基于桥梁健康监测系统下应变传感器的选型

蒋 雄，侯 攀

(长沙理工大学土木与建筑学院)

1 引言

2008年，江阴大桥原桥梁结构健康监测系统由于其设计上的缺陷，系统在使用后不久便出现了大面积的硬件故障，导致其无法正常的监测桥梁的运营状况。从而，不得不对原有系统进行改进，而改进的主要措施是传感器的重新选型和更新。从已建的桥梁健康监测系统分析，系统建立的最终目的是用来对结构进行损伤识别和健康状态评估，其性能优劣主要取决于以下方面。(1)传感器的性能;(2)传感器的优化布置;(3)数据的分析与处理。由此可见，传感器作为健康监测系统的数据采集设备，直接决定着系统的使用寿命和可靠程度。随着结构健康监测系统的不断完善，一些性能更优的新型传感器和监测方法也相继开发和运用。针对国内外部分已建成的系统进行研究，发现应变、温度、振动以及形变是该系统重点监测的内容，且这些传感器的数量庞大、种类繁多，性状不一，那么，在系统的建立之初，对于传感器的选型就显得尤为重要。本文仅对桥梁健康监测系统中结构应变传感器的选型作出简要的评述。

2 应变传感器的工作原理与特性

结构应变监测的目的在于对关键部位的应力应变监测，通过监测这些部位在外荷载作用下的响应，为结构损伤识别、健康状态评估提供可靠依据。目前普遍采用的应变传感器有电阻式应变传感器、振弦式应变传感器和光纤光栅应变传感器。由于不同类型的传感器在性能参数方面存在一定的差异性，了解传感器性能参数对于合理的选型至关重要。

2.1 电阻式应变传感器

(1)工作原理

电阻式应变传感器是以电阻应变计为转换元件的传感器，由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成。当被测结构物产生应变引起弹性元件的变形时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化与作用的变化成比例。

(2)工作特性

根据敏感元件的特性，在结构健康监测中，需根据结构的应力状态、材质等选择合适的材料。常用的材料类型有:金属丝式应变片、金属箔式应变片、金属薄膜应变片、半导体应变片。电阻应变效应表达式:ΔR/R=k0ε。其中，ΔR为电阻变化值，R为材料电阻值，k0为电阻丝的应变灵敏度系数，ε与材料尺寸和电阻率有关。在使用电阻式应变片时，应考虑的主要技术参数包括电阻灵敏系数、机械滞后、零漂和蠕变、横向效应等等。另外，由温度引起应变片敏感栅电阻变化产生的附加应变比较明显，因此，需重点考虑环境温度因素。

2.2 振弦式式应变传感器

(1)工作原理

振弦式应变传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、金属弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。根据金属弦自振频率与张紧力的函数关系，利用振弦振动频率的变化量，来反映外界作用力的大小。金属弦与被测结构变形相协调，所测应变即结构应变。

(2)工作特性

振弦式应变传感器的工作特性主要取决于振弦的特性，主要考虑其灵敏度、温度影响、稳定性、滞后性等技术参数。根据动力学原理，可以把频率和张力的关系表述为，其中f表示弦的振动频率，σ表示弦的内部张力，l表示弦的长度，ρ表示金属丝的密度。假设弦发生应变，则f=，由于，故可以推出频率与弦的长度无关，仅取决于弦的内部张力的改变。由于弦属于金属材料，必须考虑温度的影响，可采取温度补偿的措施。据实践证明，振弦式传感器在-10～55℃温度范围内使用时，温度附加误差为1.5 Hz/10℃。另外，由于机械结构存在滞后性，对应力梯度大的部位难以测出某一点的应变，所以振弦式传感器只适用于静态和不大于10 Hz的准动态测试。

