傳感器在橋梁健康監(jiān)測(cè)中一直起著非常重要的作用,它不僅制約著健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容,而且直接決定了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和工作壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,近年來(lái)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用,有力地推動(dòng)了橋梁健康監(jiān)測(cè)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(dòng)測(cè)量傳感器等。目前橋梁工作環(huán)境、動(dòng)力性能、位移等已成為大多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必選的項(xiàng)目,象香港三橋、錢(qián)江四橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋等較為完備的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(cè)方法在這里被逐步采用。面對(duì)健康監(jiān)測(cè)發(fā)展的新情況,傳感器的選取和優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤其重要。文中將對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)中一些常用及新型傳感器的功能性狀簡(jiǎn)要評(píng)述。
1、工作環(huán)境監(jiān)測(cè)。
橋梁工作環(huán)境監(jiān)測(cè)包括:1)車(chē)輛荷載,目前基本采用動(dòng)態(tài)地秤對(duì)公路、鐵路荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2）風(fēng)速、風(fēng)向、常用MR風(fēng)速儀。3)溫度場(chǎng)、電子溫度計(jì)或應(yīng)變式溫度計(jì)。4)偶然荷載如地震或船舶撞擊荷載。環(huán)境監(jiān)測(cè)目前還在起步階段,對(duì)傳感器的要求較低,其傳感器的發(fā)展也相對(duì)較慢。
2、振動(dòng)測(cè)量。
振動(dòng)監(jiān)測(cè)中將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于傳輸、放大和記錄的電信號(hào)。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(huì)著重針對(duì)各類(lèi)常用加速度傳感器進(jìn)行介紹。下圖為不通原理傳感器外形區(qū)別。
3、位移測(cè)量。
對(duì)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(cè)量的設(shè)備有所不同,常規(guī)的有電子測(cè)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(cè),其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量不受氣象條件的影響,另外測(cè)站之間不要求滿足通視的條件;缺點(diǎn)是設(shè)備的價(jià)格較高,另外其定位精度尚不能滿足小跨徑橋梁位移測(cè)量的需要。智能全站儀的出現(xiàn)讓位移監(jiān)測(cè)在精度、自動(dòng)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(cè)量。
4、拉索索力、吊桿拉力測(cè)試。
目前工程上常用的索力測(cè)試方法有壓力表測(cè)定法、壓力傳感器測(cè)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(cè)定,很難對(duì)已張拉的拉索進(jìn)行復(fù)測(cè)。頻率法是一種成熟的測(cè)試方法,根據(jù)索的自振頻率與張拉力之間的關(guān)系來(lái)?yè)Q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(zhǔn)確的索力、頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系。
隨著高靈敏度拾振技術(shù)的進(jìn)步,頻率測(cè)量的費(fèi)用大幅度下降,并且通過(guò)拉索垂度、斜度等因素對(duì)斜拉索索力測(cè)量影響的深入研究,頻率法已經(jīng)能滿足斜拉橋索力測(cè)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(shí)踐中得到應(yīng)用。
5、應(yīng)變測(cè)量
應(yīng)變是某一構(gòu)件長(zhǎng)度變化量與原來(lái)長(zhǎng)度的比值,是一個(gè)無(wú)量綱量,有許多測(cè)量應(yīng)變的方法。目前常用的有電阻式應(yīng)變計(jì)和振弦式應(yīng)變計(jì)。
電阻式應(yīng)變計(jì)利用應(yīng)變片的電阻變化與被測(cè)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變成正比的原理來(lái)測(cè)量應(yīng)變,其敏感性好,但穩(wěn)定性差,長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)產(chǎn)生漂移,適用于短時(shí)間的靜力或動(dòng)力試驗(yàn)。
振弦式應(yīng)變計(jì)是利用被測(cè)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(jì)的尺寸不能做得很小,對(duì)應(yīng)力梯度大的部位難以測(cè)出某一點(diǎn)的應(yīng)變,適用于靜態(tài)應(yīng)變或應(yīng)變變化較慢的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
6、幾種新型傳感器
1)光纖傳感器。按照是否對(duì)所測(cè)量的信號(hào)進(jìn)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(hào)傳輸作用,由另外的裝置對(duì)載波光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制獲取信號(hào)。本征型光纖傳感器不僅傳輸信號(hào),也起傳感作用,即通過(guò)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(cè)量信號(hào)調(diào)制為光的相位、偏振或者波長(zhǎng)的變化。
2)磁彈儀。目前被較多地應(yīng)用于索力監(jiān)測(cè)。磁彈儀及其組件可以直接安裝在索股上,對(duì)索股無(wú)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(gè)環(huán)形的裝置,主線圈纏繞在待測(cè)索股上，用以感應(yīng)磁通量的變化。磁彈儀技術(shù)先進(jìn)、安裝方便、實(shí)時(shí)性好,適用于拉索的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),不足之處是對(duì)不同的材料必須標(biāo)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(guò)測(cè)出已知坐標(biāo)(位置)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間的距離及三個(gè)方向的夾角來(lái)確定被測(cè)點(diǎn)的位置。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、測(cè)程遠(yuǎn),適用于不同跨徑的橋梁位移測(cè)量,能自動(dòng)識(shí)別目標(biāo),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(cè)程、測(cè)量精度將受到影響。
