張龍龍，鐘山

（江西省公路工程檢測(cè)中心，江西 南昌 330013）

0 引言

振弦式壓力傳感器因基于鋼弦頻率隨鋼弦張力變化而變化的工作原理，而對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)較為適用，通過(guò)鋼弦傳感器輸出建筑結(jié)構(gòu)相應(yīng)的頻率信號(hào)，該壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、受溫度影響小、對(duì)電纜要求低、零漂小、性能穩(wěn)定等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有利于遠(yuǎn)距離傳輸及遠(yuǎn)程測(cè)量，且測(cè)試效果較好，因此在土木工程、隧道橋梁、水庫(kù)大壩等工作環(huán)境惡劣且技術(shù)要求高的工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 振弦式壓力傳感器工作原理

根據(jù)激振及讀數(shù)技術(shù)的不同，振弦式壓力傳感器主要分為撥振和自動(dòng)諧振兩種。撥振方式下，通過(guò)將電磁線(xiàn)圈置于鋼弦之間，作為激勵(lì)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈接收到兩芯導(dǎo)線(xiàn)所傳入的電子脈沖信號(hào)后使磁場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而促使鋼弦以諧振頻率發(fā)生振動(dòng)。鋼弦因張力不同而其諧振頻率也不盡相同，線(xiàn)圈接收到鋼弦切割磁力線(xiàn)的頻率后將其通過(guò)線(xiàn)纜傳輸至讀數(shù)裝置。由讀數(shù)裝置通過(guò)高頻石英計(jì)時(shí)器進(jìn)行振頻的準(zhǔn)確測(cè)定，以便在毫微秒時(shí)間內(nèi)顯示出0.1微應(yīng)變級(jí)重復(fù)分辨率[1]。而自動(dòng)諧振方式通常使用兩個(gè)獨(dú)立線(xiàn)圈，分別用作激勵(lì)線(xiàn)圈和感應(yīng)線(xiàn)圈，用于激勵(lì)鋼弦以其諧振頻率振動(dòng)以及感應(yīng)鋼弦的振動(dòng)。

撥振壓力傳感器電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，傳感器可靠性及抵御惡劣環(huán)境性能更為優(yōu)秀，儀器體積也更小，僅需要兩芯電纜即可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故整體費(fèi)用也更低。由于當(dāng)前單線(xiàn)圈連續(xù)激振技術(shù)已經(jīng)獲得突破，因此雙線(xiàn)圈自動(dòng)諧振方式的應(yīng)用越來(lái)越少見(jiàn)。

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

振弦式壓力傳感器主要憑借機(jī)械振弦原理，儀器靈敏度及測(cè)量結(jié)果精度高，測(cè)量過(guò)程受環(huán)境溫度的影響較小，且零點(diǎn)穩(wěn)定不變，初始輸出值即為頻率值，在數(shù)據(jù)信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中受干擾小，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)索力監(jiān)測(cè)及運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)均較為適用。在振弦式壓力傳感器中有內(nèi)置存儲(chǔ)芯片，主要存儲(chǔ)儀器型號(hào)、標(biāo)定系數(shù)及編號(hào)等，通過(guò)其與配套讀數(shù)儀的聯(lián)測(cè)，還能存儲(chǔ)儀器工作溫度、運(yùn)行環(huán)境溫度、壓力、應(yīng)變等測(cè)量參數(shù)。當(dāng)前，普遍使用的FWC-2000 型振弦式壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 振弦式壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.2 工作原理

振弦式傳感器主要進(jìn)行駐波頻率最小值的測(cè)量，其實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的電氣測(cè)量方案具體見(jiàn)圖1，該方案通過(guò)引入線(xiàn)圈以使傳感器同時(shí)具備激振和拾振功能。恰當(dāng)?shù)叵蚓€(xiàn)圈中通入電流，引發(fā)振弦強(qiáng)振并形成駐波，此即為激振過(guò)程。激振結(jié)束后將線(xiàn)圈供電切斷，并將線(xiàn)圈與測(cè)試電路連接，借助線(xiàn)圈內(nèi)感應(yīng)電勢(shì)得出振弦固有頻率，此即為拾振過(guò)程。

