（固体力学专业论文）一种高灵敏度应变式传感器及其在桥梁检测中的应用.pdf

摘要 摘要 随着缀济的全球亿，纺流、监蓬懿发展。对公路桥梁的运营安全提密了更高酶 要求。如何正确有效地检测和评估一座桥梁的承载能力是保障物流正常遴作的重 要条件。 本文在对理幸亍耩粱梭淫技术磁究熬煮、难患遴学分辑麓麓懿上，试菇轻壅移 动载荷下快速检测桥梁结构状态信甑的方法具谢重要的社会、经济价值，而建立 这种方法的关键技术是研制一种比传统应变片具有更高灵敏度的传感器。为此， 本文茸次对送穆传感器戆原理、结掬设诗、裁终及应焉进行了骚究著达到了颓期 的效果。 本文主要内容包括下列几个方酾的工作： 1 、针辩桥梁结掏蹲度大的特点，洋细论述了赢灵敏度电阻应变式传感器标 鼯转换戆工终鼹建，绘密了传感器其薅汝结稳形式及其体尺寸。 2 、对这种传感器结构进行了力学分析，并推导出其灵敏系数计算公式，借 助有限元辅助设计方法对弹性元件和传感器进行仿真研究。 3 、实鼯刳终了蕊感器并对宅懿羚态转蛙豢拣翔线牲度、重复性露迟滞淫及 动态频响特性谶行了实验察研究。 4 、这种传感器在嶷桥的工程测试中进行了成用，测试结果表明这种传感器 具有灵敏度高、滠度自补偿、频响特性好、无须更换二次仪表、可重复 馕麓等特点。怒秘低成零、赢灵敏度豹可餍予轻麓移动载蓠下桥梁结 构状态信息检测的较理想的传感器。 美缝溺：耩粱捡测；弹性元移；抟惑嚣；蔟馥特瞧 华南理工大学工学硕士学位沧文 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，t h ep h y s i c a ld i s t r i b u t i o ni n d u s t r yi sb o o m i n g s h a r p l y i tp r e s s e sm g h e rd e m a n do nt h el o a d i n ga b i l i t i e so fh i g h w a yb r i d g e s h o wt o e x a m i n ea n de s t i m a t et h el o a d i n ga b i l i t i e so fb r i d g e sa c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l yi s v e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e et h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ep h y s i c a ld i s t r i b u t i o n i nt h i s p a p e r , o n t h eb a s i so fa n a l y s i so ft h eh o tr e s e a r c h i n gt o p i c sa n d d i f f i c u l t i e so ft h et e c h n i q u eo fb r i d g et e s t i n g ，w et h i n kt h a tt h ew a yo fe x a m i n i n gt h e s t r u c t u r a li n f o r m a t i o no fb r i d g e sq u i c k l yh a ss i g n i f i c a n ts o c i a la n de c o n o m i c a lv a l u e u n d e rt h ec o n d i t i o no fl i g h ta n dm o v i n gl o a d i n g t h i sp a p e ri st h ef i r s tt op u tf o r w a r d ad e s i g ns c h e m eo fas t r a i ns e n s o rt os o l v et h i sp r o b l e m t h es e n s o rh a sh i g h e r s e n s i t i v i t yt h a nt r a d i t i o n a ls t r a i ng a u g e t h ep r i n c i p l eo fs e n s o r ，s t r u c t u r a ld e s i g n a n dp r o d u c t i o ni ss t u d i e d t h ea p p l i c a t i o no fs e n s o rh a sr e c e i v e da n t i c i p a t e dr e s u l t s t h ef o l l o w i n gf o u rp a r t sa r em a i n l yc o n c e r n e di nt h i sp a p e r ： 1 i nv i e wo fl a r g es p a n si nb r i d g es t r u c t u r e s ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f h i g h l ys e n s i b l e s t r a i ns e n s o rr e a l i z i n gb ys c a l ed i s t a n c et r a n s f e r r i n gi s d e s c r i b e di nd e t a i l s i t ss t r u c t u r a ld e s i g ns c h e m ei sd i s c u s s e di nd e t a i l s t h em a k e u pa n dc o n c r e t es i z eo ft h es e n s o ra r ep r o p o s e d 2 t h em e c h a n i c sa n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h es e n s o rh a sb e e ne x e c u t e d a n dt h ef o r m u l at h a tc a l c u l a t e si t ss e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n ti sd e d u c e d t h e e l a s t i cc o m p o n e n ta n ds e n s o r ss i m u l a t i o n sa r ea c c o m p l i s h e db yt h ef i n i t e e l e m e n ta i d e dd e s i g n 3 t h ec o n c r e t em o d e lo fs e n s o rh a sb e e nm a d ep r a c t i c a l l y t h en o r n l so ft h e s e n s o r ss t a t i cc h a r a c t e r i s t i cs u c ha sl i n e a r i t y ，r e p e a t a b i l i t y ，h y s t c r e s i s ，a n d t h ed y n a m i cf r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ec a l i b r a t e dc o n s c i e n t i o u s l y i nl a b o r a t o r y 4 t h es t r a i ns e n s o rh a sb e e na p p l i e dt oe n g i n e e r i n gs u r v e y si nr e a lb r i d g e t e s t i n g t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e n s o rh a st h ef e a t u r eo fh i g h s e n s i t i v i t y ， s e l f - t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n ， f i n e f r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c t h et e s t i n gs y s t e md o e sn o th a v et oc h a n g eas e c o n di n s t r u m e n t a n dt h es e n s o rc a nb eu s er e p e a t e d l y t h es e n s o ri sa tl o wc o s tw i t hh i g h s e n s i t i v i t y i ti sa ni d e a ls e n s o rf o ri tc a ne x a m i n et h es t r u c t u r a li n f o r m a t i o n o fb r i d g e sq u i c k l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fl i g h ta n dm o v i n gl o a d i n g a b s t r a c t k e y w o r d s ：b r i d g et e s t i n g ；e l a s t i cc o m p o n e n t ；s e n s o r ；f r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声麓：所呈交的论文是本人在导耀的指导下独立逡李亍研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰簿的成果 乍鼎。