應(yīng)用受到廣泛關(guān)注,把建筑變形監(jiān)測(cè)納入建筑智能化的呼聲越來越高。 鑒于相關(guān)技術(shù)對(duì)于建筑智能化專業(yè)仍較為陌生,本文重點(diǎn)研究各種建筑變形傳感器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn),旨在為廣大建筑智能化設(shè)計(jì)人員初步認(rèn)識(shí)建筑變形監(jiān)測(cè)提供參考。