基于一種電容式傳感器的橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)研究
2017-08-21
1 引言
橋梁是交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成元素，是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，因此確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全極其重要。由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車(chē)輛、風(fēng)、地震、疲勞、人為因素等作用，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部件產(chǎn)生的損傷和劣化。這些損傷與劣化如果不能及時(shí)得到有效的檢測(cè)和維修，將會(huì)影響行車(chē)安全、縮短橋梁使用壽命，甚至導(dǎo)致橋梁突然破壞和倒塌。
新橋驗(yàn)收試驗(yàn)與舊橋評(píng)估檢測(cè)是確保橋梁正常安全運(yùn)營(yíng)的一項(xiàng)重要工作，荷載試驗(yàn)是橋梁承載能力評(píng)定最有效的方法之一，在荷載試驗(yàn)時(shí)，合理檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)（如應(yīng)力應(yīng)變、撓度、動(dòng)力參數(shù)）是試驗(yàn)中最主要的內(nèi)容。撓度直接反映橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出危險(xiǎn)范圍，是評(píng)價(jià)橋梁安全性的重要指標(biāo)，因此正確有效地檢測(cè)橋梁撓度直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的可靠性。
對(duì)斜拉橋、懸索橋及剛構(gòu)橋等大跨度橋梁，因跨度大、河面寬、橋面高差大、橋面離水面高、測(cè)點(diǎn)布置多、溫差變化大，試驗(yàn)往往需夜間，目前常用的撓度測(cè)量方法有位移計(jì)法、水準(zhǔn)儀法、全站儀法、連通管法、光電法等，但在使用上會(huì)受到各種客觀條件限制?；诖吮疚难邪l(fā)出一款利用電容測(cè)量技術(shù)與連通管原理有機(jī)結(jié)構(gòu)的橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)撓度測(cè)量方法的不足，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、適用場(chǎng)合廣，且便于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化檢測(cè)。
2 電容傳感器數(shù)學(xué)模型
圖1中由兩個(gè)同軸圓柱形導(dǎo)體組成一個(gè)圓柱形電容器，其內(nèi)導(dǎo)體外半徑為r，外導(dǎo)體內(nèi)半徑為R，導(dǎo)體長(zhǎng)度為h。當(dāng)hR-r時(shí)，導(dǎo)體兩端邊緣效應(yīng)可忽略，圓柱體可視為無(wú)窮長(zhǎng)，則其電容為
（1）
當(dāng)被測(cè)液體的液位在同心圓柱形內(nèi)高度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致電容變化，此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)同軸圓柱形電容器并聯(lián)，由式（1）得
?。?）
令
則式（2）變?yōu)?
C=a+bx（3）
式中：
為被測(cè)液體介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)；
h為圓柱形導(dǎo)體長(zhǎng)度，R為外導(dǎo)體內(nèi)徑，r為內(nèi)導(dǎo)體外徑；
x為液面當(dāng)前高度。
由式（3）可知，圓柱形電容的輸出電容與液面高度x成線性關(guān)系。系數(shù)a、b與傳感器結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、液體介質(zhì)種類(lèi)有關(guān)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方式來(lái)獲得。當(dāng)使用水作為液體介質(zhì)時(shí)，介電常數(shù)隨水質(zhì)與溫度變化而變化，由此對(duì)系數(shù)b所帶來(lái)的測(cè)量影響是不能忽略的，在實(shí)際應(yīng)用中必須進(jìn)行有效的修正。
3 橋梁撓度測(cè)量原理
由電容傳感器、水體及連通管構(gòu)成一個(gè)完整的橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），將測(cè)量傳感器固定在橋梁指定位置，用帶水的連通管連接一起時(shí)，調(diào)節(jié)水量使液面保持在傳感器量程內(nèi)某位置處。當(dāng)橋梁撓度發(fā)生變化時(shí)，傳感器安裝位置高程隨之發(fā)生變化，其內(nèi)的液面也發(fā)生相應(yīng)改變，通過(guò)測(cè)量電路可測(cè)出此時(shí)電容值，即可計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的液面高度。
假設(shè)在橋墩附近位置安裝一個(gè)傳感器作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)初始狀態(tài)時(shí)各測(cè)量點(diǎn)液面測(cè)量值為 （i為測(cè)點(diǎn)編號(hào)）
當(dāng)橋梁撓度發(fā)生變化時(shí)，各測(cè)點(diǎn)液面測(cè)量值為 （j為測(cè)點(diǎn)第幾次測(cè)量）
則各測(cè)點(diǎn)液面位置變化為
?。?）
由此可計(jì)算出各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)的高差為
?。?）