对本文的研 究徽嵩燕要贡献的个人和集体，均已在文中驭舞确方式标饔。本人完 全意识剿本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：套每匆雷期；纠年月声匿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作赣完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 曩意学竣保留著囊溪家有关郝f 1 或辍构送交论文的笺翻件帮电予舨， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 攒等复铡手段保存鞠汇编本学袋论文。 保密囱，在! 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密西。 ( 请在以上相成方框内打“”) 俸者签名：台乐右 导师签名：许惠历 嚣朝：矽彩年胃，匿 日期；肋? 年臼厶e t 第一章绪论 1 1 桥梁检测技术概述 第一章绪论 1 1 1 桥梁检测的目的 ( 1 ) 桥梁结构的支承条件是随时间变化的 桥梁是通过桩基支承在大地上，岩土是支承物，它由固体矿物、液体水和气 体三部分组成，随着环境的变化，例如天气晴雨、季节变化、温度高低、地下水 的升降、以及桥梁荷重的作用，等等。都会引起土的三相之间的比例发生变化。 这种变化会导致支承条件随时间而变。分析桩基与岩土的受力过程，可以近似用 粘弹塑性力学模型来描述。 ( 2 ) 材料物理性能是随时间变化的 钢、水泥、沙石等建筑材料的物理性能在外部环境作用下也会随时间发生变 化。最常见的有钢材锈蚀、混凝土的徐变与收缩等。实际上任何材料的物理力学 性能都是随时间在不断变化的。所不同的是变化的速度不同而己。且这种变化速 度本身也是随条件不同而变化的。 ( 3 ) 作用在桥梁上的载荷是随时间变化的 当以桥梁为研究对象时，作用在其上面车辆荷载在力学上称为荷载边界条 件。而桥梁支承是位移边界条件。同一研究对象及位移边界条件在不同载荷作用 下其响应可以是完全不同的。作用在桥梁上的载荷最重要的特征是一种交替变化 的载荷，在交变载荷作用下会存在疲劳寿命问题。 总之桥梁建成后就处于一个逐渐演化的过程中，这个过程并不是设计、施工 能完全预见的，在使用过程中只有适时的检测才能防患于未然，避免突发性灾难 的发生。 1 1 2 桥梁检测的任务与方法 桥梁检测的任务分为四个层次，即：桥梁现有保证承载能力：桥梁现有极限 承载能力；给定承载力的使用寿命，除此之外还有大型桥梁的施工控制检测与运 营过程中的长期监测和安全预警。这些检测任务侧重点不同，但所用的方法和技 术一般包括在下述四个层次之中。 1 、第一层次任务的检测方法( 新桥梁检测的方法) 华南理工大学上学硕士学位论文 ( 1 ) 静载试验 找出使用过程中最不利的状态和结构最大应力点，然后用等效载荷加载，测 出这些点的应变、挠度、转角等，与设计规范进行比较，由此确定是否可保证达 到设计承载力。这是最直接最可靠的方法。 ( 2 ) 动载试验 利用一台重约1 0 0 k n 的汽车在桥面上进行跑车、刹车、跳车等加载方式，并 利用速度或加速度传感器测出各加载方式下给定点的动态响应。利用得到的时变 曲线分析出冲击系数、各阶固有频率、阻尼等振动参数。 这两种依照大跨径混凝十- 桥梁试验方法进行的试验基本上可完成新桥第 一层次的检测任务。新桥的检测方法是在假定材料弹性阶段的性能己知，施工符 合设计要求，计算模型正确的前提下进行的。如果施工存在问题，如材料性能、 支承条件、结构几何形状改变，结构内部存在严重缺陷，或计算模型的正确性存 在怀疑，这时常规的新桥检测内容就不够作为桥梁正常使用的判断依据。非常规 的检测可归为旧桥检测，旧桥检测方法可参照公路旧桥承载能力监定方法进 行，增加的内容因具体桥而异。主要有表观检查、局部材料性能及结构缺陷检查 等。采用的方法有取芯、超声波探伤、钢筋锈蚀、裂缝检测、桩基沉降检测( 与 竣工资料比较) 等。动态检测方法如模态试验等在旧桥检测中的应用正在开展。 获得主要试验资料后，可通过分析计算给出一个保证承载力值。 2 、第二层次任务的检测方法 要给出桥梁的极限承载力，在对极限承载力做出界定后，本质上是一个本构 关系的问题。第二层次任务的检测是结构破坏试验，由于极限的界定不同，桥型 及结构不同其困难程度也相差很大。实桥的破坏性试验极少做，只是对结构部件 进行破坏性试验，如简支单片梁、钢管混凝土柱、金属构件、截段全尺寸模拟试 验、单桩承载力、桥梁缩尺模型试验等。原则上只可通过弹塑性有限元程序进行 模拟，结果的有效性取决于计算模型与实桥的吻合程度。 3 、第三层次任务的检测方法 要获得桥梁的使用寿命，必须把握住桥梁的演变历史的规律。凡是与时间相 关的试验都可看作是这一层次的检测内容。如混凝士徐变、收缩，预应力索的应 力松驰，桥梁的氏期观测，斜拉桥拉索的疲劳破上1 ：试验，混凝土裂纹扩展试验等。 实桥使用寿命试验几乎不可能做，但每建成一座桥或开始建一座桥就是一个试验 的开始，问题在于你是否去收集试验数据。桥梁使用寿命的预测有赖相关基础学 科的发展，其中最重要的是疲劳裂纹扩展研究。这一学科在理论方面取得了很大 第一章绪论 进展，在航空方面已得到广泛应用， 研究阶段。