壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中的應(yīng)用分析陳永超

1、 畢 業(yè) 論 文 論文題目:壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中的應(yīng)用分析系 部:電子信息工程系專業(yè)名稱:電子信息工程技術(shù)班 級:09431學(xué) 號: 04 姓 名:陳 永 超指導(dǎo)教師:陳 軍完成時間:2012年 5月 8日壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中的應(yīng)用分析摘要:本文首先介紹了壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀, 其次分析了壓力傳 感器在橋梁應(yīng)用過程中產(chǎn)生的問題及原因, 重點討論三種類型壓力傳感器在橋梁 應(yīng)用過程中問題解決的方法。 最后通過對壓力傳感器在橋梁中應(yīng)用的分析得出結(jié) 論,對于了解和掌握振弦式、擴散硅式、壓電式壓力傳感器有很大的幫助。關(guān)鍵詞:振弦式壓力傳感器;擴散硅式壓力傳感器;壓電式壓力傳感器;現(xiàn)代橋

2、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 problem and reason,

3、 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 silicon type, the pi

4、ezoelectric 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 錄前言 . . 4 1、壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中應(yīng)用現(xiàn)狀 . 4 1.1振弦式壓力傳感器在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀 . . 4 1.2擴散硅式壓力傳感器在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀 . . 41.3壓電式壓力傳感器在橋梁中的應(yīng)

5、用現(xiàn)狀 . . 52、壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中的應(yīng)用分析 . 5 2.1振弦式壓力傳感器在橋梁 索力監(jiān)測 中的應(yīng)用分析 . . 5 2.1.1振弦式壓力傳感器的應(yīng)用原理 . 5 2.1.2振弦式壓力傳感器在應(yīng)用中存在問題及解決方法 . 6 2.2擴散硅式壓力傳感器在橋梁應(yīng)力檢測中的應(yīng)用分析 . . 7 2.2.1擴散硅式壓力傳感器的應(yīng)用原理 . 7 2.2.2擴散硅式壓力傳感器在應(yīng)用中存在問題及解決辦法 . 8 2.3壓電式壓力傳感器在橋梁動力測量中的應(yīng)用分析 . . 9 2.3.1壓電式壓力傳感器的應(yīng)用原理 . 92.3.2壓電式壓力傳感器在應(yīng)用中存在問題及解決方法 . 103、結(jié)束語 . 1

6、04、參考文獻(xiàn) . 11致謝 . . 12前言壓力傳感器是一種典型的有源傳感器 (屬于發(fā)電型傳感器 , 某些電介質(zhì)在 外力作用下, 在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷, 從而實現(xiàn)非電量電測的傳感器。 它是 根據(jù)壓電效應(yīng)制造出來的, 某些晶體介質(zhì), 當(dāng)沿著某一個方向?qū)ζ涫┝Χ顾?形, 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象, 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷, 當(dāng) 外力去掉后,其又重新恢復(fù)不帶點狀態(tài)。壓力傳感器具有信噪比大、重量輕、靈敏度高、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、易于 集成化等優(yōu)點 , 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展壓力傳感器逐步成為各類傳感器中技術(shù)成熟 度高、 工作性能最穩(wěn)定、 性價比可觀的一類傳感器。 因此對于從事橋梁工

7、程的技 術(shù)人員必須了解和熟識壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中應(yīng)用現(xiàn)狀、 存在的問題以及解決 方案。1、壓力傳感器在現(xiàn)代橋梁中應(yīng)用現(xiàn)狀目前國家經(jīng)濟建設(shè)飛速發(fā)展, 對道路橋梁、 高速鐵路、 大壩等大型基礎(chǔ)設(shè)施 的建設(shè)力度逐漸加大, 大量的橋梁工程問題不斷的出現(xiàn), 各種壓力傳感器在橋梁 工程中也正在得到廣泛的應(yīng)用, 如光電式壓力傳感器、 熱電式壓力傳感器、 壓阻 式壓力傳感器、 霍爾式壓力傳感器、 電容式壓力傳感器、 振弦式壓力傳感器及壓 電式傳感器等。 但應(yīng)用最為廣泛的是振弦式壓力傳感器、 擴散硅式壓力傳感器和 壓電式壓力傳感器, 它們都具有價格低和精度高以及良好的線性特性。 本文下面 會對這三種壓力傳感器

