1、压力传感器在现代桥梁中的应用分析陈永超 毕 业 论 文 论文题目:压力传感器在现代桥梁中的应用分析系 部:电子信息工程系专业名称:电子信息工程技术班 级:09431学 号: 04 姓 名:陈 永 超指导教师:陈 军完成时间:2012年 5月 8日压力传感器在现代桥梁中的应用分析摘要:本文首先介绍了压力传感器在现代桥梁中的应用现状, 其次分析了压力传 感器在桥梁应用过程中产生的问题及原因, 重点讨论三种类型压力传感器在桥梁 应用过程中问题解决的方法。 最后通过对压力传感器在桥梁中应用的分析得出结 论,对于了解和掌握振弦式、扩散硅式、压电式压力传感器有很大的帮助。关键词:振弦式压力传感器;扩散硅式
2、压力传感器;压电式压力传感器;现代桥 梁Pressure sensors in the analysis of application of modern bridgeAbstract:This paper first introduces the pressure sensors in the present situation of the application of modern bridge, secondly analyzes the pressure sensor in the bridge in the process of applying the cause of the
3、problem and reason, mainly discussed the three types of pressure sensors in bridge during the application method of problem solving. Finally through to the pressure sensor in the analysis of the application in bridge conclusion, to understand and master the vibration string type, the proliferation s
4、ilicon type, the piezoelectric pressure sensor has very great help.Key words:Vibration string type pressure sensors; The proliferation silicon type pressure sensor; The piezoelectric pressure sensors; Modern bridge目 录前言 . . 4 1、压力传感器在现代桥梁中应用现状 . 4 1.1振弦式压力传感器在桥梁中的应用现状 . . 4 1.2扩散硅式压力传感器在桥梁中的应用现状 . .
5、 41.3压电式压力传感器在桥梁中的应用现状 . . 52、压力传感器在现代桥梁中的应用分析 . 5 2.1振弦式压力传感器在桥梁 索力监测 中的应用分析 . . 5 2.1.1振弦式压力传感器的应用原理 . 5 2.1.2振弦式压力传感器在应用中存在问题及解决方法 . 6 2.2扩散硅式压力传感器在桥梁应力检测中的应用分析 . . 7 2.2.1扩散硅式压力传感器的应用原理 . 7 2.2.2扩散硅式压力传感器在应用中存在问题及解决办法 . 8 2.3压电式压力传感器在桥梁动力测量中的应用分析 . . 9 2.3.1压电式压力传感器的应用原理 . 92.3.2压电式压力传感器在应用中存在问题
6、及解决方法 . 103、结束语 . 104、参考文献 . 11致谢 . . 12前言压力传感器是一种典型的有源传感器 (属于发电型传感器 , 某些电介质在 外力作用下, 在电介质的表面上产生电荷, 从而实现非电量电测的传感器。 它是 根据压电效应制造出来的, 某些晶体介质, 当沿着某一个方向对其施力而使它变 形, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当 外力去掉后,其又重新恢复不带点状态。压力传感器具有信噪比大、重量轻、灵敏度高、工作可靠、结构简单、易于 集成化等优点 , 随着科学技术的发展压力传感器逐步成为各类传感器中技术成熟 度高、 工作性能最稳定、 性价比
7、可观的一类传感器。 因此对于从事桥梁工程的技 术人员必须了解和熟识压力传感器在现代桥梁中应用现状、 存在的问题以及解决 方案。1、压力传感器在现代桥梁中应用现状目前国家经济建设飞速发展, 对道路桥梁、 高速铁路、 大坝等大型基础设施 的建设力度逐渐加大, 大量的桥梁工程问题不断的出现, 各种压力传感器在桥梁 工程中也正在得到广泛的应用, 如光电式压力传感器、 热电式压力传感器、 压阻 式压力传感器、 霍尔式压力传感器、 电容式压力传感器、 振弦式压力传感器及压 电式传感器等。 但应用最为广泛的是振弦式压力传感器、 扩散硅式压力传感器和 压电式压力传感器, 它们都具有价格低和精度高以及良好的线性