如果有足够的试验数据， 而在材料用混凝土的桥梁结构中的应用处于 可望在不久的将来取得重要进展。 4 、施工控制、长期监测和安全预警 施工过程中为了保证施工安全和达到设计要求，往往在施工过程中预埋一些 传感器，对施工过程中结构的受力和材料的蠕变、应力松驰、混凝土收缩变形等 对结构的影响进行实时监测。对于一些特大桥梁，基于其结构复杂和在交通运输 线中的重要性，在全天候进行实时监测的基础上对检测数据进行实时分析处理， 当桥梁处于危险状态时可自动报警和停止运营。 桥梁检测随所提出的任务不同而具有不同的检测内容和方法。目前在保证承 载能力鉴定方面已趋成熟，但在极限承载力和使用寿命预测方面仍有许多工作要 做，正处于迅速发展中。 1 1 3 桥梁检测技术研究的热点、难点及讨论 桥梁检测技术研究的总体趋势是现代科学技术正迅速桥梁检测中得到广泛 应用。 1 、研究的热点 ( a ) 高精度传器 振弦式应变计、光纤应变计、温度自补偿应变计、低频速度传感器、预埋式 应力计( 片) 、预埋温度传感器、预应力锚端测力计等等。 ( b ) 高效高精度测量仪器 探地雷达、激光雷达、激光挠度测量仪、钢筋锈蚀测定仪、钢筋位置测量仪、 数显回弹仪、混凝土超声波探伤仪、红夕 线热成像仪、倾斜仪、桥梁静态数据采 集仪、桥梁动态数据采集仪、钢绞线张拉力测定仪、数显百分表。 ( c ) 集分析与测试于一体的测试系统 为了适用旧桥检测的需要，美国推出了桥梁诊断系统b d i 。它的特点是利用 现场移动载荷检测到的应变作为修正有限元计算模型参数的依据。这样得到的模 型更接近于桥梁真实状态。理论上可由真实的模型推算桥的极限承载力。 ( d ) 动态( 振动) 检测技术 动态检测技术是通过对桥梁整体振动参数的测量，用实验模态分析技术对振 动的频率、振型、阻尼比进行分析。频率可反映结构的动刚度，通过不同时刻动 态频率的对比可了解桥梁整体刚度的变化。如果桥梁产生大量裂纹则频率会降 低。 振型反映了结构支承条件，各截面刚度分布情况，当支承条件发生改变时， 华南理工大学工学硕士学位论文 例如多跨连续梁的支承不均匀时，会在振型上得到反映。阻尼比反映了结构振动 衰减的速度，材料内部细观发生变化时会导致阻尼比的改变。 桥梁模态试验由于结构质量大，通常采用自然脉动激励方法。只要在桥面布 足够的测点就可以在无需施加额外载荷下，经过几十分钟的连续动态数据采集和 分析，就可以得出诊断结果。 ( o ) 数据的远程传输 利用无线联网技术，把桥梁现场自动检测得到的数据传输到资料收集与分析 中心。 2 、难点及讨论 难点：桥梁检测技术的难点在于在给定成本条件下检测什么内容、如何保证 试验数据的精度及可靠性、以及这些数据与桥梁现有承载力、极限承载力、使用 寿命的关系等三个方面。 讨论：对于旧桥，由于裂纹的存在，使得其最大危险点是很难把握的。按断 裂力学观点裂纹尖端应力最大，但裂纹尖端处的参数是很难在现场测量得到。在 钢筋混凝土桥中钢筋的应力是重要的参数，但后期测量也存在困难。 由于桥梁处于一个动态演化过程，长期监测越来越得到专家们的重视，但要 保证在野外环境下敏感元件长期稳定有效存在困难。测量结果是否真实可靠，除 了对仪器进行正确的标定外，更为困难的是现场敏感元件如应变片、速度、加速 度传感器等的安装、周围环境的影响，例如应变片的影响因素就有十几个方面。 其温度、湿度、贴片技术措施影响最为显著。野外电磁干扰、接地不好等会使测 量仪器不能正常工作。更为困难的是对于测试结果的理解，例如外观检查结果 怎样与桥梁承载力相联系，梁底有裂纹时测出的应变值代表什么，与裂纹深度与 分布是什么关系，模态试验结果与桥梁物理参数的定量关系是什么等。完全解决 这些问题有待于进一步的研究，在目前条件下可行的方法是： ( a ) 在施工过程中预埋传感器，例如在受力钢筋上贴片、在混凝土内部预 埋钢筋计、振弦式应力计、光纤传感器、温度计等。在已成桥的试验中可采用能 重复使用的应变计，减少用应变片导致的误差和温度引起的误差。 ( b ) 对付各种干扰产生的影响的一个有效的办法是数据连续采集，由于得 到的是一条曲线，很容易识别各种干扰，便于及时采取措施以及在后期数据处理 中去掉这些干扰。 ( c ) 为了提高对于数据的理解与分析，桥梁在移动荷载作用下的试验具有 重要的意义，它等价于多载位的试验。由于结构状态是确定的，不同载位的响应 是同一结构的响应，在数学上相当于得到多个方程，可以求解的未知数就多，有 助于对结构各个部位的了解，以及同一个部位状态多角度的求证。不同时间比较 4 第一章绪论 试验对于数据的分析理解也具有重要意义，由于实验方法、仪器等条件相同，改 变的是结构，就能较为容易地从试验数据的变化中分析结构的变化。它起到了一 个把差别放大的作用，从这点看，竣工验收试验时的试验质量尤为重要。 ( d ) 大力发展桥梁的动态试验对于提高结构物理参数和缺陷识别具有关键 作用。动态试验与静载试验相比，在信息上等价无穷个载位，采用专用传感器， 可重复使用，具有连续采集数据特点，试验费用相对较低，甚至可以在不中断交 通的情况下进行试验，且有易于进行对比试验等优点。缺点是在物理参数与模态 参数的定量关系上还有待于进一步的研究，目前在定性和特定条件下仍然可以获 得很好的应用。