建筑变形监测传感器研究

龚仕伟, 陈建飚

(广东省建筑设计研究院有限公司,广州 510010)

0 引言

改革开放以来,我国兴建了大量的民用与工业建筑。 但随着时间的推移,部分建筑陆续接近设计使用年限,再加上我国建筑场地地基与建筑环境的复杂性,以及自然灾害和人为等多种因素的影响,这些建筑在使用过程中或多或少都会产生变形,变形如果超过了规定的允许限度,就会影响建筑的正常使用,严重时甚至危及人民生命财产安全。 近几年来,我国老旧建筑倒塌事故频频出现,引发了国家和社会的极大关注,也促使建筑安全排查成为如今建筑日常维护中的一项非常重要的工作。

通常来说,建筑变形分为沉降和位移两大类。其中,沉降指竖向的变形,包括下沉和上升;而位移为除沉降外其他变形的统称,包括水平位移、倾斜、裂缝、挠度、收敛变形、风振变形和日照变形等。

传统的建筑安全排查使用人工定期巡检的方式,通过观察和经验判断等手段,辅以吊锤、卷尺、裂缝卡等仪器,对建筑物倾斜、裂缝、剥落、渗漏等情况逐一进行检查和安全评估,这种方式存在主观性强、结果不精确、巡检周期长、预警反应不及时、微小变化难以发现等弊端。 利用固定安装的传感器,使用正确的监测方法持续对建筑变形量进行自动化测量并分析其安全状况,可实现对单个及成片建筑物动态的长期跟踪。 通过长期有效的监测及科学的预警分析,可以很大程度上避免灾难的发生,延长建筑物的安全使用年限。

本文针对目前常见的几种变形监测传感器进行介绍,分析各自的工作原理、优点与缺点,为建筑智能化系统中传感器的选取提供参考。

1 沉降监测

建筑沉降监测的主要方法是安装静力水准系统,系统由1 个基准点和若干个监测点组成,每个点安装1 套内置储液容器的静力水准仪,多个静力水准仪之间用通液管连通并注入液体(水或防冻液),当液面完全静止后所有静力水准仪内的液面位于同一个大地水准面上,如图1 所示,其中测点1 为基准点,安装在被测房屋附近地质条件相对稳定的地方,测点2、3、4 为监测点,安装在被测房屋外表面。

图1 静力水准仪工作原理(一)

若测点2 有所上升,测点3 有所下降,测点4 不变,当系统内液面达到平衡静止后将形成新的水准面,如图2 所示,各水准仪内液位高度相应升高、降低或保持不变,通过检测液位变化量即可得出该测点相对于基准点的垂直位移即沉降量。

图2 静力水准仪工作原理(二)

由于液体的粘滞作用,静力水准仪管路内部的液体需要一定时间才能流动实现平衡,故无法实现高速测量沉降变化量。

根据液位传感装置的不同,静力水准仪主要包括两大类:(1)液压类,通过传感器测量底部液压再换算成高度,根据传感器不同分为晶硅式、电阻式、压阻式、振弦式等;(2)液位类,通过传感器直接测量液位高度,根据传感器不同分为磁致伸缩式、电容式、光电式、超声波式、激光式、倾角式、振弦式、光纤光栅式等。 市面上较常见的是液压类及液位类的磁致伸缩式和光纤光栅式。

1.1 液压类静力水准仪

液压传感器在建筑智能化领域已经获得广泛应用,其工作原理本文不再详述。 液压与高度的换算关系如式(1)所示:

式中,F 为传感器压力,ρ 为液体密度,g 为重力加速度,h 为液面高度,S 为传感器受力面积,由于ρ、g、S均为固定值,故测量F 值即可计算得出h 值。

液压类静力水准仪内部无机械结构,体积小、量程大,现场安装无需调平,施工难度低,其分辨力可高达0.001mm,已广泛用于高大建筑、基坑、铁路、桥梁、隧道等沉降监测。

1.2 磁致伸缩式静力水准仪

磁致伸缩传感器是利用磁致伸缩效应实现绝对位移的测量。 当铁磁材料或亚铁磁材料在磁场中被磁化时,会沿磁化方向发生微量伸长或缩短,称之为磁致伸缩效应。 传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触浮球组成。 其工作原理如图3 所示,测杆内装有磁致伸缩波导丝,电子仓内装有检测电路,浮球内装有位置磁铁。