電容式撓度傳感器正是利用被測(cè)液體的介電常數(shù)，將液位轉(zhuǎn)化成電容變化來(lái)表征輸入信號(hào)大小以實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量。該傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、分辨率高、體積小、安裝方便，但液體介質(zhì)種類(lèi)及溫度變化造成的介電常數(shù)變化是影響其測(cè)量精度、重復(fù)性及穩(wěn)定性的主要因素。
液體介質(zhì)種類(lèi)對(duì)測(cè)量精度的影響，可以通過(guò)使用前在線校準(zhǔn)方法得以有效消除。環(huán)境溫度對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響，本文通過(guò)單獨(dú)使用一個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算出環(huán)境溫度修正項(xiàng)，此傳感器應(yīng)安裝在與其它傳感器相同的使用環(huán)境中，用同類(lèi)介質(zhì)充滿到指定高度后與連通管隔離，通過(guò)它測(cè)量結(jié)果來(lái)在線計(jì)算出當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量精度的修正項(xiàng)。傳感器內(nèi)的液體介質(zhì)溫度與種類(lèi)影響修正項(xiàng)由專(zhuān)用處理軟件完成。
4 電容傳感器結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路設(shè)計(jì)
撓度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由兩個(gè)同軸圓筒組成電容兩個(gè)電極，兩個(gè)電極使用同種金屬材料做成，經(jīng)氧化處理后確保兩筒間絕緣，兩筒間隙形成儲(chǔ)液腔。在外筒下底部設(shè)計(jì)可與連通管相接的進(jìn)水口，上端設(shè)計(jì)有小孔與空氣相連，以確保測(cè)量時(shí)水位變化流暢。為提高測(cè)量精度，減少寄生電容等影響，在傳感器頂部集成的測(cè)量電路組合成一個(gè)一體化智能傳感器，在內(nèi)部設(shè)計(jì)有自動(dòng)校準(zhǔn)標(biāo)，并通過(guò)RS485口與外部通訊，形成分布式測(cè)量結(jié)構(gòu)體系中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
電容測(cè)量前端選用MS3110芯片，它是個(gè)具有極低噪聲的通用電容讀出接口芯片，采用調(diào)制解調(diào)方式來(lái)對(duì)單電容或差動(dòng)電容變化的測(cè)量，其測(cè)量范圍為（0.25-10）pF，理論精度達(dá)4aF。其內(nèi)部基本電路由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、采樣保持電路、低通濾波及放大器組成如圖所示。CS1IN，CS2IN為檢測(cè)電容，CS1、CS2為芯片內(nèi)部可調(diào)補(bǔ)償電容，用于調(diào)節(jié)輸入電容不對(duì)稱(chēng)而引起的偏置，LPF為低通濾波器，GAIN為可調(diào)節(jié)增益環(huán)節(jié)。
測(cè)量時(shí)通過(guò)MSC51系列單片機(jī)對(duì)MS3110芯片寫(xiě)入不同控制字進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，平衡外部容差，減小輸出電壓偏置，使工作在較好的線性范圍內(nèi)。使用集成有100kHz的轉(zhuǎn)換速率、12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的MSC51系列單片機(jī)作為上位機(jī)，并使用軟件過(guò)采樣平均技術(shù)將片內(nèi)12位A/D轉(zhuǎn)換精度提高到18位。使用MS3110芯片2.25V參考電壓輸出作為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，實(shí)現(xiàn)比率測(cè)量來(lái)提高電源看干擾能力。硬件電路如圖4所示，P1.1口作為時(shí)鐘與MS3110的時(shí)鐘端相連，P1.2與MS3110的SDATA端相連將控制字寫(xiě)入MS3110。利用單片機(jī)集成的串行口，通過(guò)MAX485芯片接口，實(shí)現(xiàn)與外部雙向通訊，并使用廣播接收、查詢(xún)輸出的傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)在分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)的同步測(cè)量。
5 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)論
用所開(kāi)發(fā)的電容撓度傳感器，并編制相應(yīng)的Windows應(yīng)用軟件，在大跨度剛構(gòu)橋動(dòng)靜載試驗(yàn)中典型實(shí)測(cè)橋面撓度見(jiàn)圖5，經(jīng)幾座橋梁應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明：
?。?）傳感器體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)單，不受橋面高差影響，使用環(huán)境條件寬；
?。?）液體介質(zhì)對(duì)測(cè)量精度的影響可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式有效解決；
（3）環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度的影響可使用補(bǔ)償傳感器在線修正；
?。?）一體化智能傳感器設(shè)計(jì)可方便地實(shí)現(xiàn)分布式同步自動(dòng)測(cè)量。
參考文獻(xiàn)
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[4]Irvine sensors Corp， MS3110 Data Sheet，2012.
作者單位
上海建科檢驗(yàn)有限公司 上海市 201108