例如斜拉桥索力测量，桥墩不均匀沉降，结构对称性检查，特别 是振型对缺陷的识别具有良好的应用前景。 桥梁检测技术涉及多学科、多领域，且由于试验对象材料本构关系固有 的复杂性，使得这门学科具有浓重的唯象特点。但检测技术并不是桥梁所特有的， 它广泛存在于各个行业中，随着现代科学技术的迅猛发展会日趋完善。真正的困 难是在于如何建立这些数据与三个层次检测任务的联系，而理论计算分析与现场 试验的紧密结合是它的发展趋势。 1 2 本文研究内容的提出及意义 1 问题的提出 由上节关于桥梁检测技术研究任务、热点和难点的讨论，可从信息的获取和 对信息的理解两个方面去把握桥梁检测技术的发展趋势， 在信息获取方面，移动载荷试验和自然脉动下的实验模态分析与传统的动、 静载试验相比大大提高了获取的信息量，由于一个载位相当于提供了一个代数方 程，移动载荷相当于提供了无限个代数方程，从而为求取桥梁的各种实参数提供 了条件，而高阶模态的振型在空间上将桥分为众多的节段，对于缺陷位置的判别 具有特别的作用。但这两种试验方法对传感器技术提出了更高的要求，传统的应 变片的精度无法满足这种要求，假定以1 0 0 k n 单车通行作为移动载荷试验的加载 载荷，它与传统的静载试验载荷大概小1 0 倍( 对于小跨径桥梁) 到4 0 倍( 对于大 跨径桥梁) ，其产生的应变也成相同的倍数减小，而自然脉动下的应变则更小， 这种小应变与二次仪表的干扰信号处于同一个数量级，从而使试验结果的可靠性 不大。 与获取信息相比，在对信息的理解上由于有限元计算技术的充分发展，特别 是计算机技术的迅速发展，可在极短时间内对各种信息进行复杂的处理分析，从 而对信息的理解显得比对信息的获得容易些。 获取信息与对信息的理解这两方面是相互依存的，但从时间顺序来看，是获 5 华南理工人学上学硕士学位论文 取信息先于对信息的理解，只有在获取了大量可靠和精确的信息的基础上，才能 谈得上对它的理解与分析。 从现状来看，获取信息的研究滞后对信息的理解，例如实验模态分析技术从 理论分析来看，对桥梁缺陷诊断具有重要意义，但由于桥梁质量大激振困难使在 常规应变检测技术中难以获取有效信息。 从经济的角度来看，获取信息是需要成本的，如何在低成本下获取大量有效 信息是在工程中获得广泛应用的前提。 根据以上对桥梁检测技术及现状的理解，本文认为发展桥梁检测技术的当务 之急是研制一种高灵敏度、低成本、可用于试验模态及移动载荷试验的传感器， 提高获取的信息的质量和效率。根据桥梁结构质量大，纵横大的特点及移动载荷 和模态试验的检测内容要求，本文提出了利用标距转换原理研制一种高灵敏度、 频响特性好、成本低的传感器的课题，以此来推动桥梁检测技术的发展。 2 研究的意义及作用 研究这种传感器的意义表现在社会意义和科学意义两个方面。 从社会意义上讲，由于传统的动、静载试验需中断交通除对经济造成间接损 失外，直接的过桥费损失再加上试验费( 少则几万多则过百万) 都是上百万元( 中 小桥一般中断8 个小时以上，大桥几天不等，一条路上往往有多座桥梁则更多) 。 由于经济的原因多数桥梁不是在外观上看到明显病害一般都不做检测，而如果有 一种高灵敏度的传感器使得在小移动载荷下能完成桥梁检测任务，则只须封桥十 几分钟即可，大大节约了桥梁检测的成本和提高了工作效率，使检测工作可以更 加普及，减少桥梁的安全隐患。 从科学意义上讲，对于存在病害的桥会存在误判。桥梁损坏必然是某个点到 某个截面( 例如简支梁、连续梁桥) 或重要部件某个截面( 斜拉桥的拉索、拱桥 的吊杆、系杆) 发生破坏时才会导致垮桥或部件断裂，当截面处于危险状态时， 或者某个截面刚度特别低时，它对跨中总挠度贡献并不特别大。当用假定桥梁结 构不存在缺陷的有限元计算结果去理解和判断有限的试验数据时，就可能会把一 座危桥判为合格的桥，从而无法避免重大事故的发生。相反采用移动载荷试验或 自然脉动下的模态试验则有可能分析出这些病害，从而提高了检测结果的准确 一眭。 1 3 本论文的研究内容和重要成果 根据桥梁检测技术的分析和理想桥梁检测系统的提出，在获取信息和对信息 的理解这两方面都存在难点，但在时间顺序上有先后，只有在获取充分的信息以 6 第一章 绪论 后才可能谈得上对它的理解，因此，开发出一种高灵敏度的传感器就成为推动桥 梁检测技术的发展的关键和瓶颈。本文基于上述认识，致力于进行这类高灵敏度 传感器的研制。 本课题提出使用一种新型的高灵敏度应变式传感器，该传感器应具有以下特 点： 1 、具有高灵敏度 为了在营运状态下达到检测桥梁静动态工作性能，它必须比普通应变片具有 更高的灵敏度，假定正常行驶车辆荷重是1 0 0 k n ，则对于中小桥要达到静载试验 的1 2 0 0 1 8 0 0 k n ，需要提高灵敏度2 0 倍以上，如果对于自然脉动载荷则需要达 到1 0 0 倍以上。 2 、无需更改二次仪器仪表 信息的灵敏度除了与传感器本身性能有关外，还与二次仪器仪表的放大性能 有关，而放大器的放大性能与放大器所采用的电子元件和电路有关，通常达到 1 0 0 0 倍以上，但如果输入放大器的信息强度太小，则信息会淹没在放大器的电子 噪音内而无法识别，因此这种高灵敏度传感器的特点不能依赖于二次仪表的放 大，它必须是本身提高输入信号的强度，换句话说，即在无须更改现有的二次仪 器仪表的前提下把灵敏度提高2 0 1 0 0 倍。