基于一種電容式傳感器的橋梁撓度測量系統(tǒng)研究
2017-08-21
1 引言
橋梁是交通運輸網(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)運營安全極其重要。由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，將導致結(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得到有效的檢測和維修，將會影響行車安全、縮短橋梁使用壽命，甚至導致橋梁突然破壞和倒塌。
新橋驗收試驗與舊橋評估檢測是確保橋梁正常安全運營的一項重要工作，荷載試驗是橋梁承載能力評定最有效的方法之一，在荷載試驗時，合理檢測橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)（如應力應變、撓度、動力參數(shù)）是試驗中最主要的內(nèi)容。撓度直接反映橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出危險范圍，是評價橋梁安全性的重要指標，因此正確有效地檢測橋梁撓度直接關(guān)系到試驗結(jié)果評價的可靠性。
對斜拉橋、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、測點布置多、溫差變化大，試驗往往需夜間，目前常用的撓度測量方法有位移計法、水準儀法、全站儀法、連通管法、光電法等，但在使用上會受到各種客觀條件限制。基于此本文研發(fā)出一款利用電容測量技術(shù)與連通管原理有機結(jié)構(gòu)的橋梁撓度測量系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)撓度測量方法的不足，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、適用場合廣，且便于實現(xiàn)長期監(jiān)測與自動化檢測。
2 電容傳感器數(shù)學模型
圖1中由兩個同軸圓柱形導體組成一個圓柱形電容器，其內(nèi)導體外半徑為r，外導體內(nèi)半徑為R，導體長度為h。當hR-r時，導體兩端邊緣效應可忽略，圓柱體可視為無窮長，則其電容為
?。?）
當被測液體的液位在同心圓柱形內(nèi)高度發(fā)生變化時，將導致電容變化，此時，相當于兩個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：
為被測液體介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)；
h為圓柱形導體長度，R為外導體內(nèi)徑，r為內(nèi)導體外徑；
x為液面當前高度。
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)種類有關(guān)，可通過實驗標定方式來獲得。當使用水作為液體介質(zhì)時，介電常數(shù)隨水質(zhì)與溫度變化而變化，由此對系數(shù)b所帶來的測量影響是不能忽略的，在實際應用中必須進行有效的修正。
3 橋梁撓度測量原理
由電容傳感器、水體及連通管構(gòu)成一個完整的橋梁撓度測量系統(tǒng)（見圖2），將測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，調(diào)節(jié)水量使液面保持在傳感器量程內(nèi)某位置處。當橋梁撓度發(fā)生變化時，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)生相應改變，通過測量電路可測出此時電容值，即可計算出測點的液面高度。
假設(shè)在橋墩附近位置安裝一個傳感器作為參考基準點，設(shè)初始狀態(tài)時各測量點液面測量值為 （i為測點編號）
當橋梁撓度發(fā)生變化時，各測點液面測量值為 （j為測點第幾次測量）
則各測點液面位置變化為
?。?）
由此可計算出各測量點相對于參考基準的高差為
（6）
電容式撓度傳感器正是利用被測液體的介電常數(shù)，將液位轉(zhuǎn)化成電容變化來表征輸入信號大小以實現(xiàn)液位的測量。該傳感器具有許多優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、分辨率高、體積小、安裝方便，但液體介質(zhì)種類及溫度變化造成的介電常數(shù)變化是影響其測量精度、重復性及穩(wěn)定性的主要因素。
液體介質(zhì)種類對測量精度的影響，可以通過使用前在線校準方法得以有效消除。環(huán)境溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響，本文通過單獨使用一個傳感器的測量數(shù)據(jù)，來計算出環(huán)境溫度修正項，此傳感器應安裝在與其它傳感器相同的使用環(huán)境中，用同類介質(zhì)充滿到指定高度后與連通管隔離，通過它測量結(jié)果來在線計算出當時環(huán)境溫度變化對測量精度的修正項。傳感器內(nèi)的液體介質(zhì)溫度與種類影響修正項由專用處理軟件完成。
4 電容傳感器結(jié)構(gòu)與測量電路設(shè)計
撓度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由兩個同軸圓筒組成電容兩個電極，兩個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，兩筒間隙形成儲液腔。在外筒下底部設(shè)計可與連通管相接的進水口，上端設(shè)計有小孔與空氣相連，以確保測量時水位變化流暢。為提高測量精度，減少寄生電容等影響，在傳感器頂部集成的測量電路組合成一個一體化智能傳感器，在內(nèi)部設(shè)計有自動校準標，并通過RS485口與外部通訊，形成分布式測量結(jié)構(gòu)體系中的一個節(jié)點。
電容測量前端選用MS3110芯片，它是個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)方式來對單電容或差動電容變化的測量，其測量范圍為（0.25-10）pF，理論精度達4aF。其內(nèi)部基本電路由電容補償電路、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為檢測電容，CS1、CS2為芯片內(nèi)部可調(diào)補償電容，用于調(diào)節(jié)輸入電容不對稱而引起的偏置，LPF為低通濾波器，GAIN為可調(diào)節(jié)增益環(huán)節(jié)。
測量時通過MSC51系列單片機對MS3110芯片寫入不同控制字進行內(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系列單片機作為上位機，并使用軟件過采樣平均技術(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，實現(xiàn)比率測量來提高電源看干擾能力。硬件電路如圖4所示，P1.1口作為時鐘與MS3110的時鐘端相連，P1.2與MS3110的SDATA端相連將控制字寫入MS3110。利用單片機集成的串行口，通過MAX485芯片接口，實現(xiàn)與外部雙向通訊，并使用廣播接收、查詢輸出的傳輸協(xié)議，實現(xiàn)在分布式結(jié)構(gòu)的測量系統(tǒng)中各測點的同步測量。
5 應用實例與結(jié)論
用所開發(fā)的電容撓度傳感器，并編制相應的Windows應用軟件，在大跨度剛構(gòu)橋動靜載試驗中典型實測橋面撓度見圖5，經(jīng)幾座橋梁應用驗證，結(jié)果表明：
?。?）傳感器體積小、重量輕、安裝簡單，不受橋面高差影響，使用環(huán)境條件寬；
（2）液體介質(zhì)對測量精度的影響可通過現(xiàn)場校準方式有效解決；
（3）環(huán)境溫度對測量精度的影響可使用補償傳感器在線修正；
（4）一體化智能傳感器設(shè)計可方便地實現(xiàn)分布式同步自動測量。
參考文獻
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[4]Irvine sensors Corp， MS3110 Data Sheet，2012.
作者單位
上海建科檢驗有限公司 上海市 201108
