朱世峰，周志祥，吳海軍

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

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基于MEMS的數(shù)字壓力傳感器在豎向位移測(cè)量中的應(yīng)用

朱世峰，周志祥，吳海軍

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)豎向位移的便捷、高精度、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量，開發(fā)了一種基于連通管技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)量系統(tǒng)，闡述了封閉差壓連通管式位移測(cè)量原理及測(cè)試模塊的實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)從穩(wěn)定性、可靠性角度分析了封閉差壓連通管式位移傳感器的應(yīng)用性能，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：該位移測(cè)量技術(shù)及其設(shè)備具有優(yōu)于0.1 mm的豎向位移測(cè)量分辨率和較高的靈敏度，長期穩(wěn)定性0.3 mm，能夠滿足日常工程測(cè)量和在線長期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的豎向位移測(cè)量需求。在橋梁靜載試驗(yàn)時(shí)的主梁撓度測(cè)量中實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)測(cè)量、布設(shè)及操作便捷、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

橋梁工程；MEMS豎向位移傳感器系統(tǒng)；封閉式差壓連通管；豎向位移測(cè)量

0 引 言

結(jié)構(gòu)豎向位移主要包括橋梁工程中的主梁撓度、墩臺(tái)沉降，隧道工程中的拱頂圍巖下沉，道路工程中的路基沉降，房建工程中的基礎(chǔ)不均勻沉降等。由于此類結(jié)構(gòu)在國民經(jīng)濟(jì)生活中具有十分重要的地位，因此，確保此類結(jié)構(gòu)的安全可靠至關(guān)重要。

豎向位移作為結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況和工作性能的一個(gè)重要參數(shù)，已在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估、溫度效應(yīng)、應(yīng)力損失、交工驗(yàn)收上得到了廣泛應(yīng)用[1-8]。

目前，百(千)分表等位移計(jì)法[9-10]，水準(zhǔn)儀、全站儀等光學(xué)儀器測(cè)量法[8-10]，連通管法[8,11]等傳統(tǒng)的位移測(cè)量方法已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、施工控制及驗(yàn)收鑒定中。此類方法經(jīng)濟(jì)、操作簡便，但均屬于短期的人工測(cè)量，存在耗費(fèi)時(shí)間和人力、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等不足。因此諸如張力線法、激光圖像法、GPS、傾角儀法、激光多普勒測(cè)量、光纖法、二維激光圖像法、光電液位連通管法等一批新型測(cè)量方法被研究運(yùn)用于結(jié)構(gòu)豎向位移的自動(dòng)測(cè)量，但均存在局部缺陷。例如，傾角儀法要求安裝時(shí)的軸線與橋軸線平行[10,12-13]；圖像法受大氣能見度影響較嚴(yán)重，在雨霧天氣難以正常工作[10,14]；GPS在橋梁撓度方向精度較低，目前僅適用于特大跨徑的斜拉橋和懸索橋[2,10]；慣性測(cè)量法對(duì)低頻位移存在失真現(xiàn)象且不能測(cè)量靜撓度[15]；光電液位連通管法屬于開放式連通管[11,16-17]，液面震蕩、液體蒸發(fā)、管道摩阻力等降低了其測(cè)試精度和長期穩(wěn)定性，且設(shè)備成本較高、對(duì)施工安裝垂直度要求很高即環(huán)境適應(yīng)性較弱；張力線法的精度較低，測(cè)試過程需進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，且構(gòu)造復(fù)雜、成本較高[18-19]，應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)單一，亦難以同時(shí)滿足耐久性、實(shí)時(shí)性、高精度等要求。部分既有技術(shù)綜合性能對(duì)比見表1。

表1 部分既有技術(shù)綜合性能對(duì)比

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，筆者提出了基于MEMS技術(shù)的數(shù)字式差壓傳感器和AVR單片機(jī)Mega128設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的封閉式差壓連通管位移測(cè)試傳感器系統(tǒng)，將傳感元件和信號(hào)處理電路集成于一體，提高了測(cè)量性能，使測(cè)量模塊數(shù)字化、小型化、集成化和智能化。在性能上實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性、長期耐久性、高分辨率、高靈敏度以及低功耗，克服了由于大氣場(chǎng)時(shí)變性、液體蒸發(fā)及液面振蕩等引起的連通管技術(shù)的豎向位移測(cè)試偏差，結(jié)合RS485/CAN總線技術(shù)、RF /GPRS無線傳輸技術(shù)等，提高了結(jié)構(gòu)的豎向位移測(cè)量精度和適用性。