现有应变测量灵敏度是1 个微应变， 百万分之一的变化即可反映出来。新的传感器则要达到二千万分之一到亿分之一 的灵敏度。 3 、具有连续输出特性 为了满足移动载荷或实验模态分析的需要，传感器的输出必须是连续动态输 出，频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响应时间为l o 。7 s ，若能在弹 性元件设计上采取措施，则应变式传感器可测几十甚至上百k h z 的动态过程，而 应变测量的低频极限是0 h z ，这点对于桥梁这类大型结构具有重要意义，因为大 型桥梁的一阶固有频率均远小于i h z ，而通常速度、加速度传感器及二次仪表的 低频下限均高于它。故新研制的传感器采用电阻应变片这庚可动态连续输出及频 响好的方式。 4 、具有准确的温度自补偿功能 桥梁检测是在野外进行的，气温的变化是无法避免的，严格来说，在桥梁检 测中检测到的应变是多种原因引起的，一般情况下是载荷引起的弹性应变、徐变 应变、收缩应交、体系温度变化应变、温度场温差应变、湿度产生的应变等六项 应变之和。在上述六项应变中除第一项是直接应力应变外，其它各项都包含了有 不产生应力的自由应变和产生应力的约束应变，应力计算需要的是第一项及后五 7 华南理工大学工学硕士学位论文 项中的约束应变，后五项中的自由应变须剔除出来。对于快速动态的桥梁检测， 其中温度影响最为重要，因此新研制的传感器要有准确的温度自补偿功能。 5 、具有可重复使用和装拆方便的特点 为了保证测量结果的可靠性和减少现场作业时间，现有如应变、振弦、光纤 都做成可重复使用的模式，本文提出的新传感器也须具有这些特点。 1 4 本章小结 本章论述了进行桥梁检测的目的，提出桥梁检测四个层次的任务，并从获取 信息和对信息的理解两个方面简述桥梁检测技术研究的热点、难点及发展趋势。 在此基础上提出了本文研究适用桥梁移动载荷试验及模态试验需要的高灵敏度 电阻应变式传感器的内容及要求。 第二章高灵敏度应变式传感器原理、设计和a n s y s 仿真 第二章高灵敏度应变式传感器原理、设计和a n s y s 仿真 2 1 电阻应变式传惑器发展的几个阶段 由于本文研究的是一种应变式传感器，故对电阻应变式传感器的发展作一个 简要回顾是必要的。 由文献2 1 ，早在本世纪3 0 年代末，由美国e s i m m o n s 和a c r u g e 制造出第 一批应变计以后不久，在4 0 年代初( 1 9 4 4 年) 就发明了粘贴式电阻应变传感器。 至今已有半个多世纪的发展历史。随着传感器本身所依赖的各种技术( 材料、元 件、工艺等技术) 的发展，传感器也由单纯作为鉴别控制元件而成为多功能、智 能化的信息测量元件。其间，几乎每隔十年就出现一次质的飞跃。 四、五十年代，是传感器早期发展阶段。传感器的性能直接取决于当时的弹 性材料、纸基丝式应变计以及粘结剂的性能，而这些材料和元件也还处于发展阶 段，性能不尽完善。因此，电阻应变式传感器的准确度、稳定性和元件也都还不 能满足测量技术的要求。只能作为一种判别性的控制元件用于工业生产的过程控 制系统中。 自五十年代，箔式电阻应变计问世后，人们对应变计的温度特性和粘剂的力 学性能加以改善，使传感器的性能以及蠕变性能影响有了明显抑制，精度提高了 约一个数量级。在6 0 年代中期，开始被人们尝试用于测量仪器中( 机电秤) ，从 此进入了测量领域。但是，由于传感器在长期稳定性、抗环境因素影响方面仍存 在许多不足之处，人们仍怀疑其测量的可靠性和广泛应用的可能性。 从6 0 年代末到8 0 年代初的十余年中，由于下述若干方面与传感器性能密切 相关的技术所取得的突破性进展，使电阻应变式传感器获得了前所未有的高速发 展。 ( 1 ) 采用有限元辅助设计方法，使弹性元件的结构更趋合理。 ( 2 ) 性能补偿技术的发展和补偿元件的商品化，弥补了传感器自身固有的缺 陷。 ( 3 ) 自补偿箔式应变计以及传感器专用应变计的不断完善，提高了元件自身 的性能。 ( 4 ) 适合传感器用的新型高性能粘结剂和弹性材料的不断出现，提供了发展 的基础。 ( 5 ) 传感器密封材料和密封技术受到广泛的重视和应用。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 此外，加工工艺、稳定化处理工艺、粘贴工艺、集成工艺等的技术进步，也 使传感器的准确度、可靠性大大提高，在测量技术领域里得到了广泛应用，并成 为发展测力与称重传感器的主流。8 0 年代，在国内外所举行的各种有关测力与称 重技术的学术会议以及举办的传感器展览会上，8 0 论文和展品都离不开电阻 应变式传感器。不仅如此，由于它在精密天平和各国力值基准比对中的应用，从 而步入了具有计量学精度的测量领域。 2 2 电阻应变计及传感器 2 2 1 电阻应变计的工作原理 电阻应变计主要是由敏感栅、基底、引线、粘结剂和表面覆盖物五部分组成。 敏感栅是电阻应变计的主要部分，它的材料为金属( 丝、箔) 或半导体，由物理 学可知，金属丝电阻的变化是与金属本身的材料特性和其几何形状变化有关的， 氏度为l ，横截面积为a 的金属丝，其电阻率为9 ，则金属丝的电阻r 可用下式 来表示： r = p i l ( 2 1 ) 当金属丝受力而变形时，金属丝电阻发生变化，其电阻相对变化量可通过公式 ( 2 1 ) 微分求得： 塑：生+ 丝一坐 r p fa 由于百d a = 却了d l 式中：为金属材料的泊松比。 