8、在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行簡單的闡述。1.1振弦式壓力傳感器在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀就當(dāng)前橋梁工程的發(fā)展現(xiàn)狀來看, 振弦式壓力傳感器已經(jīng)對橋梁施工控制和 監(jiān)測應(yīng)用方面, 如錨固測力、 索力的監(jiān)測、 橋梁荷載等方面的壓力監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生 了深遠(yuǎn)影響; 目前開發(fā)并進(jìn)入實用階段的振弦式壓力傳感器已經(jīng)可以用來測量各 種橋梁工程的方面壓力,如測量索力的壓力環(huán)、索力計,橋墩所受水壓,北方冬 季的冰壓等。 雖然振弦式壓力傳感器可以測量許多橋梁工程的壓力, 但是由于某 些技術(shù)不夠成熟,振弦式壓力傳感器最主要應(yīng)用于索力的監(jiān)測。1.2擴散硅式壓力傳感器在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀目前, 擴散硅式壓力傳感器在橋梁工程方面多用于結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)

9、力監(jiān)測, 如 混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力等結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力。另外,擴散硅式壓力傳 感器對通過橋梁路面的車輛稱重、 橋梁的柱式力和梁式力亦有比較成功的應(yīng)用實 例。1.3壓電式壓力傳感器在橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀從目前橋梁工程的發(fā)展現(xiàn)狀和實用的角度考慮, 壓電式壓力傳感器在橋梁應(yīng) 用中只用于測量通過橋梁車輛的動態(tài)應(yīng)力。 因為壓電式壓力傳感器經(jīng)過外力作用 后的電荷, 只有在回路具有無窮大的輸入阻抗時才可以存儲, 實際測量橋梁的壓 力時不是這樣的, 所以決定了壓電式壓力傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力而不能測 量靜態(tài)的應(yīng)力。 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步, 壓電式壓力傳感器在未來應(yīng)該會改進(jìn)到可 以進(jìn)行靜態(tài)測量。2、壓力傳

10、感器在現(xiàn)代橋梁中的應(yīng)用分析2.1振弦式壓力傳感器在橋梁 索力監(jiān)測 中的應(yīng)用分析2.1.1振弦式壓力傳感器的應(yīng)用原理在橋梁索力監(jiān)測過程中使用的振弦式壓力傳感器主要為穿心式。 其原理就是 根據(jù)不同的荷載在傳感器的四周均勻布置 26個高精度的振弦式壓力傳感器。 其核心的原件就是固定在端塊之間的鋼弦。 通過測量張緊鋼弦頻率變化來測量鋼 弦的張力、應(yīng)變等物理量。振弦式壓力傳感器由定位支座、線圈、振弦及封裝組 成。振弦式傳感器可等效成一個兩端固定繃緊的均勻弦,如圖 1所示。 圖 1 振弦式壓力傳感器振弦的振動頻率可由以下公式確定: 其中 S 為振弦的橫截面積, v 為弦的體密度 (v =/s, l 為振弦

11、受張力后的長度增量, E 為振弦的彈性模量, 為振弦所受的應(yīng)力。振弦式壓力傳感器工作時由于開啟電源,使電磁線圈帶電從而激勵鋼弦振 動, 當(dāng)鋼弦振動的頻率和振弦的自身頻率相同時, 振弦式壓力傳感器的振弦就會 出現(xiàn)共振狀態(tài), 在激振線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢通過電路的濾波、 整形、 放大送給 MC51單片機。 感應(yīng)電動勢脈沖送給 MC51單片機, MC51單片機通過測量, 即可得 到振弦的振動頻率, 最后測試儀器就會把數(shù)據(jù)顯示出來。 我們設(shè)計的基于振弦式傳感器的橋梁索力檢測裝置的整體框架圖 (如圖 2 , 我們將在橋梁等間距的 16個檢測點安裝 16個振弦式傳感器, 通過單片機控制 16通道的信號分時采

