浅谈桥梁智能监测云系统建设（之二）-传感器选型

作者简介：张硕玉，中交路建交通科技有限公司监测测事业部高级工程师，主要从事桥梁结构健康监测系统研究与工程

 

前一段时间，笔者写了“浅谈桥梁智能监测云系统建设之一”，这一篇来填坑了，主要与大家探讨系统的第一层：传感器子系统中的传感器选型原则。传感器的选型是否合适，直接影响到数据的质量，高质量的数据是结构损伤识别和安全评估的基础，因此传感器选型是否合适是健康监测系统能否达到预定目标的关键。

传感器选型应选用技术成熟、性能先进、经济实用、安装维护方便和便于系统集成。同时应满足测量范围、测量精度、分辨率、灵敏度、线性度、重复性、动态频响特性、稳定性、耐久性和环境适应性要求。

图1 传感器硬件（部分）

每种传感器的选型细说起来，就比较复杂了，今天主要讨论振动测量。今年检师考试中也考到了相应的考点，今天我们以振动参量测量时传感器的选型作为例子，一起探讨一下吧。

振动测量一般分为以下几类：幅值测量、固有频率测量、模态测试和其他类型测量。按测量振动参量可分为三大类：位移传感器、速度传感器和加速度传感器。一般来讲，位移传感器适用于低频测量，速度传感器适用于中频测量，加速度传感器适用于中高频测量。由于加速度传感器具有生产工艺成熟、频响范围宽、动态范围大、安装方便等特点，因而在工程应用中比较广泛。

选型时需要综合考虑的因素较多，主要包括以下两个方面：

（1）传感器的一般技术特性要满足测量需要，不同类型传感器的具体要求均不同，主要包括：

量程：能够测量的被测量的范围，是选择传感器的首先考虑。如测点位置的振动量级宜为选择传感器量程的60%~80%，这样能保证信噪比高，且不会过载。

灵敏度：能够测量的被测量的最小变化量。

通常量程大的传感器，灵敏度低，量程小的传感器，灵敏度高。传感器的灵敏度越高，则传感器的质量越大，传感器的输出电压越大，信噪比越高，分辨能力越强。对于测试不同的结构，应选择相匹配的传感器量程。

谐振频率：传感器本身也是一个结构，也存在固定频率，通常把传感器的第一阶固有频率称为谐振频率。传感器尺寸越小，谐振频率越高。加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率，一般传感器的工作频率范围在其自身谐振频率的1/3以下。

精度：测量值与真值之间的符合程度。

频率响应范围：是测振传感器的重要指标，通常加速度传感器低频特性较差，信号衰减严重，而在高频段线性度差，非线性影响严重。传感器的频响范围要稍高于被测结构物的振动频率。

线性度：由于传感器测量时只能输入单一灵敏度，因此，用于描述在一定频响范围内，传感器的灵敏度是否满足实际的灵敏度指标，即为线性度。如果传感器不在线性区段进行测量，则测量得到的幅值误差较大，一般要求传感器非线性小于1%。

横向效应：当测量某个方向的振动时，输出信号应该全部来自振动感知方向，但实际上在与该方向垂直的方向也有信号输出，这种效应称为横向效应。横向效应灵敏度越低，性能越好，一般而言，传感器都存在一定的横向效应，通常标称横向效应小于5%。

传感器安装方式：传感器安装时，需要综合考虑多种方面对其影响，主要有安装刚度、安装平面、安装方向、安装手法、防护条件等。安装刚度对其影响最大，传感器最好是直接将传感器固定在被测结构上，二者之间无其他安装支架，但有时安装支架又是必不可少的，这就或多或少会带来一些寄生振动，因此要求安装支架的自振频率是被测振动频率的5~10倍以上。安装刚度越大，传感器系统的自振频率越高，能用于测量的频带也就越高。

图2 不同安装方式的频谱图

（2）传感器的稳定性、可靠性及对工作环境的适应性

结构智能监测需要长期工作十几年、几十年甚至更长的时间。在此期间，传感器的工作环境可能会发生意料不到的变化。要求传感器性能稳定可靠、耐久性好、频响范围宽、抗外界干扰能力强，能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作。

 目前常用的加速度传感器类型及其特点如下：

（1）电容式加速度传感器

电容式加速度传感器，具有电路结构简单，频率范围宽约为0～450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点。

但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。

图3 电容式加速度传感器

（2）压阻式加速度传感器

大多数压阻式加速度传感器都是采用的MEMS结构，输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，对电磁和静电干扰的敏感度低，所以易于进行信号调理。它对底座应变和热瞬变不敏感，在承受大冲击加速度作用时零漂很小。压阻式加速度传感器的一个最大优点就是工作频带很宽，并且频率响应可以低到零频（直流响应），因此可以用于低频振动的测量和持续时间长的冲击测量，灵敏度通常比较低，因此非常适合冲击测量，广泛用于汽车碰撞测试、运输过程中振动和冲击的测量、颤振研究等。

图4 压阻式加速度传感器

（3）压电式加速度传感器

压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

图5 压电式加速度传感器

（4）力平衡加速度传感器

力平衡式传感器又称伺服传感器，大家工程中接触最多的就是工力所的941B型拾振器了。由于采用了负反馈工作原理，伺服式加速度传感器通常具有极好的幅值线性度，在峰值加速度幅值高达50g时通常可达万分之几。另外还具有很高的灵敏度，某些伺服加速度传感器具有几微g的灵敏阀值。频率范围通常为0~500Hz。还有静态精度和线性度高，滞后小，重复性好，低频响应好，动态测量范围宽等优点，但其尺寸是相应的压电式加速度传感器的数倍。

图6 力平衡加速度传感器

工程中常用到的应用场景：

1、测量地震动

（1）桥址处地震监测可选用力平衡式加速度传感器、压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器和电容式加速度传感器。

（2）应选用三向加速度传感器，包括两个相互垂直的水平方向和一个竖向。

（3）频响范围宜在0 ~ 100Hz，量程不宜低于±2 g。

2、主梁振动

（1）对于基频较低的大跨径桥梁，宜选用低频性能优良的力平衡式或电容式加速度传感器，量程不宜小于±2 g，横向灵敏度宜小于1%，频响范围宜在0 ~ 100 Hz。

（2）对于自振频率较高的桥梁，可选用电容式或压电式加速度传感器，量程不宜小于±20 g，横向灵敏度宜小于5%，频响范围宜在0.1 ~ 1000 Hz。

3、主缆、吊杆（索）振动监测

（1）宜根据桥梁结构主要振型，选择合适的单向、双向和三向加速度传感器。

（2）对于振动频率较低的主缆、吊杆（索）等构件，宜选用低频响应特性优良的力平衡、电容式加速度传感器，量程不宜小于±2 g，横向灵敏度比宜小于1%，频响范围宜介于0 ~ 80 Hz之间。

（3）对于自振频率较高的主缆、吊杆（索），可选用电容式加速度传感器和ICP型压电加速度传感器，量程不宜小于±20 g，横向灵敏度比宜小于5%；电容式加速度传感器频响范围宜介于0 ~ 100 Hz之间,压电加速度传感器频响范围宜介于0.3 Hz ~ 1000 Hz之间。