将公式( 2 - 3 ) 代入公式( 2 - 2 ) 中，经整理得： 塑r = 警川例孚口 。z ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 通常把单位应变所z j i 起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏度系数，其表达式为： = 警= o + 2 a ) 一下a p p ( 2 - 5 ) 从公式( 2 - 5 ) 可以明显看出，电阻丝灵敏系数k o 由两部分组成：( 1 + 2 “) 表示受 力后材料的几何尺寸变化引起的；d p l p 表示由材料电阻率变化所引起的。对于金 1 0 第二章高灵敏度应变式传感器原理、设计和a n s y s 仿真 属材料，业项的值要比( 1 + 2u ) 小得多，可以忽略，故k 0 ：1 + 2 u 。大量实验 证明，在电阻丝拉仲比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比。 2 2 2 传感器的定义 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或 装置。通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受 被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量 的电量信号部分。 2 2 3 传感器的组成 由文献，一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出 信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处 理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器 的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同 一芯片上。如图2 2 所示： 图2 - 2 传感器组成方框图 f i 9 2 2b l o c kd i a g r a mo fs e n s o rc o m p o s i t i o n 常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别 与相应的传感器相配合 2 3 高灵敏度应变式传感器工作原理 根据第一章的分析，为了满足不改变二次仪器仪表及动态连续输出的特点， 决定利用应变片工作的原理，即可通过构件的变形转为应变片电阻的变化，再由 测量电桥将电阻变化转化为电压变化，然后通过电压放大将信息输出。上述传感 华南理工大学工学硕士学位论文 器灵敏度要求的实际上排除了电子放大而是一种机械式放大装置，根据桥梁结构 几何尺寸大，应力或应变梯度小的特点，本文提出了一种最直接和简便的方法来 解决问题，它的基本观点如下，众所周知应变即相对变形，用公式表示为： e = d l l 根据上述公式要增大应变只有增大d l 或减小l ，要做到这一点，一个简便 的方法是设计一个转换装置，它把原有l 的变形d l 接受下来，然后在远小于原 l 的区间l ”来释放。其示意图如下 构件囊面 缭蔓片 图2 - 1传感器工作原理图 f i 9 2 - 1o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fs e n s o r 通常桥梁检测中因为考虑到是混凝土骨料的关系一般是用栅长为8 0 - i 0 0 m m 的应变片，本课题设计的传感器就是把原来l = 1 5 0 m m 标距的变形传递到基长只 有l = 6 m m 的弓形弹性元件上。通过这样的转换，就可以达到提高其灵敏度的目 的，再利用弓形弹性元件上应变片的全桥接法，应变值乘上4 ，灵敏度将可以提 高到原来的2 0 倍以上。全桥接法可温度自补偿。 2 4 高灵敏度应变式传感器的结构尺寸的确定 由于一般桥梁的跨度相对于我们测量应变的测点长度来说是比较大的，桥梁 受载荷后可以看成是没有发生曲率变化的构件，所以测量点的应变可以认为是顺 桥向的拉压应变。对混凝土构件常用的量测标距要求为l o 一2 0 厘米7 1 。 传感器必须具有重复使用的功能，且装卸方便。 由上面的讨论可以初步确定该应变式传感器的结构如下图2 2 所示： 第二章高灵敏度应变式传感器原理、设计和a n s y s 仿真 图2 - 2 传感器结构图 f i 9 2 3 t h es t r u c t u r eo fs e i i s o r 图2 - 3传感器实物图 f i 9 2 3 p i c t u r eo fs e n s o r 传感器的外部结构采用刚度相对大的4 5 号钢经过一定的工艺流程加工而成， 在两个钢轴相对的端部通过钻孔固定上、下两个弓形弹性元件，弓形弹性元件的 华南理工大学工学硕士学位论文 材料采用紫铜片，并用专用的模具压制而成，为消除其压制过程中所产生的残余 应力，铜片都经过了一段时间的时效处理，实际工作时，变形部分为里面的弓形 弹性元件所以应变片布置在弓形弹性元件上，为了方便的把应变片变形后的信号 取出，并焊接导线及其它原因，在外部结构的轴中间钻有引线孔，信号线可以由 孑l 中引出。