12、集, 從 而提高了數(shù)據(jù)采集的實時性, 也增加了采集的數(shù)據(jù)的可比性, 為橋梁的安全監(jiān)測 圖 2 索力檢測原理整體框圖2.1.2振弦式壓力傳感器在應(yīng)用中存在問題及解決方法振弦式壓力傳感器在橋梁索力測量及施工監(jiān)測過程中, 主要存在系統(tǒng)故障問 題、 環(huán)境因素問題及施工現(xiàn)場問題等。 系統(tǒng)故障問題是因為壓力傳感器電纜線與 接線盒和顯示儀表連接不正確, 有斷線或連接導(dǎo)線接觸不良; 環(huán)境因素問題是由 于溫度導(dǎo)致振弦式壓力傳感器測量索力時不精確; 施工現(xiàn)場問題是人為等不定因 素導(dǎo)致壓力傳感器無法使用或者不能達(dá)到預(yù)期效果。鑒于振弦式壓力傳感器在橋梁應(yīng)用存在的三種問題, 下面我們對解決辦法進(jìn) 行具體分析:(1對于系

13、統(tǒng)故障問題,我們應(yīng)當(dāng)正確連接壓力傳感器電纜線與接線盒及 顯示儀表, 有斷線或連接導(dǎo)線接觸不良我們應(yīng)理解更換導(dǎo)線。 這些系統(tǒng)問題并非 壓力傳感器故障,只要我們對振弦式壓力壓力傳感器正確安裝和連接即可解決。 (2對于溫度環(huán)境導(dǎo)致振弦式壓力傳感器在測量索力時出現(xiàn)的誤差,我們 一般會在振弦式壓力傳感器里裝上數(shù)字溫度傳感器(如圖 2,然后在數(shù)字溫度 傳感器中存儲需要改變的溫度, 這樣數(shù)字溫度傳感器在監(jiān)測過程中就會對溫度進(jìn)行修改, 從而能排除溫度對索力測量影響。 如果振弦式壓力傳感器沒有安裝數(shù)字溫度傳感器,我們也可以通過人為進(jìn)行溫度修改,修改后應(yīng)變 E x 為 :(00F F T T x -=式中:測量應(yīng)

14、變值;T測量溫度;T0零點時溫度;F測量溫度系數(shù);F 0零點時溫度系數(shù),取 12.2。(3 對于現(xiàn)場施工過程中導(dǎo)致振弦式壓力傳感器在測量索力時產(chǎn)生的誤差,有兩種方法解決。所有振弦式壓力傳感器在出廠前都已經(jīng)過省級以上的計量機構(gòu)標(biāo)定合格, 中國計量科學(xué)研究院校準(zhǔn)使用的計量標(biāo)準(zhǔn)為 20MN 基準(zhǔn)測力機, 型號為 0.520MN ,不確定度為 1×10-4,校準(zhǔn)溫度為 18,指示儀表為 JMZX-2006綜合測試儀, 在國家實驗室條件下, 對 JMZX-3380AT 六弦壓力傳感器 4000kN 的標(biāo)定結(jié)果,該測量儀測量結(jié)果的相對擴展不確定度為 1.0%。為了更好地確定張拉力值,我們應(yīng)該在振

15、弦式壓力傳感器安裝前都應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定, 在標(biāo)定結(jié)果無誤的情況下方可進(jìn)行使用。對索力的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改變,在實際的施工中對橋梁的拉索進(jìn)行張拉。由于一般的拉索橋梁有 12根拉索,不能同時進(jìn)行張拉,我們一般每次選擇 4根索進(jìn)行張拉, 這樣我們就分成了三批, 對于三批拉索進(jìn)行分級重復(fù)張拉。 由于分批張拉對索力的測量會有影響, 在分批張拉結(jié)束后, 我們還需要對橋梁的索力進(jìn)行重新的測量。 同時, 為了精確的控制橋梁在施工過程中的張力, 確保橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的結(jié)果, 我們還要把千斤頂油表與振弦式壓力傳感器聯(lián)合起來測量。 當(dāng)振弦式壓力傳感器讀數(shù)與千斤頂油表讀數(shù)相差超過 5%時,張拉必須立即停止。對原因進(jìn)行分析,及時

