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。隨著科學技術的進步,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)和應用,有力地推動了橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展。如: MR 風速儀、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)結構也更合理,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）風速、風向、常用MR風速儀。3)溫度場、電子溫度計或應變式溫度計。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)測中將振動信號轉換成便于傳輸、放大和記錄的電信號。目前應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。
對于不同結構形式及規(guī)模(跨徑)的橋梁,其位置及位移測量的設備有所不同,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系來換算出索力。頻率法的精度取決于高靈敏度拾振技術以及準確的索力、頻率對應關系。
隨著高靈敏度拾振技術的進步,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用。
5、應變測量
應變是某一構件長度變化量與原來長度的比值,是一個無量綱量,有許多測量應變的方法。目前常用的有電阻式應變計和振弦式應變計。
電阻式應變計利用應變片的電阻變化與被測結構物的應變成正比的原理來測量應變,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。
振弦式應變計是利用被測結構物的應變與振弦頻率之間的關系,這種方法穩(wěn)定性好,但由于振弦式應變計的尺寸不能做得很小,對應力梯度大的部位難以測出某一點的應變,適用于靜態(tài)應變或應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制可分為:非本征型和本征型。非本征型光纖不與結構一起變形,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、雙折射效應、磁光法拉第效應等,把待測量信號調制為光的相位、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力的改變有關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，用以感應磁通量的變化。磁彈儀技術先進、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。
