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摘要：本文分析了橋梁工程施工監(jiān)測、健康監(jiān)測、荷載試驗監(jiān)測中廣泛使用的三種傳感器，對三種傳感器的特點及各自的運用進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：橋梁；電阻應(yīng)變片；振弦式應(yīng)變計；光纖光柵應(yīng)變傳感器

1、引言

橋梁構(gòu)件應(yīng)力與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，應(yīng)力測試至關(guān)重要。通過測量應(yīng)變再利用彈性模量換算為應(yīng)力，這一種方式應(yīng)用普遍，應(yīng)變測試技術(shù)作為橋梁結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測、健康監(jiān)測、荷載試驗的手段，在橋梁工程中使用最多的應(yīng)變傳感技術(shù)是電阻應(yīng)變片、振弦弦應(yīng)變計和光纖光柵應(yīng)變計。

2、電阻應(yīng)變片運用評述

電阻應(yīng)變片（見圖1）測試應(yīng)變的原理是應(yīng)用電阻絲的電阻值隨金屬絲的變形而變化的關(guān)系，及金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，將力學(xué)參數(shù)（壓力、荷載、位移、應(yīng)力或應(yīng)變）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電學(xué)參數(shù)。測量應(yīng)變時將應(yīng)變片用粘貼劑粘貼在試件上，試件受荷載作用產(chǎn)生變形，金屬絲隨著發(fā)生變形，應(yīng)變片的電阻值也就發(fā)生變化。按應(yīng)變片的敏感柵的不同分為絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片等。三種應(yīng)變片中，絲式應(yīng)變片由于橫向效應(yīng)較大已遭淘汰，半導(dǎo)體式應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成，靈敏度高，輸出信號不用放大就可直接測量，其缺點在于溫度系數(shù)大、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、非線性大等，所以在工程中也較少使用。目前，利用照相制版或光刻腐蝕技術(shù)制成的箔式應(yīng)變片最為常用，其優(yōu)點在于散熱能力好，零點漂移小、允許通過較大電流，有利于提高測量靈敏度。

圖1 應(yīng)變片的基本構(gòu)造

電阻應(yīng)變片是專門針對結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的儀器，和電阻應(yīng)變儀配套使用，與其相應(yīng)的各種結(jié)構(gòu)試驗及施工測試方法工藝非常成熟，針對大型結(jié)構(gòu)測點多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊要求，開發(fā)了數(shù)十、上百路的多通道應(yīng)變尋檢儀。但是應(yīng)變片由于其原理的制約，輸出信號極為微弱，極易受引線長度及連接質(zhì)量、環(huán)境溫度及電磁場等內(nèi)外界因素的影響，給其后續(xù)應(yīng)變測量儀的信號處理留下了許多隱患，使得應(yīng)變測量儀的現(xiàn)場標(biāo)定、漂移抑制、調(diào)零成了困擾工程測量界的幾大難題。特別是用于大型結(jié)構(gòu)中的多路應(yīng)變測量儀，每次測量時都需要對其每一路進(jìn)行調(diào)零、校正、標(biāo)定，不但儀器十分復(fù)雜、昂貴，而且操作繁瑣、困難，應(yīng)變片測量精度及長期可靠性始終不能令人滿意，一般僅用于施工及驗收時作參考，基本上是不能用于時間較長的施工監(jiān)測。由于橋梁荷載試驗對于應(yīng)變傳感器耐久性、長期穩(wěn)定性要求不高，基本上為一次性使用，測量后又省去回收的麻煩，且電阻應(yīng)變片價格低廉，所以在荷載試驗中大量使用。

3、振弦式應(yīng)變計運用評述

圖2 振弦式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

振弦傳感器工作原理是鋼弦振動（見圖2）[1～3]，以振弦頻率的變化量來表征受力的大小，輸出信號是頻率信號，不存在應(yīng)變片現(xiàn)場標(biāo)定、信號漂移、遠(yuǎn)距傳輸、長期使用等問題，魯棒性好，耐久性與穩(wěn)定性上遠(yuǎn)超應(yīng)變片，是目前橋梁施工監(jiān)控中主流的使用產(chǎn)品。振弦傳感器的壽命，需要從兩個方面加以說明，一方面是儀器自身的因素，振弦傳感器在制造上由鋼弦、彈性變形外殼、緊固夾頭、激振和接受線圈等組成，應(yīng)變計的每一零件及相互間的組裝連接都會對壽命產(chǎn)生影響，不同的生產(chǎn)廠家在原材料的選擇以及生產(chǎn)制造工藝上各有不同，例如鋼弦應(yīng)變計內(nèi)部的鋼弦一般是通過螺釘緊固在傳感器基座上，長期使用中會逐漸松弛而導(dǎo)致失效，因此這種鋼弦應(yīng)變計的壽命一般都在一年左右，然而國外十年之前即已采用焊接方法固定鋼弦的工藝，可使傳感器的壽命延長到十余年以上，但其價格為國產(chǎn)傳感器的數(shù)倍。