16、解決問題,一般情況下重新調(diào)整張拉索力。2.2擴散硅式壓力傳感器在橋梁應(yīng)力檢測中的應(yīng)用分析2.2.1擴散硅式壓力傳感器的應(yīng)用原理壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的粘貼型壓阻傳感器, 20世紀(jì)70年代以后,研制出周邊固定的力敏電阻與硅膜片一體化的擴散硅式壓力傳感器。擴散硅式壓力傳感器由外殼、硅杯和引線所組成。如圖 3,其核心部分是一塊方形的硅膜片。實際橋梁過程中主要采用四差動臂惠斯頓通 電橋(如圖 4,即我們常說的全橋電路。利用壓阻效應(yīng)原理可知, R 2 、 R3所感受的是正應(yīng)變, R 1、R4所感受的是負(fù)應(yīng)變,四個電阻之間面積較大、阻值較小的擴散電阻引線連接, 構(gòu)成全橋。 硅片的表面用 S

17、iO2薄膜加以保護(hù), 并用鋁質(zhì)導(dǎo)線做全橋的引線。因為硅膜片底部被加工成中間薄、 周邊厚, 所以又稱為硅杯。 硅杯在高溫下用玻璃粘接劑粘貼在熱脹冷縮系數(shù)相近的玻璃基板上, 將硅杯和玻璃基板緊密地 圖 3 擴散硅式壓力傳感器 安裝到殼體中,就制成了擴散硅式壓力傳感器。變送器就是由于擴展硅式壓力傳感器具有放大電路及相關(guān)部件組成的。 如果 外界有應(yīng)力時, 壓力會經(jīng)引線進(jìn)入擴散硅式壓力傳感器的硅杯中, 硅膜片會因受 壓力作用而發(fā)生彈性變形, 硅膜片微微向上鼓起, 四個擴散型應(yīng)變電阻也因此而 發(fā)生電阻變化, 破壞原來的全橋電路平衡, 全橋就會輸出與應(yīng)力成正比的電壓信 號。 擴散硅式壓力傳感器是用硅膜片組成

18、全橋電路來實現(xiàn)橋梁應(yīng)力和電量的測量 的,具有成本低、靈敏度高,輸出信號大。又由于硅膜片本身就是很好的彈性元 件,四個擴散型應(yīng)變電阻又直接制作在硅片上,所以遲滯、蠕變都非常小,動態(tài) 響應(yīng)快。 其電原理如圖 4所示。 擴散硅式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本 (如圖 5。 圖 4 全橋電原理 圖 5 應(yīng)變片電橋的光刻版本2.2.2擴散硅式壓力傳感器在應(yīng)用中存在問題及解決辦法在橋梁的應(yīng)力檢測過程中擴散硅式壓力傳感器會因為硅單晶材料在受到外 力作用產(chǎn)生極微小應(yīng)變時, 其內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的電子能級狀態(tài)會發(fā)生變化, 導(dǎo)致其 電阻率劇烈變化。 主要由于溫度環(huán)境導(dǎo)致, 從而存在檢測過程中影響測量結(jié)果的 系統(tǒng)問題。

