压力传感器在现代桥梁中的应用分析-陈永超

1、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： 2021 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；扩散硅式压力传感器；压电式压力

2、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 problem and

3、 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 silicon type

4、, 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 TOC o 1-3 u 前言41、压力传感器在现代桥梁中应用现状 PAGEREF _Toc324513643 h 4振弦式压力传感器在桥梁中的应用现状 PAGEREF _Toc324

5、513644 h 4扩散硅式压力传感器在桥梁中的应用现状 PAGEREF _Toc324513645 h 4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 PAGEREF _Toc324513647 h 5振弦式压力传感器在桥梁索力监测中的应用分析 PAGEREF _Toc324513648 h 5振弦式压力传感器的应用原理 PAGEREF _Toc324513649 h 5振弦式压力传感器在应用中存在问题及解决方法 PAGEREF _Toc324513650 h 6扩散硅式压力传感器在桥梁应力检测中的应用分析 PAGEREF _Toc324513651 h 7扩散硅

6、式压力传感器的应用原理 PAGEREF _Toc324513652 h 7扩散硅式压力传感器在应用中存在问题及解决方法 PAGEREF _Toc324513653 h 8压电式压力传感器在桥梁动力测量中的应用分析 PAGEREF _Toc324513654 h 9压电式压力传感器的应用原理 PAGEREF _Toc324513655 h 9压电式压力传感器在应用中存在问题及解决方法 PAGEREF _Toc324513656 h 103、完毕语 PAGEREF _Toc324513657 h 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

7、下，在电介质的外表上产生电荷，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，同时在它的两个外表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、构造简单、易于集成化等优点,随着科学技术的开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立飞速开展，对道路桥梁、高速铁路

8、、大坝等大型根底设施的建立力度逐渐加大，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展简单的阐述。用现状就当前桥梁工程的开展现状来看，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

9、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。 扩散硅式压力传感器在桥梁中的应用现状目前，扩散硅式压力传感器在桥梁工程方面多用于构造截面的应力监测，如混凝土应力、钢筋应力、钢构造应力等构造截面的应力。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拟成功的应用实例。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开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

10、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会改良到可以进展静态测量。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

11、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。 振弦Tl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鼓励钢弦振动，当钢弦振动的频率和振弦的自身频率一样时，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

12、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，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，为桥梁的平安监测提供可靠的保证。激振电路振弦式传感器1器PWM波扫频信号 单片机MC51定时器/计数器通道选择开关GPRS模块振弦式传感器2振弦式传感器3通道管理RS232串口振弦式传感器15信号调理谐振电路存储模块振弦式传感器16 图2 索力检测原理整体框图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

13、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准确；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到达预期效果。鉴于振弦式压力传感器在桥梁应用存在的三种问题，下面我们对解决方法进展具体分析：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

14、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展修改，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展温度修改，修改后应变Ex为: 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； F0零点时温度系数，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，20MN，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

15、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展标定，在标定结果无误的情况下方可进展使用。对索力的设计标准进展改变，在实际的施工中对桥梁的拉索进展张拉。由于一般的拉索桥梁有12根拉索，不能同时进展张拉，我们一般每次选择4根索进展张拉，这样我们就分成了三批，对于三批拉索进展分级重复张拉。由于分批张拉对索力的测量会有影响，在分批张拉完毕后，我们还需要对桥梁的索力进展重新的测量。同时，为了准确的控制桥梁在施工过程中的张力，确保桥梁构造到达预期的结果，我们还要把千斤顶油表与振

16、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，张拉必须立即停顿。对原因进展分析，及时解决问题，一般情况下重新调整张拉索力。扩散硅式压力传感器在桥梁应力检测中的应用分析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，其核心局部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，R2、R3所感受的是正应变，R1、R4所感受的是负应变

17、，四个电阻之间面积较大、阻值较小的扩散电阻引线连接，构成全桥。硅片的外表用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，将硅杯和玻璃基板严密地 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

18、电压信号。扩散硅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，具有本钱低、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扩散硅式压力传感器在应用中存在问题及解决方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，其内部原子构造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影响测量结果的系统问题。扩散

19、硅式压力传感器在检测构造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方法很简单，直接更换扩散硅式压力传感器。系统问题解决方法归纳起来有两大类：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，比拟繁琐、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，现代桥梁工程中根本不采用这种方法。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，利用补偿算法对扩散硅式传感器产生温度误差进展修改使之准确。扩散硅式压力传感器温

20、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展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，而且本钱比拟低，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。压电式压力传感器在桥梁动力测量中的应用分析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 HYPERLINK t _blank 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

21、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、膜片和压电元件三局部构成如图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外表产生电荷，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、末级功放、电源几局部组成。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

22、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展安装传感器，对于元件损坏的进展更换来解决问题。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、完毕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，不仅可以防止不利现象的发生，同时对保证