图3 磁致伸缩传感器工作原理

测量时,由电路先发出一个问询脉冲,脉冲沿测杆内的磁致伸缩波导丝传输,同时会产生沿其方向前进的环形磁场。 当这个磁场与浮球中位置磁铁的永久磁场相遇时,合成为一个新的螺旋磁场,波导丝受螺旋磁场作用产生瞬间扭转变形,此变形受永久磁场作用又产生一个应变脉冲并同时向末端和起始端传输,在末端被阻尼器吸收,在起始端则被检测出来,通过计算两个脉冲之间的时间差,即可精确地算出浮球的位置。

磁致伸缩式静力水准仪采用非接触式连续测量,使用寿命长,无需重新标定和定期维护,其分辨率可以达到0.01mm。 但脉冲检测易受电磁干扰,在复杂工业环境下稳定性相对较差。

1.3 光纤光栅式静力水准仪

其工作原理与光纤光栅式倾角传感器类似,均为利用受力装置引起光纤光栅产生形变,通过收集波长变化数据从而获得液位变化量。 如图4 所示,传感器由上腔和下腔组成,上腔包含对称布置的两个等强度梁和粘贴于梁上的光纤光栅,下腔包括顶杆、浮筒和卡环等,其中顶杆与等强度梁和浮筒相连。 当下腔内液位变化时,通过浮筒和顶杆作用于等强度梁并产生形变,光纤光栅所受应变也发生变化,其反射光经解调后即可得到液位变化量。

如前所述,光纤光栅传感器具有耐腐蚀和抗电磁干扰能力强等优点,并可通过一根光纤实现多测点分布式检测,用于沉降检测其分辨力可达到0.01mm。 同样受解调装置造价高的影响,光纤光栅式静力水准仪目前仅用于部分高大建筑和桥梁等,暂未大规模普及。

图4 光纤光栅式静力水准仪示意图

2 倾斜监测

倾斜监测的方法是在建筑表面固定倾角传感器,把建筑倾斜量转换成电或光信号的变化。 根据角度敏感元件的不同,倾斜监测传感器主要包括摆式、加速度式和光纤光栅式三种类型。

2.1 摆式倾斜传感器

其工作原理是利用重力对固体、液体或气体的铅锤作用,测量不同位置下电阻、电压、电流或电容的变化量从而获得倾斜角度值。 以液体摆式为例,在一个封闭容器内充以一半的导电液,等间距平行插入三根电极,如图5(a)所示。 当容器水平时,三根电极插入导电液的深度相同,电极之间的电阻R1-2=R2-3;当容器倾斜时,三根电极浸入导电液的深度发生变化,但中间电极浸入深入基本保持不变,如图5(b)所示,左边电极浸入深度小,导电液减少,电阻R1-2增大,右边电极则导电液增加,电阻R2-3减小,即R1-2＞R2-3。 反之,若倾斜方向相反,则R1-2＜R2-3。

图5 液体摆式原理示意图

摆式倾斜传感器的分辨率较高,可检测低至0.001°的角度变化,但其频率响应范围较窄(约0 ～0.5Hz),若安装位置存在车流、大风、机械施工等导致的高频振动,可能会产生较大的检测误差。

2.2 加速度式倾斜传感器

图6 所示为典型的加速度式传感器组成结构,其工作原理可以理解为:处于水平姿态的传感器若沿感受轴线受力并加速时,内部的质量块受惯性作用沿感受轴线左右移动,通过检测输出电压可获知加速度或受力大小及方向。

图6 加速度式传感器结构示意图

若传感器静止或保持水平匀速运动,加速度为零。 若传感器静止并倾斜一定角度,质量块受重力作用仍将沿轴线移动,从而导致输出电压变化,相当于传感器获得某一特定加速度(即重力加速度),并有如式(2)所示计算关系:

式中,θ 为倾斜角,Uθ为倾斜θ 时的输出电压,Ug为倾斜90°(即输入加速度为9.8m/s2)时的输出电压。

故利用输出电压与倾角的对应关系,静止的加速度传感器又可当做倾角传感器使用。 由于倾斜角度与加速度输出之间具有正弦函数关系,在小倾斜角度如±15°以内时,可直接进行测量,当要测量大倾斜角度时,需采取线性化措施。

加速度倾斜传感器的分辨率与摆式倾斜传感器相仿,但其频率响应范围可宽至55kHz,抗高频振动和冲击的能力更好,适合在市政、施工环境下使用。 根据质量块所带动的敏感芯体及受力轴数的不同,常用的加速度传感器有压电式、压阻式、电容式及单轴、双轴、三轴等。