利用數(shù)字差壓傳感器對(duì)溫度和連通管端壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量、采集數(shù)據(jù)，結(jié)合差壓測(cè)高思想應(yīng)用于結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)量系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)豎向位移的高分辨率、實(shí)時(shí)在線、自動(dòng)化測(cè)量。介紹了該系統(tǒng)的組成、測(cè)量原理，從傳感器穩(wěn)定性、可靠性角度進(jìn)行了系統(tǒng)分析。在結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)量領(lǐng)域有一定的使用參考價(jià)值。

1 封閉式差壓連通管位移測(cè)量原理

以單側(cè)點(diǎn)的封閉差壓連通管式結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)試為例介紹其測(cè)量原理，如圖1。位移傳感器由差壓測(cè)試端儲(chǔ)液罐、液體連通管、氣體連通管、基準(zhǔn)端儲(chǔ)液罐及傳感電路構(gòu)成。由液體壓力與液面高度差關(guān)系Δp=ρgΔh可知，當(dāng)液體密度ρ和重力加速度g已知并確定，測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生位移變形Δh時(shí)，基準(zhǔn)端儲(chǔ)液罐高程隨結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生升降變化，該位移變化量將引起連通管兩端的壓力差值變化并通過連通管傳至差壓測(cè)試端儲(chǔ)液罐，差壓傳感芯片將測(cè)試到的該壓力變化量Δp通過外圍電路進(jìn)行存儲(chǔ)與解算，便可得到該測(cè)點(diǎn)的豎向變形值Δh。測(cè)試期間，可通過RS485/CAN總線技術(shù)或RF技術(shù)使用專門的采集分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、自動(dòng)采集與分析。長期監(jiān)測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)采集后的傳輸可通過GPRS技術(shù)或3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析。

圖1 位移傳感器組成

布設(shè)時(shí)，將基準(zhǔn)端儲(chǔ)液罐布置于測(cè)點(diǎn)位置并固定牢固，差壓測(cè)試端儲(chǔ)液罐及傳感電路布置于方便操作且固定的位置作為測(cè)試參考點(diǎn)，基準(zhǔn)端儲(chǔ)液罐和差壓測(cè)試端儲(chǔ)液罐之間通過連通管相連。連通管兩端設(shè)有閥門，除測(cè)試時(shí)外閥門均關(guān)閉，以防布設(shè)過程中空氣進(jìn)入管中。布設(shè)時(shí)，連通管兩端也可相互調(diào)換位置，對(duì)于同一變形值此兩種布置方式的測(cè)試結(jié)果僅相差1個(gè)負(fù)號(hào)。

圖2 封閉差壓連通管式測(cè)量系統(tǒng)

2 差壓連通管位移測(cè)試模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 差壓傳感器

傳感器電路部分主要由Honeywell公司生產(chǎn)的SSC系列數(shù)字壓力傳感器+AVR單片機(jī)Mega128的主要架構(gòu)組成。采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力傳感器工作的模式?；贛EMS技術(shù)的SSC系列數(shù)字壓力傳感器，內(nèi)部集成了差壓傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)選擇器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。相對(duì)于以前的模擬信號(hào)輸出產(chǎn)品，減少了信號(hào)放大等電路，同時(shí)也節(jié)省了標(biāo)定環(huán)節(jié)的時(shí)間和資金。亦可根據(jù)需要選擇A/D轉(zhuǎn)換器采樣頻率用以控制壓力/溫度輸出的有效位精度，從而提高測(cè)量精度。且具有體積小，低功耗，高分辨率和高響應(yīng)速度等特點(diǎn)。差壓傳感器的壓力測(cè)量范圍為±50 mbar，壓力測(cè)量分辨率0.01 mbar，溫度測(cè)量范圍-20～85 ℃。由于該壓力傳感器基于壓阻式硅，其輸出電壓強(qiáng)烈依賴溫度和處理公差，所以有必要對(duì)其進(jìn)行必要的溫度補(bǔ)償[20-22]。當(dāng)用于諸如橋梁荷載試驗(yàn)期間的主梁撓度測(cè)量等短期測(cè)量時(shí)，可認(rèn)為環(huán)境溫度恒定，此時(shí)可略去此影響。

2.2 測(cè)試模塊的實(shí)現(xiàn)

SSC系列數(shù)字壓力傳感器內(nèi)部沒有控制器，故采用Atmegal6L微控制器+數(shù)字壓力傳感器的架構(gòu)完成差壓位移測(cè)試模塊設(shè)計(jì)，其組成如圖3。