而传感器的钢轴作为支架，支撑弓形弹性元件并把传感器固定在系统 上。由于钢轴的弹性模量大于铜的弹性模量，且其横截面远大于铜片的横截面， 因此认为在力的作用下钢轴基本不变形。该传感器的弓形弹性元件部分可等效为 一两端固支的刚架。 2 5 高灵敏度应变式传感器弹性体结构设计与计算 2 5 1 弹性元件 设计弹性元件时，应保证应变敏感元件( 应变片) 安装在其上最大应变处， 否则当传感器在满量程使用时，弹性元件上某些部位的材料可能进入塑性状态， 严重影响传感器的精度。 2 5 2 弹性体结构 对于高灵敏度应变式位移传感器来说，弹性体结构设计直接影响其性能。弹 性体结构设计的依据可以概括为以下几项： ( 1 ) 、弹性体对所测位移应有较好的灵敏性； ( 2 ) 、整个结构有足够的刚度； ( 3 ) 、联结和安装方便，机械加工难度适中，易于实现结构设计意图； ( 4 ) 、对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感； ( 5 ) 、弹性体自身具有过载保护能力或便于设置过载保护装置。 实际传感器的制造安装很难同时满足以上各项要求，常用的位移传感器的弹 性体的主要结构有：简单拉压型式，弯曲梁型式，剪切应力型式等。不同类型的 结构型式都有自己的优缺点，都是针对具体使用环境而设计的，实际使用中不具 有通用性。 本论文所采用的弹性体结构为弓形型式，由一片紫铜片弯成一圆弧形，两端 留有固定端固定在刚性元件上，其结构如图2 4 所示： 1 4 第二章高灵敏度应变式传感器原理、设计和a n s y s 仿真 图2 4 传感器弹性体结构图 f i 9 2 - 4 t h es t r u c t u r eo fs e n s o r se l a s t i cb o d y 使用弓形元件的主要特点： ( 1 ) 、具有较高的灵敏系数 由于弓形元件能够起放大作用，因而弓形应变计的灵敏系数高于一般的电阻 应变计，通常在弓形元件的结构、尺寸基本确定的情况下，选择不同的弓高，可 以调整传感器的输出特性。弓高越小，传感器的灵敏度就越高。另外，改变弹性 元件上的应变片的组桥方式也可以改变传感器的灵敏度。 ( 2 ) 、便于实现温度自补偿 安装在弓形元件上的电阻应交计，由其受力特性可组成全桥电路，所以由电 阻应变计所产生的热输出影响基本上能相互抵消。所以弓形应变计的热输出主要 是由于弓形元件的非均匀膨胀以及弓形元件与被测试件之间的热膨胀系数不一 致而造成的。 ( 3 ) 、能够测量小载荷 由于弓形元件的高灵敏度的特点，所以传感器能够测量小载荷( 小应变) 。 2 5 3 灵敏度系数计算 当传感器两端受力压缩或伸长时，导致弓形铜片产生压缩或伸长变形，紧贴 其上的应变片也将同时变形，因此，传感器两端的相对位移可以通过应变片的应 变值来量测。所以，传感器两端的相对位移与应变片应变的关系、弓形铜片的受 力状态和变形特征直接影响该传感器的精度。 位移传感器弓形铜片的受力分析如图2 5 所示。由文献【3 1 可知，弓形铜片可 视为两端固支的三次超静定无铰拱，假设弓形铜片的两个脚共产生一水平相对位 移l ，计算对称的无铰拱( a ) 时，力法的基本结构应取为对称的两悬臂曲梁， 即沿拱顶切开( b ) ，拱顶截面的多余未知力为弯矩x 1 、轴力x 2 和剪力x 3 ，其 1 5 华南理工大学工学硕士学位论文 中弯矩x l 和轴力x 2 是正对称的，剪力x 3 是反对称的，所以可以得到副系数： 丸= 以。= 0 ，炙= & = 0 力法方程为： 但仍有最：= 疋。0 。 为使4 ：= 疋。= o 。如图2 - 5 ( c ) 所示，通过引入“刚臂”，应用弹性中心法 可以实现，这样就可以使力学方程变为三个独立的一元一次方程。 ( b ) 图2 - 5弹性元件计算简图 f i 9 2 5 c a l c u l a t i n gc h a r to fe l a s t i ce l e m e n t d亿 、i叶i 艺 如 鬟驯“矗如 第二章高灵敏度应变式传感器原理、设计和a n s y s 仿真 由结构力学知识可得假想“刚臂”的长度为： 胪譬2 管 ( 2 - 7 ) 对于一般拱，当拱顶截面高度6 1 ，这时，弓形弹性元件就 起到了放大作用了。 考虑以上的条件，本论文的传感器所采用的弓形弹性元件的有关尺寸如下表 所示： 华南理工火学工学硕士学位论文 表2 一l弓形弹性元馥冗德尺寸 弓顶至试件袭面的高度( 咖) 1 5 圆弧半径( m m ) 3 7 5 弓形元转翦厚度( 鞠) 0 。4 由公式( 2 - 1 2 ) 可计算出弓形元件的灵敏系数为： 茁2 丽l y 8 地骐 2 。5 4 弓彤弹性元件灵敏度的有限元分析 为进一步验证弓形弹性元件的灵敏度系数，通过有限元a n s y s 仿真分析，把 理论计算分析、有限元仿真分析的实验结果作比较。 下图分掰是弓形弹馁元件靛育羧元模型的瓣格霞 强2 6弹性元徉的有限元模型 f i 9 2 6t