淺談橋梁智能監(jiān)測云系統(tǒng)建設(shè)（之二）-傳感器選型

作者簡介：張碩玉，中交路建交通科技有限公司監(jiān)測測事業(yè)部高級工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究與工程

 

前一段時間，筆者寫了“淺談橋梁智能監(jiān)測云系統(tǒng)建設(shè)之一”，這一篇來填坑了，主要與大家探討系統(tǒng)的第一層：傳感器子系統(tǒng)中的傳感器選型原則。傳感器的選型是否合適，直接影響到數(shù)據(jù)的質(zhì)量，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)損傷識別和安全評估的基礎(chǔ)，因此傳感器選型是否合適是健康監(jiān)測系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的關(guān)鍵。

傳感器選型應(yīng)選用技術(shù)成熟、性能先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實用、安裝維護(hù)方便和便于系統(tǒng)集成。同時應(yīng)滿足測量范圍、測量精度、分辨率、靈敏度、線性度、重復(fù)性、動態(tài)頻響特性、穩(wěn)定性、耐久性和環(huán)境適應(yīng)性要求。

圖1 傳感器硬件（部分）

每種傳感器的選型細(xì)說起來，就比較復(fù)雜了，今天主要討論振動測量。今年檢師考試中也考到了相應(yīng)的考點，今天我們以振動參量測量時傳感器的選型作為例子，一起探討一下吧。

振動測量一般分為以下幾類：幅值測量、固有頻率測量、模態(tài)測試和其他類型測量。按測量振動參量可分為三大類：位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。一般來講，位移傳感器適用于低頻測量，速度傳感器適用于中頻測量，加速度傳感器適用于中高頻測量。由于加速度傳感器具有生產(chǎn)工藝成熟、頻響范圍寬、動態(tài)范圍大、安裝方便等特點，因而在工程應(yīng)用中比較廣泛。

選型時需要綜合考慮的因素較多，主要包括以下兩個方面：

（1）傳感器的一般技術(shù)特性要滿足測量需要，不同類型傳感器的具體要求均不同，主要包括：

量程：能夠測量的被測量的范圍，是選擇傳感器的首先考慮。如測點位置的振動量級宜為選擇傳感器量程的60%~80%，這樣能保證信噪比高，且不會過載。

靈敏度：能夠測量的被測量的最小變化量。

通常量程大的傳感器，靈敏度低，量程小的傳感器，靈敏度高。傳感器的靈敏度越高，則傳感器的質(zhì)量越大，傳感器的輸出電壓越大，信噪比越高，分辨能力越強(qiáng)。對于測試不同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇相匹配的傳感器量程。

諧振頻率：傳感器本身也是一個結(jié)構(gòu)，也存在固定頻率，通常把傳感器的第一階固有頻率稱為諧振頻率。傳感器尺寸越小，諧振頻率越高。加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的諧振頻率，一般傳感器的工作頻率范圍在其自身諧振頻率的1/3以下。

精度：測量值與真值之間的符合程度。

頻率響應(yīng)范圍：是測振傳感器的重要指標(biāo)，通常加速度傳感器低頻特性較差，信號衰減嚴(yán)重，而在高頻段線性度差，非線性影響嚴(yán)重。傳感器的頻響范圍要稍高于被測結(jié)構(gòu)物的振動頻率。

線性度：由于傳感器測量時只能輸入單一靈敏度，因此，用于描述在一定頻響范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度是否滿足實際的靈敏度指標(biāo)，即為線性度。如果傳感器不在線性區(qū)段進(jìn)行測量，則測量得到的幅值誤差較大，一般要求傳感器非線性小于1%。

橫向效應(yīng)：當(dāng)測量某個方向的振動時，輸出信號應(yīng)該全部來自振動感知方向，但實際上在與該方向垂直的方向也有信號輸出，這種效應(yīng)稱為橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)靈敏度越低，性能越好，一般而言，傳感器都存在一定的橫向效應(yīng)，通常標(biāo)稱橫向效應(yīng)小于5%。

傳感器安裝方式：傳感器安裝時，需要綜合考慮多種方面對其影響，主要有安裝剛度、安裝平面、安裝方向、安裝手法、防護(hù)條件等。安裝剛度對其影響最大，傳感器最好是直接將傳感器固定在被測結(jié)構(gòu)上，二者之間無其他安裝支架，但有時安裝支架又是必不可少的，這就或多或少會帶來一些寄生振動，因此要求安裝支架的自振頻率是被測振動頻率的5~10倍以上。安裝剛度越大，傳感器系統(tǒng)的自振頻率越高，能用于測量的頻帶也就越高。