2.3 光纤光栅应变传感器

(1)工作原理

利用光纤光栅的波长选择性，将宽谱光源发射的光进行选择性反射回解调装置，根据光的波长变化情况推导出光栅的栅距变化情况，从而推出外界应力应变。

(2)工作特性

根据模耦合理论，满足ΔλB=2neff·ΔΛ的波长就会被光纤光栅反射回去(λB为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，neff为纤芯的有效折射率)。可知，λB受光栅周期和有效折射率的影响，对上式微分可得:，其中，光栅周期由于传感器的机械伸长而发生改变得，另外，由于光纤材料的弹光效应引起材料的有效折射率发生变化得为有效弹光系数，ε为测点的轴向应x变)，记ΔλB为光栅波长的绝对漂移量，则可得出应力引起光栅反射中心波长的相对漂移量为，根据实验测得波长为1 550 nm的光纤光栅应变系数为1.209 pm/με。此外，由于温度的变化引起的光纤光栅中心波长的变化为为光纤的热膨胀系数，通常取值5.5×10-7K-1，ζ为光纤材料的热光系数，通常取值7.0×10-6K-1)，若去波长为1 550 nm，则可计算出光纤光栅的温度灵敏度为 10.80 pm/με。

3 长期健康监测系统结构应变传感器选型

3.1 设计原则

(1)适用性原则。满足量程、灵敏度、精度等要求，能真正对监测信号进行实时采集。

(2)可靠性原则。在长期、动静态测试应变监测中，尽可能选择成熟先进的传感器，保证获取信息的真实可靠。

(3)耐久性原则。要考虑到各种工作环境下传感器的耐久性，埋入式传感器宜设置备用测点，对外置式的传感器尽可能加以保护。

(4)经济性原则。系统对应变监测子项目的规模以及所采用的传感仪器和通信设备需考虑合理的投资限度，在设计时必须进行成本—效益分析。

3.2 技术性能

(1)线度好;

(2)灵敏度高且误差小;

(3)有较好的重复性和稳定性;

(4)滞后误差小，漂移小;

(5)具有较高的分辨力;

(6)动态性能好;

(7)被监测对象的影响小，即“负载效应”较低。

3.3 对比选型

(1)电阻式应变传感器——电阻应变式传感器的优点是精度较高，测量范围广，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。其缺点是对于大应变有较大的非线性、系统误差较大且使用寿命较短;由于采用电信号作为测量值，容易受电磁信号干扰、外界环境腐蚀，导线数量多;加之温漂和零漂的影响，使得长期应变监测的结果会严重失真。

(2)振弦式应变传感器——由于振弦式应变传感器直接输出弦振动的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点漂移小、耐振动、性能稳定可靠等特点。但若材料处理不当，由于钢弦蠕变、残余应力的原因，会严重影响传感器的稳定性;以及零件的金属材料膨胀系数的不同，使得温度范围内存在误差，导致动应变的测量精度不足;使用寿命较短，其耐久性无法满足桥梁长期健康监测系统的实际需要。

(3)光纤光栅应变传感器——同传统应变传感器相比，具有以下优势。①体积小、重量轻、可靠性好，便于对结构进行长期连续实时监测。②环境适应性好、抗干扰能力强，可长期用于高温、高湿及存在化学侵蚀等恶劣环境。③测量精度高，零偏值不漂移。④分辨率高，可直接实现远程;⑤不受光强波动及传输光纤弯曲损耗等影响，长期工作性能稳定。目前，光纤光栅传感器的应用也面临了一些问题，如传感器温度—应变交叉敏感、复用性不够、产品成本过高等等。

通过综合比较传感器各自技术性能，依照桥梁结构健康监测系统设计的目的和技术要求，系统宜选用光纤光栅传感器进行应变监测，其性能参数能够较好的满足系统的实际需求，实现对结构的应变响应测量。

4 结语

传感器作为一种数据采集工具，其发展有力地推动了桥梁长期健康监测系统的进步，运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁在运营阶段结构的行为与响应，为桥梁结构的损伤识别、安全评估分析提供了保障。不同类型传感器的性能直接影响了监测数据的准确性及系统的健康运行。因此，传感器的选型工作很有必要，选择合适的传感器对于桥梁长期健康监测系统的合理建设以及管理维护工作都具有重要意义。

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