另一方面，外界因素如溫度變化引起的儀器各零部件的溫度起伏伸縮變化，以及伸縮系數(shù)不同導(dǎo)致伸縮差異，必然會使傳感器逐步老化、性能降低、最終失效；在使用上使用次數(shù)多，過頻的振動也會加快鋼弦自身的疲勞松弛。傳感器的壽命就在于其內(nèi)在品質(zhì)如各種材料材質(zhì)及組裝連接工藝等抵抗外界因素作用的能力。所以鋼弦傳感器的壽命不能一概而論。我國水電系統(tǒng)對于振弦式傳感器使用較多，應(yīng)用最為成熟，發(fā)布了關(guān)于振弦式應(yīng)變計、振弦式測縫計等的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。《土工試驗儀器巖土工程儀器振弦式傳感器通用技術(shù)條件》就規(guī)定短期使用的傳感器平均壽命應(yīng)不小于10 000h，長期使用的傳感器平均壽命應(yīng)不小于40 000h，對于穩(wěn)定性、絕緣性能、溫度影響等也有相關(guān)規(guī)定。可見當(dāng)前的振弦式傳感器的壽命一般都能達(dá)到一年以上，即是可靠性、穩(wěn)定性也能保持一年以上。

4、光纖光柵傳感器運用評述

光纖光柵[4、5]是纖芯折射率沿軸向周期性分布的波長調(diào)制型傳感器（見圖3），空間周期小于1μm的亦稱為光纖布拉格光柵（FBG），當(dāng)多種波長的光束由光纖內(nèi)入射到光纖光柵上時，只有一個波長被光纖光柵反射、使其沿原路返回，其余所有波長的光都無損失地穿過光纖光柵繼續(xù)向前傳輸見圖3。被光纖光柵反射的那一個波長稱為布拉格波長它由光纖光柵的柵距及有效折射率n決定。

圖3 光纖光柵傳感器原理

當(dāng)光纖光柵受外界影響，柵距或有效折射率n產(chǎn)生變化時，被光纖光柵反射的布拉格波長易產(chǎn)生相應(yīng)的變化；如果將FBG埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或溫度都會引起光纖光柵反射波長的變化，因此可以通過監(jiān)測其反射波長、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與溫度監(jiān)測。更為重要的是將幾只不同波長的光纖光柵串聯(lián)在同一根光纖上時，各個光纖光柵只反射它自己的布拉格波長，彼此之間互不干擾，因此可以方便地用一個波長檢測系統(tǒng)同時檢測這幾個光纖光柵的反射波長變化，從而實現(xiàn)光纖光柵傳感器的多傳感復(fù)用，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變參量的準(zhǔn)分布測量。光纖光柵傳感器由于其優(yōu)異的耐久性、穩(wěn)定性等性能，廣泛用于橋梁施工監(jiān)測中。

光纖光柵傳感器具有多只串聯(lián)在同一根光纖上的能力，故傳感器數(shù)量增加時，只要數(shù)量沒有超過極限數(shù)（一般6～8只）監(jiān)測成本只略微增加，因此比較適合大規(guī)模監(jiān)測、動態(tài)監(jiān)測。但由于它本身不但對應(yīng)變敏感、對溫度更敏感，因此必須進(jìn)行溫度補償。

5、結(jié)束語

電阻應(yīng)變片由于其耐久性、穩(wěn)定性、可靠性極差，只能用于施工、成橋驗收或荷載試驗中，基本上不用于結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測中。

振弦式傳感器，壽命一般能達(dá)到一年以上，價格低廉，受到用戶青睞，是施工監(jiān)測中應(yīng)變測試最為廣泛使用的工程儀器。

光纖光柵傳感器較傳統(tǒng)傳感器具有較多的技術(shù)優(yōu)勢，該傳感器一般用于重要結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中。

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