圖1 間歇激振原理

1.2.1 激振方式

間歇激振和連續(xù)激振均為常見(jiàn)的激振方式，間歇激振原理可通過(guò)圖1 加以說(shuō)明。激勵(lì)脈沖通過(guò)張弛振蕩器發(fā)出，以便控制繼電器斷開(kāi)/吸合，所產(chǎn)生的交變磁力將促使振弦強(qiáng)迫振動(dòng)并激發(fā)駐波。連續(xù)激振還可以進(jìn)一步分為電磁法和電流法兩種，其中電流法將磁場(chǎng)中的振弦視為振蕩電路的重要組成部分，對(duì)振弦輸入電流后，振弦會(huì)在洛倫磁力的影響下發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而輸出含有固定頻率的信號(hào)，放大后可進(jìn)行電路測(cè)量。這一過(guò)程也具有明顯的缺點(diǎn)：首先，振弦連續(xù)通電后會(huì)引發(fā)彈性模量、弦長(zhǎng)、溫度等物理參數(shù)改變，影響測(cè)值的準(zhǔn)確性；其次，振弦持續(xù)激振作用也不利于振動(dòng)器使用壽命的延長(zhǎng)。

根據(jù)電磁法連續(xù)激振方式作用原理（見(jiàn)圖2），感應(yīng)電勢(shì)由拾振線(xiàn)圈產(chǎn)生后經(jīng)由放大器放大處理，再回送至激振線(xiàn)圈得到能量補(bǔ)充，以使振弦維持固有頻率振動(dòng)。這種作用方式也具有明顯缺陷：雙線(xiàn)圈激振所對(duì)應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；輸出形成閉環(huán)后使高頻電磁干擾振蕩發(fā)生的可能性增加，可靠性也因此受到影響。

圖2 電磁法連續(xù)激振方式作用原理

1.2.2 拾振方式

感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)由前置放大電路以及有源低通濾波電路后信號(hào)得到放大，且高頻雜波得以剔除，再經(jīng)過(guò)零比較器處理后便得到頻率標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，最后的固有頻率振弦顯示于頻率計(jì)數(shù)器端。

1.2.3 壓力傳感器工作原理

張緊的鋼弦是振弦式壓力傳感器的敏感元件，鋼弦與傳感器受力部件固定連接，并通過(guò)鋼弦自振頻率及所承受的外力進(jìn)行物理量的測(cè)量。振弦式壓力傳感器工作原理具體見(jiàn)圖3，傳感器的鋼弦其實(shí)就是一根張緊的鋼絲，設(shè)置在電磁鐵中，其上端固定在支承上，下端連接可動(dòng)部件；當(dāng)可動(dòng)部件受到靜態(tài)張力的作用后鋼弦便會(huì)張緊。當(dāng)向電磁線(xiàn)圈兩端施加脈沖電流時(shí)，純鐵片便會(huì)在電磁力的作用下帶動(dòng)金屬絲發(fā)生共振。

圖3 振弦式壓力傳感器工作原理

在采用振弦式壓力傳感器進(jìn)行橋梁索力監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，主要根據(jù)橋梁實(shí)際承受荷載情況，將2～6個(gè)高精度振弦式壓力傳感器均勻布置在橋梁四周，并將儀器核心元件固定于端塊間鋼弦之上，張緊鋼弦后測(cè)量鋼弦頻率、張力、應(yīng)變的量。鋼弦振頻和張力間存在的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)式（1）：

式中：f為張緊后鋼弦的自振頻率（Hz）；T為鋼弦實(shí)際張力（kN/m）；L為鋼弦長(zhǎng)（m）；m為鋼弦實(shí)際質(zhì)量（kg/m）。