圖2 不同安裝方式的頻譜圖

（2）傳感器的穩(wěn)定性、可靠性及對工作環(huán)境的適應(yīng)性

結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測需要長期工作十幾年、幾十年甚至更長的時間。在此期間，傳感器的工作環(huán)境可能會發(fā)生意料不到的變化。要求傳感器性能穩(wěn)定可靠、耐久性好、頻響范圍寬、抗外界干擾能力強(qiáng)，能在結(jié)構(gòu)的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作。

 目前常用的加速度傳感器類型及其特點如下：

（1）電容式加速度傳感器

電容式加速度傳感器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，輸出阻抗低，輸出電量與振動加速度的關(guān)系式簡單方便易于計算等優(yōu)點。

但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

圖3 電容式加速度傳感器

（2）壓阻式加速度傳感器

大多數(shù)壓阻式加速度傳感器都是采用的MEMS結(jié)構(gòu)，輸出阻抗低，輸出電平高，內(nèi)在噪聲低，對電磁和靜電干擾的敏感度低，所以易于進(jìn)行信號調(diào)理。它對底座應(yīng)變和熱瞬變不敏感，在承受大沖擊加速度作用時零漂很小。壓阻式加速度傳感器的一個最大優(yōu)點就是工作頻帶很寬，并且頻率響應(yīng)可以低到零頻（直流響應(yīng)），因此可以用于低頻振動的測量和持續(xù)時間長的沖擊測量，靈敏度通常比較低，因此非常適合沖擊測量，廣泛用于汽車碰撞測試、運輸過程中振動和沖擊的測量、顫振研究等。

圖4 壓阻式加速度傳感器

（3）壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

圖5 壓電式加速度傳感器

（4）力平衡加速度傳感器

力平衡式傳感器又稱伺服傳感器，大家工程中接觸最多的就是工力所的941B型拾振器了。由于采用了負(fù)反饋工作原理，伺服式加速度傳感器通常具有極好的幅值線性度，在峰值加速度幅值高達(dá)50g時通常可達(dá)萬分之幾。另外還具有很高的靈敏度，某些伺服加速度傳感器具有幾微g的靈敏閥值。頻率范圍通常為0~500Hz。還有靜態(tài)精度和線性度高，滯后小，重復(fù)性好，低頻響應(yīng)好，動態(tài)測量范圍寬等優(yōu)點，但其尺寸是相應(yīng)的壓電式加速度傳感器的數(shù)倍。

圖6 力平衡加速度傳感器

工程中常用到的應(yīng)用場景：

1、測量地震動

（1）橋址處地震監(jiān)測可選用力平衡式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器和電容式加速度傳感器。

（2）應(yīng)選用三向加速度傳感器，包括兩個相互垂直的水平方向和一個豎向。

（3）頻響范圍宜在0 ~ 100Hz，量程不宜低于±2 g。

2、主梁振動

（1）對于基頻較低的大跨徑橋梁，宜選用低頻性能優(yōu)良的力平衡式或電容式加速度傳感器，量程不宜小于±2 g，橫向靈敏度宜小于1%，頻響范圍宜在0 ~ 100 Hz。

（2）對于自振頻率較高的橋梁，可選用電容式或壓電式加速度傳感器，量程不宜小于±20 g，橫向靈敏度宜小于5%，頻響范圍宜在0.1 ~ 1000 Hz。

3、主纜、吊桿（索）振動監(jiān)測

（1）宜根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)主要振型，選擇合適的單向、雙向和三向加速度傳感器。

（2）對于振動頻率較低的主纜、吊桿（索）等構(gòu)件，宜選用低頻響應(yīng)特性優(yōu)良的力平衡、電容式加速度傳感器，量程不宜小于±2 g，橫向靈敏度比宜小于1%，頻響范圍宜介于0 ~ 80 Hz之間。

（3）對于自振頻率較高的主纜、吊桿（索），可選用電容式加速度傳感器和ICP型壓電加速度傳感器，量程不宜小于±20 g，橫向靈敏度比宜小于5%；電容式加速度傳感器頻響范圍宜介于0 ~ 100 Hz之間,壓電加速度傳感器頻響范圍宜介于0.3 Hz ~ 1000 Hz之間。