8、特性。 本文下面 会对这三种压力传感器在桥梁中的应用现状进行简单的阐述。1.1振弦式压力传感器在桥梁中的应用现状就当前桥梁工程的发展现状来看, 振弦式压力传感器已经对桥梁施工控制和 监测应用方面, 如锚固测力、 索力的监测、 桥梁荷载等方面的压力监测系统产生 了深远影响; 目前开发并进入实用阶段的振弦式压力传感器已经可以用来测量各 种桥梁工程的方面压力,如测量索力的压力环、索力计,桥墩所受水压,北方冬 季的冰压等。 虽然振弦式压力传感器可以测量许多桥梁工程的压力, 但是由于某 些技术不够成熟,振弦式压力传感器最主要应用于索力的监测。1.2扩散硅式压力传感器在桥梁中的应用现状目前, 扩散硅式压力
9、传感器在桥梁工程方面多用于结构截面的应力监测, 如 混凝土应力、钢筋应力、钢结构应力等结构截面的应力。另外,扩散硅式压力传 感器对通过桥梁路面的车辆称重、 桥梁的柱式力和梁式力亦有比较成功的应用实 例。1.3压电式压力传感器在桥梁中的应用现状从目前桥梁工程的发展现状和实用的角度考虑, 压电式压力传感器在桥梁应 用中只用于测量通过桥梁车辆的动态应力。 因为压电式压力传感器经过外力作用 后的电荷, 只有在回路具有无穷大的输入阻抗时才可以存储, 实际测量桥梁的压 力时不是这样的, 所以决定了压电式压力传感器只能够测量动态的应力而不能测 量静态的应力。 随着技术的不断进步, 压电式压力传感器在未来应该
10、会改进到可 以进行静态测量。2、压力传感器在现代桥梁中的应用分析2.1振弦式压力传感器在桥梁 索力监测 中的应用分析2.1.1振弦式压力传感器的应用原理在桥梁索力监测过程中使用的振弦式压力传感器主要为穿心式。 其原理就是 根据不同的荷载在传感器的四周均匀布置 26个高精度的振弦式压力传感器。 其核心的原件就是固定在端块之间的钢弦。 通过测量张紧钢弦频率变化来测量钢 弦的张力、应变等物理量。振弦式压力传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组 成。振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦,如图 1所示。 图 1 振弦式压力传感器振弦的振动频率可由以下公式确定: 其中 S 为振弦的横截面积, v 为
11、弦的体密度 (v =/s, l 为振弦受张力后的长度增量, E 为振弦的弹性模量, 为振弦所受的应力。振弦式压力传感器工作时由于开启电源,使电磁线圈带电从而激励钢弦振 动, 当钢弦振动的频率和振弦的自身频率相同时, 振弦式压力传感器的振弦就会 出现共振状态, 在激振线圈中产生感应电动势通过电路的滤波、 整形、 放大送给 MC51单片机。 感应电动势脉冲送给 MC51单片机, MC51单片机通过测量, 即可得 到振弦的振动频率, 最后测试仪器就会把数据显示出来。 我们设计的基于振弦式传感器的桥梁索力检测装置的整体框架图 (如图 2 , 我们将在桥梁等间距的 16个检测点安装 16个振弦式传感器,
12、 通过单片机控制 16通道的信号分时采集, 从 而提高了数据采集的实时性, 也增加了采集的数据的可比性, 为桥梁的安全监测 图 2 索力检测原理整体框图2.1.2振弦式压力传感器在应用中存在问题及解决方法振弦式压力传感器在桥梁索力测量及施工监测过程中, 主要存在系统故障问 题、 环境因素问题及施工现场问题等。 系统故障问题是因为压力传感器电缆线与 接线盒和显示仪表连接不正确, 有断线或连接导线接触不良; 环境因素问题是由 于温度导致振弦式压力传感器测量索力时不精确; 施工现场问题是人为等不定因 素导致压力传感器无法使用或者不能达到预期效果。鉴于振弦式压力传感器在桥梁应用存在的三种问题, 下面我
13、们对解决办法进 行具体分析:(1对于系统故障问题,我们应当正确连接压力传感器电缆线与接线盒及 显示仪表, 有断线或连接导线接触不良我们应理解更换导线。 这些系统问题并非 压力传感器故障,只要我们对振弦式压力压力传感器正确安装和连接即可解决。 (2对于温度环境导致振弦式压力传感器在测量索力时出现的误差,我们 一般会在振弦式压力传感器里装上数字温度传感器(如图 2,然后在数字温度 传感器中存储需要改变的温度, 这样数字温度传感器在监测过程中就会对温度进行修改, 从而能排除温度对索力测量影响。 如果振弦式压力传感器没有安装数字温度传感器,我们也可以通过人为进行温度修改,修改后应变 E x 为 :(0