圖3 位移測(cè)試模塊組成

本設(shè)計(jì)采用SSC系列數(shù)字I2C輸出壓力傳感器，數(shù)字分辨率12 bits。傳感器對(duì)外提供4個(gè)引腳，與MCU電路接口如圖4。

圖4 傳感器接口電路

傳感器測(cè)量值的對(duì)外輸出采用RS485接口模式，使用Atmega16L內(nèi)部集成的UART收發(fā)器與上位機(jī)進(jìn)行半雙工通信，通訊波特率9 600 Bps。MCU電路設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 MCU電路設(shè)計(jì)

MCU電路芯片選用ATMEL公司的微控制器，直流電源電壓范圍為+2.7～+5.5 V，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3.3 V供電。MCU電源電路輸入電壓為電池電源管理電路的輸出電壓，隨著鋰電池工作時(shí)間的增加輸出電壓減小，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換來滿足MCU的電源需求。電壓轉(zhuǎn)換芯片選用TPS62056同步脈寬調(diào)制(PWM)降壓電壓轉(zhuǎn)換器。同步校正電路減少了外圍器件，提高了轉(zhuǎn)換效率(>95%)，且可固定輸出1.5，1.8，3.3 V，同時(shí)提供800 mA的驅(qū)動(dòng)電流，能夠滿足整個(gè)MCU電路的電源需求，MCU電源電路設(shè)計(jì)如圖6。

圖6 MCU電源電路設(shè)計(jì)

壓力傳感器、串行接口模塊和無線RF電路模塊需要+5 V電壓供電，因此需要將TPS62056輸出的3.3 V輸出電壓轉(zhuǎn)換為5 V。電源轉(zhuǎn)換芯片在將輸入3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V輸出電壓的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)串行接口和壓力傳感器的電源隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，以保證其長期穩(wěn)定性，電路設(shè)計(jì)如圖7。

圖7 電源轉(zhuǎn)換隔離輸出設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，在傳感器端采用RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)PC端串口為RS232，因此需要在PC端接專用的RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)。本文設(shè)計(jì)采用的串行接口通訊芯片為采用磁耦隔離技術(shù)的強(qiáng)型RS485收發(fā)器ADM2483，其最高傳輸速率500 Kbps。與其它RS485接口芯片相比，集成了磁隔離技術(shù)，僅需要一個(gè)外部的DC/DC電源進(jìn)行電源隔離即可實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定工作，串行接口電路設(shè)計(jì)如圖8。

圖8 串行接口電路設(shè)計(jì)

3 位移測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

對(duì)基于SSC系列差壓傳感器和單片機(jī)架構(gòu)所設(shè)計(jì)而成的差壓位移測(cè)試模塊，即使差壓傳感器本身在出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行較準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，由于焊接工藝等因素的影響，每個(gè)模塊在使用過程中測(cè)量出來的位移、溫度信息也會(huì)存在一定的偏差，因此在使用該模塊之前需進(jìn)行有效校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的方式是將每個(gè)模塊都放在同一地點(diǎn)進(jìn)行差壓值測(cè)量，在一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量值相等，既可認(rèn)為這些模塊已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)，校準(zhǔn)可以提高該模塊測(cè)量精度，因此對(duì)模塊的校準(zhǔn)是其實(shí)際應(yīng)用中的重要一步。對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性的檢測(cè)，通常通過較長時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試得到。同時(shí)，在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行了溫度適應(yīng)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證該技術(shù)及其設(shè)備是否滿足工程實(shí)際中工作溫度的要求。

位移測(cè)試系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)在GP/GDS010型高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行，試驗(yàn)采集時(shí)間間隔10 s，試驗(yàn)溫差變化為：試驗(yàn)時(shí)的大氣溫度→-20 ℃→55 ℃→-20 ℃→55 ℃→-20 ℃→大氣溫度，即：試驗(yàn)溫度區(qū)間-20～55 ℃，每級(jí)10 ℃，變化時(shí)間10 min，穩(wěn)定時(shí)間10 min，最后溫度緩變過程為關(guān)閉溫控箱后的自然升溫過程。試驗(yàn)結(jié)果如圖9。

圖9 位移測(cè)試系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)結(jié)果曲線

由圖9可知，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)可正常工作，溫度循環(huán)過程中系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。能滿足橋梁、隧道及路基等結(jié)構(gòu)的日常檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中豎向位移的測(cè)量需求。