近年来,基于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的加速度传感器在航空航天、汽车、医疗、消费电子、无人机等行业得到广泛应用,它将微型传感机构、微型执行器、信号处理和控制电路甚至通信和电源等封装在一块长、宽均不超过1cm 的芯片上,具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、易集成等一系列优点,非常适合大规模的物联网应用于如市政井盖倾斜监测,路灯、广告牌倾斜监测,房屋倾斜监测等。

2.3 光纤光栅式倾斜传感器

当光在光纤中传播时,在外界温度、压力、位移等因素作用下,通过光的反射、折射和吸收效应,可使光波的振幅、相位、偏振态和波长等参量直接或间接地发生变化,因而可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量。 在建筑电气行业,光纤测温已成功应用于火灾自动报警系统中。

光纤光栅传感器是近年发展起来的新型光纤传感器,其纤芯采用通信用单模光纤,局部经强紫外光照射刻写形成类似于反射镜的周期性光栅,如图7 所示。 光纤结构改变引起折射特性改变,只反射一种特定波长的光波,其他光波都会被传播。 目前在变形和温度监测中,普遍采用周期Λ＜1μm 的短周期光纤光栅传感器,因其反射波长称为布拉格(Bragg)波长,故又称为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)。

图7 光纤光栅原理示意图

当光纤受外部压力或温度影响导致膨胀或收缩,光栅之间的距离产生变化并引起反射光波长的变化,通过解调装置就可以精确感知压力或温度的变化量。

图8 为光纤光栅倾斜传感器的结构示意图。 在封装结构中固定一根悬臂梁,将光纤光栅固定在梁的两侧,梁的自由端固定一重锤,当传感器倾斜时,悬臂梁受重锤摆动产生弯矩并引起两边光栅波长的变化,经解调计算即可得出倾角大小。

图8 光纤光栅倾角传感器结构示意图

由于不同传感器可刻写不同栅距的光栅,相当于每个传感器都有自己的编码,故多个测点可以通过单根光纤首尾相连直接实现分布式检测。

光纤光栅传感器近年来发展迅速,已经广泛应用于高大建筑、桥梁、大坝、隧道及边坡变形监测中。 相对于电测传感器,光纤光栅传感器具有结构简单、灵敏度高、响应速度快、耐腐蚀和抗电磁干扰能力强等优点。 光纤光栅倾斜传感器的分辨力极高,可检测低至0.0005°的角度变化,其频率响应范围适中(约0 ～20Hz)。 不过,光纤光栅传感器配套的解调装置造价较高,大规模普及应用尚有困难。

3 裂缝监测

裂缝监测的方法是在建筑表面裂缝两侧固定安装带滑动拉杆的传感器,通过检测拉杆伸展或收缩量得出裂缝宽度。 根据敏感元件的不同,目前市面上常见的裂缝传感器主要包括振弦式和光纤光栅式。 光纤光栅式裂缝检测的基本原理及优缺点与倾斜和沉降检测类似,本文不再赘述。

振弦式裂缝传感器的结构如图9 所示,主要由弦式敏感元件、拉杆及激振拾振线圈等组成。

图9 振弦式裂缝传感器示意图

弦式敏感元件是一根张紧的金属丝,称为振弦,其基本工作原理与弦乐器类似,即通过改变弦的长度可以改变其发声频率。 在激振线圈作用下,振弦按其固有频率振动。 当墙体裂缝的开合度发生变化时,传感器左、右安装基座产生相对位移,该位移通过拉杆传递给振弦使其长度发生变化从而改变其振动频率,通过拾振线圈检测频率信号并经换算即可得到裂缝的变化量。

振弦式、光纤光栅式裂缝传感器的分辨力均可达到0.01mm。 需要注意的是,裂缝传感器一般安装在已知裂缝位置,并不能感知新裂缝出现的时间与位置。

4 结束语

因其自动化特征,建筑变形监测在一定程度上属于建筑智能化范畴。 然而,建筑变形监测并非我国现行GB50314-2015《智能建筑设计标准》的设计要素之一,以往也多由建筑结构或测量专业根据项目需要实施。

近年来,随着各类倒塌事故的频繁发生,建筑安全类智慧城市应用受到广泛关注,把建筑变形监测纳入建筑智能化的呼声越来越高。 鉴于相关技术对于建筑智能化专业仍较为陌生,本文重点研究各种建筑变形传感器的工作原理和优缺点,旨在为广大建筑智能化设计人员初步认识建筑变形监测提供参考。