結(jié)合類(lèi)似工程監(jiān)測(cè)實(shí)踐，振弦式壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性受到諸多因素影響，為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須采取有效措施來(lái)控制因溫度、應(yīng)變等變化而引發(fā)的鋼弦徐變、結(jié)構(gòu)腐蝕，確保其設(shè)計(jì)的科學(xué)性，避免其長(zhǎng)期漂移。振弦式壓力傳感器通常用于錨索壓力傳感器上所作用的總荷載測(cè)量，還能用于測(cè)量不均勻荷載、偏心荷載等。通過(guò)在振弦式壓力傳感器結(jié)構(gòu)中的內(nèi)置溫度傳感器，還能實(shí)現(xiàn)索力溫度對(duì)應(yīng)變結(jié)果補(bǔ)償程度的監(jiān)測(cè)。

經(jīng)由振弦式壓力傳感器直接輸出的是若干個(gè)鋼弦的頻率，為得到具體的索力監(jiān)測(cè)結(jié)果，還必須通過(guò)式（2）進(jìn)行換算：

式中：F為壓力值；k為鋼弦?guī)l系數(shù)，取8.421×10-4，其他參數(shù)含義同前。

由于當(dāng)前振弦式壓力傳感器芯片大多內(nèi)置，可以進(jìn)行壓力值的直接換算，所以讀數(shù)儀所讀取的應(yīng)變和壓力值也就是換算后的最終結(jié)果。振弦式壓力傳感器內(nèi)置溫度傳感器后可自動(dòng)修正并保存溫度調(diào)整系數(shù)，其所提供的最終監(jiān)測(cè)結(jié)果也為自動(dòng)排除溫度影響后的結(jié)果；相反，若振弦式壓力傳感器并無(wú)內(nèi)置溫度傳感器，則還應(yīng)對(duì)溫度影響因素進(jìn)行人工處理。

2 振弦式壓力傳感器在橋梁索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某跨河主橋按照復(fù)合式上承拱橋設(shè)計(jì)，為保證拱腳處水平推力的平衡性，在柱墩處設(shè)置大型群樁基礎(chǔ)，并在橋梁上部箱梁中增設(shè)PES-Φ7-139 型高強(qiáng)鍍鋅鋼絲拉索貫穿全橋，鋼絲拉索兩頭分別錨固于邊跨端橫梁位置。每幅橋設(shè)置12 根拉索，全橋共設(shè)置48套拉索，根據(jù)實(shí)際張拉溫度將每根鍍鋅鋼絲拉索的張拉力嚴(yán)格控制在3 800～3 900kN 范圍內(nèi)；為進(jìn)行鋼絲拉索實(shí)際張拉控制力以及橋梁實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，在每三根拉索中增設(shè)1 個(gè)振弦壓力傳感器?？紤]到全橋系桿均置于箱梁底板桿支架處，為避免系桿線(xiàn)形出現(xiàn)誤差，必須進(jìn)行其支架橫縱向的準(zhǔn)確定位，將其橫縱向誤差分別控制在1cm 及5cm 以?xún)?nèi)。在穿繞鋼絲拉索時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)拉索錨頭的保護(hù)，避免損壞、變形。

橋梁施工時(shí)其拉索索力調(diào)整應(yīng)嚴(yán)格遵循分批、對(duì)稱(chēng)及逐級(jí)張拉原則，因該上承式拱橋所布置拉索數(shù)較多，故張拉施工應(yīng)按4根/批的數(shù)量分批次進(jìn)行，且張拉力逐級(jí)遞增，前三批拉索分級(jí)循環(huán)張拉，并在每次張拉結(jié)束后復(fù)測(cè)拉索實(shí)際索力。為保證拉索張拉力控制效率以及設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力效果，應(yīng)實(shí)行振弦式壓力傳感器和千斤頂油表聯(lián)測(cè)。一旦振弦式壓力傳感器讀數(shù)所顯示的壓力值和千斤頂油表顯示壓力值之差超出5%，則應(yīng)立即暫停張拉，盡快查明原因，重新調(diào)整索力后重新恢復(fù)張拉。