在自然環(huán)境的溫度場(chǎng)中完成穩(wěn)定性測(cè)試，傳感器空載(測(cè)試期間差壓傳感器兩端口氣壓始終相同)，數(shù)據(jù)采用自動(dòng)采集方式(PC采集)，采集周期10 s。圖10、圖11是3臺(tái)模塊處于同一環(huán)境下的測(cè)量結(jié)果，其中圖10的測(cè)試時(shí)間為24 h，圖11的測(cè)試時(shí)間為3 d。為了減小結(jié)果輸出的波動(dòng)范圍，提高差壓測(cè)試的精確度，筆者采用的移動(dòng)平均濾波器避免噪音的方法，可利用軟件算法模擬硬件濾波功能，減少了硬件成本。

由圖10和圖11可知：24 h的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，濾波后1號(hào)模塊變化范圍[-0.13,0.15] mm，標(biāo)準(zhǔn)差0.059；2號(hào)模塊變化范圍[-0.02,-0.26]mm，標(biāo)準(zhǔn)差0.047；3號(hào)模塊變化范圍[-0.15,-0.25]mm，標(biāo)準(zhǔn)差0.114。在3 d的測(cè)量時(shí)間內(nèi)且未作濾波處理，1號(hào)～3號(hào)模塊變化范圍均為[-0.5,0.5]mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.172，0.159，0.184。即：3臺(tái)模塊均表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)一致性，且足以分辨一般結(jié)構(gòu)的亞毫米級(jí)豎向位移，進(jìn)行濾波處理后的測(cè)試精度不低于0.3 mm，能滿足橋梁、隧道及路基等結(jié)構(gòu)的日常檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中豎向位移的測(cè)量需求。

圖10 室內(nèi)測(cè)試位移值解算穩(wěn)定性示意(24 h內(nèi))

圖11 室內(nèi)測(cè)試位移值解算穩(wěn)定性示意(3 d內(nèi))

4 位移測(cè)試系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)

差壓連通管位移測(cè)試系統(tǒng)(Differential Pressure Connecting Pipe Displacement Monitoring System，簡稱DPCPS)的可靠性系指其對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移的分辨清晰度和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

試驗(yàn)采用分辨率為0.01 mbar的工業(yè)級(jí)差壓傳感芯片，測(cè)量范圍為±50 mbar。將系統(tǒng)中的基準(zhǔn)端安置于可豎向移動(dòng)的平臺(tái)上。試驗(yàn)中的平臺(tái)高度依次變化，每移動(dòng)一次，百分表讀數(shù)一次，該位移測(cè)試傳感器在移動(dòng)過程中為自動(dòng)采集，每0.5 s采集一次。試驗(yàn)布置如圖12，試驗(yàn)結(jié)果見圖13、表2。

圖12 試驗(yàn)布置

圖13 平臺(tái)移動(dòng)過程中豎向位移傳感器測(cè)量值

表2 可靠性試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表2)

序號(hào)百分表/mm測(cè)量結(jié)果/mm絕對(duì)誤差/mm相對(duì)誤差/%720．0220．00．020．10825．0125．00．010．04930．0230．00．020．071035．0435．00．040．111140．0340．00．030．081245．0345．00．030．07

由圖13、表2可知：差壓連通管位移測(cè)試系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)豎向移動(dòng)的位移分辨率較高，優(yōu)于0.1 mm，靈敏度較高，且不受室內(nèi)氣壓、氣流的隨機(jī)及突然變動(dòng)等因素的影響。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)可靠性良好，能滿足豎向位移監(jiān)測(cè)測(cè)量的要求。在測(cè)量點(diǎn)的部分高度位置存在一定的誤差，且這些誤差呈非線性，最大絕對(duì)誤差為0.04 mm，最大相對(duì)誤差0.20%。主要由于系統(tǒng)中管道粗糙度、液體黏性及空氣的存在，導(dǎo)致部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了不可逆的液體及空氣的分子內(nèi)能。可通過試驗(yàn)室試驗(yàn)預(yù)先定量求解出管道粗糙度、液體黏性及空氣含量的影響值，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果修正。

5 在橋梁撓度測(cè)量中的應(yīng)用

依托工程(如圖14)為主跨76 m鋼筋混凝土下承式系桿拱橋，拱肋矢高16 m，橋?qū)?.5 m。

圖14 工程實(shí)例(混凝土拱橋)概貌

靜載采用2臺(tái)25 t四軸汽車加載，橫橋向采用對(duì)稱加載，位置選擇主梁的四分點(diǎn)位置，撓度測(cè)點(diǎn)為主梁八分點(diǎn)位置，傳感器及采集設(shè)備如圖15。

