傳感器在橋梁健康監(jiān)測中一直起著非常重要的作用,它不僅制約著健康監(jiān)測的內(nèi)容,而且直接決定了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和工作壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,近年來傳感器發(fā)展快速,一些更加可靠、精確和便宜的新型傳感器的開發(fā)和應(yīng)用,有力地推動了橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展。如: MR 風(fēng)速儀、智能全站儀、光纖傳感器以及以壓電材料、電磁致伸縮材料制成的振動測量傳感器等。目前橋梁工作環(huán)境、動力性能、位移等已成為大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)必選的項目,象香港三橋、錢江四橋、潤揚大橋等較為完備的橋梁監(jiān)測系統(tǒng),其監(jiān)測項目較為完整,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更合理,一些新型傳感器和監(jiān)測方法在這里被逐步采用。面對健康監(jiān)測發(fā)展的新情況,傳感器的選取和優(yōu)化設(shè)計顯得尤其重要。文中將對橋梁監(jiān)測中一些常用及新型傳感器的功能性狀簡要評述。
1、工作環(huán)境監(jiān)測。
橋梁工作環(huán)境監(jiān)測包括:1)車輛荷載,目前基本采用動態(tài)地秤對公路、鐵路荷載進行監(jiān)測。2）風(fēng)速、風(fēng)向、常用MR風(fēng)速儀。3)溫度場、電子溫度計或應(yīng)變式溫度計。4)偶然荷載如地震或船舶撞擊荷載。環(huán)境監(jiān)測目前還在起步階段,對傳感器的要求較低,其傳感器的發(fā)展也相對較慢。
2、振動測量。
振動監(jiān)測中將振動信號轉(zhuǎn)換成便于傳輸、放大和記錄的電信號。目前應(yīng)用最為普遍的為加速度傳感器。常用的有:壓電式、壓阻式、電容式、力平衡式等。后面會著重針對各類常用加速度傳感器進行介紹。下圖為不通原理傳感器外形區(qū)別。
3、位移測量。
對于不同結(jié)構(gòu)形式及規(guī)模(跨徑)的橋梁,其位置及位移測量的設(shè)備有所不同,常規(guī)的有電子測距儀、連通器等。GPS系統(tǒng)曾在香港三橋中被用于位移監(jiān)測,其優(yōu)點是測量不受氣象條件的影響,另外測站之間不要求滿足通視的條件;缺點是設(shè)備的價格較高,另外其定位精度尚不能滿足小跨徑橋梁位移測量的需要。智能全站儀的出現(xiàn)讓位移監(jiān)測在精度、自動化、智能化上得到大幅提升。此外,在纜索承重橋梁中,傾角儀常用于線性測量。
4、拉索索力、吊桿拉力測試。
目前工程上常用的索力測試方法有壓力表測定法、壓力傳感器測定法以及頻率法。前兩種方法一般僅適用于正在張拉的拉索索力測定,很難對已張拉的拉索進行復(fù)測。頻率法是一種成熟的測試方法,根據(jù)索的自振頻率與張拉力之間的關(guān)系來換算出索力。頻率法的精度取決于高靈敏度拾振技術(shù)以及準確的索力、頻率對應(yīng)關(guān)系。
隨著高靈敏度拾振技術(shù)的進步,頻率測量的費用大幅度下降,并且通過拉索垂度、斜度等因素對斜拉索索力測量影響的深入研究,頻率法已經(jīng)能滿足斜拉橋索力測量高精度的要求。一些新型傳感器,如磁彈儀和光纖光柵壓力傳感器也逐步在工程實踐中得到應(yīng)用。
5、應(yīng)變測量
應(yīng)變是某一構(gòu)件長度變化量與原來長度的比值,是一個無量綱量,有許多測量應(yīng)變的方法。目前常用的有電阻式應(yīng)變計和振弦式應(yīng)變計。
電阻式應(yīng)變計利用應(yīng)變片的電阻變化與被測結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變成正比的原理來測量應(yīng)變,其敏感性好,但穩(wěn)定性差,長時間測量會產(chǎn)生漂移,適用于短時間的靜力或動力試驗。
振弦式應(yīng)變計是利用被測結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變與振弦頻率之間的關(guān)系,這種方法穩(wěn)定性好,但由于振弦式應(yīng)變計的尺寸不能做得很小,對應(yīng)力梯度大的部位難以測出某一點的應(yīng)變,適用于靜態(tài)應(yīng)變或應(yīng)變變化較慢的長期監(jiān)測。
6、幾種新型傳感器
1)光纖傳感器。按照是否對所測量的信號進行調(diào)制可分為:非本征型和本征型。非本征型光纖不與結(jié)構(gòu)一起變形,只起信號傳輸作用,由另外的裝置對載波光進行強度調(diào)制獲取信號。本征型光纖傳感器不僅傳輸信號,也起傳感作用,即通過光纖自身的光彈效應(yīng)、雙折射效應(yīng)、磁光法拉第效應(yīng)等,把待測量信號調(diào)制為光的相位、偏振或者波長的變化。
2)磁彈儀。目前被較多地應(yīng)用于索力監(jiān)測。磁彈儀及其組件可以直接安裝在索股上,對索股無損傷。該儀器是利用磁通量的變化與拉索應(yīng)力的改變有關(guān)這一特性研制而成的。磁彈儀是一個環(huán)形的裝置,主線圈纏繞在待測索股上，用以感應(yīng)磁通量的變化。磁彈儀技術(shù)先進、安裝方便、實時性好,適用于拉索的長期監(jiān)測,不足之處是對不同的材料必須標定調(diào)試,儀器的抗干擾性和穩(wěn)定性還不夠好。
3)智能全站儀。全站儀通過測出已知坐標(位置)點與被測點之間的距離及三個方向的夾角來確定被測點的位置。該設(shè)備的優(yōu)點是測量精度高、測程遠,適用于不同跨徑的橋梁位移測量,能自動識別目標,該儀器的不足之處是受氣象條件的影響較大,在有霧、下雨的情況下,儀器的測程、測量精度將受到影響。