19、 擴散硅式壓力傳感器在檢測結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力時還會因為系統(tǒng)在傳力部位是有損傷,銹蝕或者明顯的磨損而導(dǎo)致系統(tǒng)故障問題。對于系統(tǒng)故障問題解決辦法很簡單, 直接更換擴散硅式壓力傳感器。 系統(tǒng)問 題解決辦法歸納起來有兩大類:(1硬件補償:單絲自補償應(yīng)變片法、雙絲組合是自補償應(yīng)變片法、三極 管補償技術(shù)、 電路補償法等。 硬件補償法主要是電路補償, 比較繁瑣、 工程量大, 具有檢測、 調(diào)試?yán)щy等缺點。 硬件補償最大缺點就是不實用, 現(xiàn)代橋梁工程中基 本不采用這種方法。(2 軟件補償:通過現(xiàn)代的軟件功能, 結(jié)合一定的理論知識主要是高數(shù)知 識, 將壓阻式傳感器與小型處理器與聯(lián)合起來, 利用補償算法對擴散硅式傳感器

20、 產(chǎn)生溫度誤差進(jìn)行修改使之準(zhǔn)確。 擴散硅式壓力傳感器溫度漂移的軟件補償?shù)乃?法有反函數(shù)法、直線法、 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、曲線擬合法等。現(xiàn)代橋梁工程中都采 用軟件的方法進(jìn)行補償擴散硅式壓力傳感器的溫度漂移。 軟件補償最主要的優(yōu)點 就是不需要花費太多的精力去連接電路, 而且成本比較低, 可以提高擴散硅式壓 力傳感器的非線性性能,對壓阻式壓力傳感器各個參數(shù)的改善都一定的幫助。 2.3壓電式壓力傳感器在橋梁動力測量中的應(yīng)用分析2.3.1壓電式壓力傳感器的應(yīng)用原理壓電 式 壓 力傳 感 器 的 工作 原 理是壓電效應(yīng), 人們把機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象叫做正壓電效應(yīng); 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場, 電介質(zhì)會發(fā)

21、生變形, 我們稱之為電致伸縮效應(yīng)。 它從受力機構(gòu)的形式可把壓電式壓 力 傳 感器 分 為膜 片式 壓 力傳感器和活塞式壓力傳感器兩類,膜 圖 6 壓電式壓力傳感器原理 片式壓力傳感器主要由本體、膜片和壓電元件三部分構(gòu)成(如圖 6。 壓電式壓力傳感器簡單的說就是壓電敏感元件(膜片的受到車輛動 態(tài)力變形后表面產(chǎn)生電荷,此電荷經(jīng)壓電轉(zhuǎn)換元件,在測量電路放大和變 換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。由壓電效應(yīng)可知,壓電式壓 力傳感器可以看做一個電荷發(fā)生器,因此,壓電式壓力傳感器可以等效一 個與電容相并聯(lián)的電壓源。 電荷放大器由電荷變換級、適調(diào)級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放、 電源幾部分組成。

22、壓電式壓力傳感器接放大器的等效電路如圖 7: 圖 7 (a 放大器電路 (b 等效電路2.3.2壓電式壓力傳感器在應(yīng)用中存在問題及解決方法(1壓電式壓力傳感器在測量動態(tài)的應(yīng)力時會因為壓力接口有漏氣或者被 堵住;傳感器接線不牢;壓力傳感器密封圈損壞等原因存在系統(tǒng)故障問題。壓電式壓力傳感器在測量動態(tài)的應(yīng)力時存在的系統(tǒng)故障問題我們可以嚴(yán)格 按照技術(shù)要求進(jìn)行安裝傳感器,對于元件損壞的進(jìn)行更換來解決問題。(2環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大,它 將使壓電式壓力傳感器靈敏度發(fā)生變化, 壓電材料不同, 溫度影響的程度也不同。對于溫度環(huán)境導(dǎo)致的我們最好在橋梁中采用同一中壓電式壓力傳感器 。 當(dāng)溫 度低于 400時,其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定,所以我們可以運用現(xiàn)在的 科學(xué)技術(shù)讓壓電式壓力傳感器長期保持在 400以下。3、結(jié)束語利用壓力傳感器對橋梁工程采取及時有效的監(jiān)測和控制, 不僅可以避免不利 現(xiàn)象的發(fā)生, 同時對保證橋梁工程質(zhì)量和使用性能具有深遠(yuǎn)的意義。 各種壓力傳 感器在橋梁工程應(yīng)用中可能會存在不足之處, 不過隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 橋梁工