圖15 靜載試驗(yàn)橋面撓度測(cè)量傳感器布置及采集設(shè)備

由于加載時(shí)沿橋面寬度方向汽車幾乎占滿，為避免水準(zhǔn)儀測(cè)試時(shí)的水準(zhǔn)尺與鏡頭之間視線受車輛遮擋引起的測(cè)試不便，故該橋主梁撓度測(cè)試選用文中前述方法，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)前完成各連通管液體灌注，布設(shè)時(shí)采用單連通“U”型管并聯(lián)式〔圖2(a)〕有效避免了接力式(類似于水準(zhǔn)儀的轉(zhuǎn)站)測(cè)量時(shí)的誤差累積，同時(shí)將其傳感器、管路及電纜均放置于橋面上靠近護(hù)欄處，測(cè)試結(jié)束后收回測(cè)試設(shè)備以備下次繼續(xù)使用。上下游的數(shù)據(jù)傳輸均采用RS485總線，然后通過TD1204串口集線器連接至PC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與處理，連續(xù)采集頻率0.2 Hz，荷載試驗(yàn)時(shí)長約4 h(23:00至次日凌晨03:00)。精密水準(zhǔn)儀測(cè)試?yán)碚撟畲鬁y(cè)點(diǎn)的撓度以進(jìn)行對(duì)比與校核，測(cè)試結(jié)果如圖16，對(duì)比結(jié)果見表3，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值吻合較好，對(duì)亞毫米級(jí)變形實(shí)現(xiàn)了有效測(cè)量，且不受視線情況(如遮擋、雨霧等)的限制。

圖16 靜載試驗(yàn)橋面撓度測(cè)量結(jié)果及理論值對(duì)比(分兩級(jí)加載)

表3 兩種測(cè)量方法對(duì)比結(jié)果

除上述荷載試驗(yàn)等短期測(cè)量外，該系統(tǒng)也可應(yīng)用于橋梁主梁在隨機(jī)車輛荷載作用下的線形變化及測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線，以某大跨度斜拉橋?yàn)槔?，其測(cè)點(diǎn)位移的50 h監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖17(a)，某時(shí)刻的主梁線形如圖17(b)，測(cè)試結(jié)果真實(shí)的反映了結(jié)構(gòu)豎向位移的變化。

圖17 主梁在隨機(jī)車輛荷載作用下的線形及測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線

6 結(jié) 論

1)集成基于MEMS技術(shù)的SSC系列數(shù)字差壓傳感器、AVR單片機(jī)和連通管技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)量系統(tǒng)并在橋梁工程撓度測(cè)試中得到了應(yīng)用。

2)24 h和3 d穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，長期測(cè)試精度≮0.3 mm。

3)已有高低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，在-20～55 ℃溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)具有較好的測(cè)試穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

4)室內(nèi)可靠性試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)靈敏度較高，對(duì)位移分辨率優(yōu)于0.1 mm，且不受室內(nèi)氣壓、氣流的改變等因素的影響；與百分表對(duì)比，其最大絕對(duì)誤差為0.04 mm，最大相對(duì)誤差0.20%。

5)結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可在線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)量，且具有布設(shè)便捷、成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足諸如橋梁撓度、路基沉降等結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)量需求，具有很好的工程適用性，為結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)量提供了一種新方法。

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Digital Pressure Sensor and Its Application for Vertical Displacement Measurement Based on MEMS

Zhu Shifeng, Zhou Zhixiang, Wu Haijun

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

A vertical displacement sensor based on MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) and connecting pipe technology was developed for convenience, high-precision, real-time remote monitoring of the vertical displacement. Measurement principle of closed differential pressure connecting pipe displacement was elaborated and the test module was realized. The application performance of closed differential pressure connecting pipe displacement sensor was mainly analyzed from the view of stability and reliability. Initial experiment results show that the resolution of this sensor is higher than 0.1 mm in vertical displacement measurement; the sensitivity is relatively high, with long-term stability 0.3 mm. The daily need for displacement monitoring and measurement is met. It has been successfully applied in bridge deflection measurement of the bridge static load test, which shows that the system has many advantages such as real-time monitoring, low implementation cost, easy to be operated and so on.

bridge engineering;MEMS vertical displacement sensor system; closed differential pressure connecting pipe; vertical displacement measurement

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.04

2014-06-28；

2014-09-05

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB723300)

朱世峰(1983—)，男，安徽宿州人，博士研究生，主要從事橋梁新材料、新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)方面的研究。E-mail：zhushifeng_jtu@sina.cn。

U446；TP212.9

A

1674-0696(2015)04-020-08