14、0F F T T x -=式中:测量应变值;T测量温度;T0零点时温度;F测量温度系数;F 0零点时温度系数,取 12.2。(3 对于现场施工过程中导致振弦式压力传感器在测量索力时产生的误差,有两种方法解决。所有振弦式压力传感器在出厂前都已经过省级以上的计量机构标定合格, 中国计量科学研究院校准使用的计量标准为 20MN 基准测力机, 型号为 0.520MN ,不确定度为 110-4,校准温度为 18,指示仪表为 JMZX-2006综合测试仪, 在国家实验室条件下, 对 JMZX-3380AT 六弦压力传感器 4000kN 的标定结果,该测量仪测量结果的相对扩展不确定度为 1.0%。为了更好地
15、确定张拉力值,我们应该在振弦式压力传感器安装前都应进行标定, 在标定结果无误的情况下方可进行使用。对索力的设计标准进行改变,在实际的施工中对桥梁的拉索进行张拉。由于一般的拉索桥梁有 12根拉索,不能同时进行张拉,我们一般每次选择 4根索进行张拉, 这样我们就分成了三批, 对于三批拉索进行分级重复张拉。 由于分批张拉对索力的测量会有影响, 在分批张拉结束后, 我们还需要对桥梁的索力进行重新的测量。 同时, 为了精确的控制桥梁在施工过程中的张力, 确保桥梁结构达到预期的结果, 我们还要把千斤顶油表与振弦式压力传感器联合起来测量。 当振弦式压力传感器读数与千斤顶油表读数相差超过 5%时,张拉必须立即
16、停止。对原因进行分析,及时解决问题,一般情况下重新调整张拉索力。2.2扩散硅式压力传感器在桥梁应力检测中的应用分析2.2.1扩散硅式压力传感器的应用原理压阻式压力传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器, 20世纪70年代以后,研制出周边固定的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散硅式压力传感器。扩散硅式压力传感器由外壳、硅杯和引线所组成。如图 3,其核心部分是一块方形的硅膜片。实际桥梁过程中主要采用四差动臂惠斯顿通 电桥(如图 4,即我们常说的全桥电路。利用压阻效应原理可知, R 2 、 R3所感受的是正应变, R 1、R4所感受的是负应变,四个电阻之间面积较大、阻值较小的扩散电阻引线连接, 构
17、成全桥。 硅片的表面用 SiO2薄膜加以保护, 并用铝质导线做全桥的引线。因为硅膜片底部被加工成中间薄、 周边厚, 所以又称为硅杯。 硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘贴在热胀冷缩系数相近的玻璃基板上, 将硅杯和玻璃基板紧密地 图 3 扩散硅式压力传感器 安装到壳体中,就制成了扩散硅式压力传感器。变送器就是由于扩展硅式压力传感器具有放大电路及相关部件组成的。 如果 外界有应力时, 压力会经引线进入扩散硅式压力传感器的硅杯中, 硅膜片会因受 压力作用而发生弹性变形, 硅膜片微微向上鼓起, 四个扩散型应变电阻也因此而 发生电阻变化, 破坏原来的全桥电路平衡, 全桥就会输出与应力成正比的电压信 号。 扩散硅
18、式压力传感器是用硅膜片组成全桥电路来实现桥梁应力和电量的测量 的,具有成本低、灵敏度高,输出信号大。又由于硅膜片本身就是很好的弹性元 件,四个扩散型应变电阻又直接制作在硅片上,所以迟滞、蠕变都非常小,动态 响应快。 其电原理如图 4所示。 扩散硅式压力传感器其应变片电桥的光刻版本 (如图 5。 图 4 全桥电原理 图 5 应变片电桥的光刻版本2.2.2扩散硅式压力传感器在应用中存在问题及解决办法在桥梁的应力检测过程中扩散硅式压力传感器会因为硅单晶材料在受到外 力作用产生极微小应变时, 其内部原子结构的电子能级状态会发生变化, 导致其 电阻率剧烈变化。 主要由于温度环境导致, 从而存在检测过程中
19、影响测量结果的 系统问题。 扩散硅式压力传感器在检测结构截面的应力时还会因为系统在传力部位是有损伤,锈蚀或者明显的磨损而导致系统故障问题。对于系统故障问题解决办法很简单, 直接更换扩散硅式压力传感器。 系统问 题解决办法归纳起来有两大类:(1硬件补偿:单丝自补偿应变片法、双丝组合是自补偿应变片法、三极 管补偿技术、 电路补偿法等。 硬件补偿法主要是电路补偿, 比较繁琐、 工程量大, 具有检测、 调试困难等缺点。 硬件补偿最大缺点就是不实用, 现代桥梁工程中基 本不采用这种方法。(2 软件补偿:通过现代的软件功能, 结合一定的理论知识主要是高数知 识, 将压阻式传感器与小型处理器与联合起来, 利
