禹鹏1 罗浩2
1.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司 贵州省贵阳市 550014；
2.贵州顺康路桥咨询有限公司 贵州省贵阳市 550014
摘要：本文分析了桥梁工程施工监测、健康监测、荷载试验监测中广泛使用的三种传感器，对三种传感器的特点及各自的运用进行论述。
关键词：桥梁；电阻应变片；振弦式应变计；光纤光栅应变传感器
1、引言
桥梁构件应力与结构安全直接相关，应力测试至关重要。通过测量应变再利用弹性模量换算为应力，这一种方式应用普遍，应变测试技术作为桥梁结构施工监测、健康监测、荷载试验的手段，在桥梁工程中使用最多的应变传感技术是电阻应变片、振弦弦应变计和光纤光栅应变计。
2、电阻应变片运用评述
电阻应变片（见图1）测试应变的原理是应用电阻丝的电阻值随金属丝的变形而变化的关系，及金属丝的应变效应，将力学参数（压力、荷载、位移、应力或应变）转换为与之成比例的电学参数。测量应变时将应变片用粘贴剂粘贴在试件上，试件受荷载作用产生变形，金属丝随着发生变形，应变片的电阻值也就发生变化。按应变片的敏感栅的不同分为丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片等。三种应变片中，丝式应变片由于横向效应较大已遭淘汰，半导体式应变片是利用半导体材料的压阻效应制成，灵敏度高，输出信号不用放大就可直接测量，其缺点在于温度系数大、数据稳定性差、非线性大等，所以在工程中也较少使用。目前，利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的箔式应变片最为常用，其优点在于散热能力好，零点漂移小、允许通过较大电流，有利于提高测量灵敏度。
图1 应变片的基本构造
电阻应变片是专门针对结构应变测量的仪器，和电阻应变仪配套使用，与其相应的各种结构试验及施工测试方法工艺非常成熟，针对大型结构测点多、结构复杂的特殊要求，开发了数十、上百路的多通道应变寻检仪。但是应变片由于其原理的制约，输出信号极为微弱，极易受引线长度及连接质量、环境温度及电磁场等内外界因素的影响，给其后续应变测量仪的信号处理留下了许多隐患，使得应变测量仪的现场标定、漂移抑制、调零成了困扰工程测量界的几大难题。特别是用于大型结构中的多路应变测量仪，每次测量时都需要对其每一路进行调零、校正、标定，不但仪器十分复杂、昂贵，而且操作繁琐、困难，应变片测量精度及长期可靠性始终不能令人满意，一般仅用于施工及验收时作参考，基本上是不能用于时间较长的施工监测。由于桥梁荷载试验对于应变传感器耐久性、长期稳定性要求不高，基本上为一次性使用，测量后又省去回收的麻烦，且电阻应变片价格低廉，所以在荷载试验中大量使用。
3、振弦式应变计运用评述
图2 振弦式压力传感器结构
振弦传感器工作原理是钢弦振动（见图2）[1~3]，以振弦频率的变化量来表征受力的大小，输出信号是频率信号，不存在应变片现场标定、信号漂移、远距传输、长期使用等问题，鲁棒性好，耐久性与稳定性上远超应变片，是目前桥梁施工监控中主流的使用产品。振弦传感器的寿命，需要从两个方面加以说明，一方面是仪器自身的因素，振弦传感器在制造上由钢弦、弹性变形外壳、紧固夹头、激振和接受线圈等组成，应变计的每一零件及相互间的组装连接都会对寿命产生影响，不同的生产厂家在原材料的选择以及生产制造工艺上各有不同，例如钢弦应变计内部的钢弦一般是通过螺钉紧固在传感器基座上，长期使用中会逐渐松弛而导致失效，因此这种钢弦应变计的寿命一般都在一年左右，然而国外十年之前即已采用焊接方法固定钢弦的工艺，可使传感器的寿命延长到十余年以上，但其价格为国产传感器的数倍。