2.2 影響索力的因素

橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)在大氣溫度、混凝土收縮徐變、拉索鋼絲松弛等的綜合作用下沿縱橋向發(fā)生形變，橋梁內(nèi)部拉索伸長(zhǎng)量也會(huì)隨之改變，考慮到拉索變形屬于彈性變形，故其索力也必將表現(xiàn)出不同程度的變化。橋梁鋼筋混凝土梁體和拉索具有不同的溫度變化，為此必須在理論計(jì)算與索力監(jiān)測(cè)結(jié)果相結(jié)合的基礎(chǔ)上，將張拉時(shí)的溫度設(shè)定為基準(zhǔn)溫度。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及廠(chǎng)家所提供的資料數(shù)據(jù)，拉索溫度每變動(dòng)1℃，則長(zhǎng)度為180m 的拉索索力將變動(dòng)7～10kN[2]。為避免出廠(chǎng)后的成品拉索因拉動(dòng)而松弛，拉索在出廠(chǎng)時(shí)均進(jìn)行了超張拉處理，然而，即使是進(jìn)行了超張拉處理的拉索，其往往也會(huì)表現(xiàn)出1%～2.5%的松弛率，所以必須考慮長(zhǎng)度180m 拉索可能發(fā)生的松弛情況?？傊瑯蛄豪魉髁σ蚴苤T多因素的影響而始終處于變化過(guò)程中，應(yīng)用振弦式壓力傳感器進(jìn)行橋梁拉索索力監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)索力超出許可范圍，必須采取有效措施調(diào)整拉索索力，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全性。

2.3 振弦式壓力傳感器標(biāo)定

在安裝振弦式壓力傳感器以及張拉千斤頂前必須標(biāo)定，且標(biāo)定結(jié)果完全符合相關(guān)規(guī)范要求才能使用。本橋梁工程所使用的振弦式壓力傳感器在出廠(chǎng)前均已通過(guò)相應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)且標(biāo)定合格，在施工開(kāi)始前，從16 個(gè)壓力環(huán)中隨機(jī)抽出2 個(gè)送交相應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)再次檢驗(yàn)和標(biāo)定。使用0.5～20MN 型基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)，該儀器使用溫度范圍為±18℃，配套JMZX-2008型綜合測(cè)試指示儀表。

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

針對(duì)得到的該橋梁主橋上行線(xiàn)所設(shè)置的4 個(gè)振弦式壓力傳感器壓力環(huán)數(shù)值，進(jìn)行鋼絲拉索張拉施工過(guò)程中油壓千斤頂油表讀數(shù)和振弦式壓力傳感器讀數(shù)的比較。通過(guò)比較，兩種索力監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差均控制在5%以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的10%，表明振弦式壓力傳感器所得出的橋梁索力監(jiān)測(cè)結(jié)果較為可靠[3]。

振弦式壓力傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確程度直接決定著橋梁工程運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性，為此，在進(jìn)行該儀器安裝時(shí)必須嚴(yán)格按照規(guī)范，并在監(jiān)測(cè)相應(yīng)時(shí)間后進(jìn)行必要的維護(hù)。本橋梁工程在壓力傳感器安裝的過(guò)程中，待電纜從儀器伸出后均牢固固定于相應(yīng)結(jié)構(gòu)，確保電纜其余段不受人員觸碰等偶然因素的影響；儀器及光纜接頭均具備防水功能。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，振弦式壓力傳感器可以在橋梁結(jié)構(gòu)日常運(yùn)行過(guò)程中展開(kāi)索力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)索力變化及實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，一旦索力變動(dòng)幅度超出規(guī)范許可范圍，傳感器也會(huì)同時(shí)發(fā)出預(yù)警，以便橋梁管理部門(mén)及時(shí)采取有效措施。結(jié)合橋梁工程實(shí)例對(duì)振弦式壓力傳感器作用原理、結(jié)構(gòu)特征及技術(shù)參數(shù)的分析可以看出，振弦式壓力傳感器在橋梁運(yùn)行過(guò)程中的索力監(jiān)測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠，且儀器工作性能和運(yùn)行的穩(wěn)定性良好，適用于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。