20、用补偿算法对扩散硅式传感器 产生温度误差进行修改使之准确。 扩散硅式压力传感器温度漂移的软件补偿的算 法有反函数法、直线法、 BP 神经网络法、曲线拟合法等。现代桥梁工程中都采 用软件的方法进行补偿扩散硅式压力传感器的温度漂移。 软件补偿最主要的优点 就是不需要花费太多的精力去连接电路, 而且成本比较低, 可以提高扩散硅式压 力传感器的非线性性能,对压阻式压力传感器各个参数的改善都一定的帮助。 2.3压电式压力传感器在桥梁动力测量中的应用分析2.3.1压电式压力传感器的应用原理压电 式 压 力传 感 器 的 工作 原 理是压电效应, 人们把机械能转化为电能的现象叫做正压电效应; 当在电介质极化
21、方向施加电场, 电介质会发生变形, 我们称之为电致伸缩效应。 它从受力机构的形式可把压电式压 力 传 感器 分 为膜 片式 压 力传感器和活塞式压力传感器两类,膜 图 6 压电式压力传感器原理 片式压力传感器主要由本体、膜片和压电元件三部分构成(如图 6。 压电式压力传感器简单的说就是压电敏感元件(膜片的受到车辆动 态力变形后表面产生电荷,此电荷经压电转换元件,在测量电路放大和变 换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。由压电效应可知,压电式压 力传感器可以看做一个电荷发生器,因此,压电式压力传感器可以等效一 个与电容相并联的电压源。 电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末
22、级功放、 电源几部分组成。压电式压力传感器接放大器的等效电路如图 7: 图 7 (a 放大器电路 (b 等效电路2.3.2压电式压力传感器在应用中存在问题及解决方法(1压电式压力传感器在测量动态的应力时会因为压力接口有漏气或者被 堵住;传感器接线不牢;压力传感器密封圈损坏等原因存在系统故障问题。压电式压力传感器在测量动态的应力时存在的系统故障问题我们可以严格 按照技术要求进行安装传感器,对于元件损坏的进行更换来解决问题。(2环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大,它 将使压电式压力传感器灵敏度发生变化, 压电材料不同, 温度影响的程度也不同。对于温度环境导致的我们最好在桥梁中
23、采用同一中压电式压力传感器 。 当温 度低于 400时,其压电常数和介电常数都很稳定,所以我们可以运用现在的 科学技术让压电式压力传感器长期保持在 400以下。3、结束语利用压力传感器对桥梁工程采取及时有效的监测和控制, 不仅可以避免不利 现象的发生, 同时对保证桥梁工程质量和使用性能具有深远的意义。 各种压力传 感器在桥梁工程应用中可能会存在不足之处, 不过随着科学技术的发展, 桥梁工 程中新材料、新桥型、新施工工艺的逐步应用,压力传感器的缺点会逐步弥补, 以振弦式、 压阻式、 压电式压力传感为核心的桥梁工程系统的开发和应用将会很 快在我国变成现实。u (a C u (b 南京交通职业技术学
24、院 4、参考文献 1张俊哲无损检测技术及其应用M北京：科学出版社，1993 2白泰礼， 邓铁六， 谢 军， 振弦式传感器的精确数学模型及其应用J 等 岩 石力学与工程学报，2005，24(2：693697 3白泰礼，何 羚，王彩云，等基于振弦式传感器的多功能智能检测仪J. 传感器技术，2004，23(3：6062，66 4刘鸿文材料力学M高等教育出版社，1979 年 5 毛超民，王政平MEMS 和信号调理实现扩散硅压力传感器D. 四川：四川 电子协会，2009 6 曾光奇工程测试技术基础M华中科技大学出版社，2004 致谢 首先， 要感谢我的论文指导老师陈军老师。刚接触陈军老师的时候对他的印
25、象只有一个：严格。在我看来认为思路很清晰,处处都写的恰当的论文在他眼里 仍然是漏洞百出。 经过陈军老师几次耐心的指导,我才发现原来我真的很不专业, 很多地方也比较空洞。 陈军老师平日里工作繁忙， 但在我做毕业论文的每个阶段， 从论文提纲的确定， 中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了 我悉心的指导。在此，谨向陈军老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 其次，感谢在这次毕业设计中给予我帮助的同学以及朋友，是他们在毕业设 11 南京交通职业技术学院 计的这段时间里，陪伴着我，给我创造一个良好的环境；是他们帮助和支持，使 我能够顺利完成毕业论文，在此我表示深深地感谢！ 最后， 我要向在大学三年中给予我许多教导和帮助的各位专业老师老师表示 衷心的感谢，感谢他们三年来的孜孜不倦的教诲。 12