另一方面，外界因素如温度变化引起的仪器各零部件的温度起伏伸缩变化，以及伸缩系数不同导致伸缩差异，必然会使传感器逐步老化、性能降低、最终失效；在使用上使用次数多，过频的振动也会加快钢弦自身的疲劳松弛。传感器的寿命就在于其内在品质如各种材料材质及组装连接工艺等抵抗外界因素作用的能力。所以钢弦传感器的寿命不能一概而论。我国水电系统对于振弦式传感器使用较多，应用最为成熟，发布了关于振弦式应变计、振弦式测缝计等的国家及行业标准。《土工试验仪器岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件》就规定短期使用的传感器平均寿命应不小于10 000h，长期使用的传感器平均寿命应不小于40 000h，对于稳定性、绝缘性能、温度影响等也有相关规定。可见当前的振弦式传感器的寿命一般都能达到一年以上，即是可靠性、稳定性也能保持一年以上。
4、光纤光栅传感器运用评述
光纤光栅[4、5]是纤芯折射率沿轴向周期性分布的波长调制型传感器（见图3），空间周期小于1?m的亦称为光纤布拉格光栅（FBG），当多种波长的光束由光纤内入射到光纤光栅上时，只有一个波长被光纤光栅反射、使其沿原路返回，其余所有波长的光都无损失地穿过光纤光栅继续向前传输见图3。被光纤光栅反射的那一个波长称为布拉格波长 它由光纤光栅的栅距 及有效折射率n决定。
图3 光纤光栅传感器原理
当光纤光栅受外界影响，栅距 或有效折射率n产生变化时，被光纤光栅反射的布拉格波长 易产生相应的变化；如果将FBG埋入混凝土结构中，结构的应变或温度都会引起光纤光栅反射波长的变化，因此可以通过监测其反射波长、实现结构的应变与温度监测。更为重要的是将几只不同波长的光纤光栅串联在同一根光纤上时，各个光纤光栅只反射它自己的布拉格波长，彼此之间互不干扰，因此可以方便地用一个波长检测系统同时检测这几个光纤光栅的反射波长变化，从而实现光纤光栅传感器的多传感复用，实现结构应变参量的准分布测量。光纤光栅传感器由于其优异的耐久性、稳定性等性能，广泛用于桥梁施工监测中。
光纤光栅传感器具有多只串联在同一根光纤上的能力，故传感器数量增加时，只要数量没有超过极限数（一般6~8只）监测成本只略微增加，因此比较适合大规模监测、动态监测。但由于它本身不但对应变敏感、对温度更敏感，因此必须进行温度补偿。
5、结束语
电阻应变片由于其耐久性、稳定性、可靠性极差，只能用于施工、成桥验收或荷载试验中，基本上不用于结构施工监测中。
振弦式传感器，寿命一般能达到一年以上，价格低廉，受到用户青睐，是施工监测中应变测试最为广泛使用的工程仪器。
光纤光栅传感器较传统传感器具有较多的技术优势，该传感器一般用于重要结构的监测中。
参考文献：
[1]土工试验仪器岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件（GB/T 13606-2007）[S].北京：中国标准出版社，2007.
[2]白泰礼，邓铁六，谢军等.振弦式传感器的精确数学模型及其应用[J].岩石力学与工程学报.2005.
[3]大坝监测仪器应变计第二部分振弦式应变计（GB/T 3408.2-2008）[S].北京：中国标准出版社，2008.
[4]孙汝蛟.光纤光栅传感技术在桥梁健康监测中的应用研究[D].上海：同济大学，2007.
[5]黄勇林，李杰，开桂云等.光纤光栅的温度补偿[J].光学学报，2003.
论文作者:禹鹏1,罗浩2
论文发表刊物:《基层建设》2015年13期供稿
论文发表时间:2015/12/21
标签：应变论文; 传感器论文; 光栅论文; 光纤论文; 波长论文; 荷载论文; 结构论文; 《基层建设》2015年13期供稿论文;