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橋梁健康監(jiān)測中振動傳感器的原理與應用——賽斯維傳感器網(wǎng)

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月07日 11:55

　　橋梁和大型建筑結(jié)構的健康監(jiān)測系統(tǒng)是綜合了現(xiàn)代傳感器技術、信號測試分析與處理技術、數(shù)據(jù)傳輸通訊技術及結(jié)構分析預測理論等多個領域知識, 經(jīng)過大量現(xiàn)場應用實踐的積累研制而成的系統(tǒng)產(chǎn)品，可以測試、存儲、分析并提供運營中橋梁及建筑結(jié)構狀態(tài)的多種信息，對整個結(jié)構狀態(tài)進行連續(xù)的、實時的、在線的健康狀態(tài)監(jiān)測和評估，對結(jié)構的安全性作出實時、準確的評價，極大地延拓傳統(tǒng)人工檢測內(nèi)容，實現(xiàn)預測維修，提高養(yǎng)護維修的管理水平，保障橋梁和大型建筑結(jié)構的可靠性、安全性和耐久性，避免潛在的災難性事件發(fā)生。

　　一、橋梁健康檢測常用振動傳感器的工作原理及特點

　　常用于橋梁健康檢測的傳感器主要有壓電式、電容式、壓阻式等。

　　壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理，敏感性較高,與之相匹配的是電荷放大器。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感用具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動丈量傳感器。

　　電容式加速度的結(jié)構形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當質(zhì)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環(huán)境適應性好等特點，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現(xiàn)在信號的輸進與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。

　　壓阻式加速度計的敏感芯體為半導體材料制成電阻丈量電橋，其結(jié)構動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。其芯體是固定在懸臂梁的應變計,與之匹配的放大器是動態(tài)應變儀。

　　壓阻形式敏感芯體的設計具有很大的靈活性以適合各種不同的丈量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊丈量，到直流高靈敏度的低頻丈量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器丈量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，丈量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻丈量。超小型化的設計也是壓阻式傳感器的一個亮點。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。

　　二、各類振動傳感器在應用中的局限

　　壓電式加速度傳感器的結(jié)構簡單，貿(mào)易化使用歷史也很長，但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能丈量零頻率的信號。

　　電容式加速度傳感器在實際應用中較多地用于低頻丈量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且本錢也比壓電式加速度傳感器高得多。計低頻響應好、阻尼穩(wěn)定且過載能力強,適合應用于低頻、微振等振動測量。MEAS（精量電子）加速度傳感器產(chǎn)線提供的4020/4030電容式加速度傳感器，采用電容式硅MEMS傳感元件，使得4020加速度傳感器在關鍵測量應用中具有非常好的高解析度和長期穩(wěn)定性。

4020雙軸加速度傳感器

　　壓阻式加速度傳感器的設計和應用盡管具有很大靈活性，但對某個特定設計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器本錢價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造本錢將遠高于壓電型加速度傳感器。MEAS（精量電子）加速度傳感器產(chǎn)線提供的3801A/4801A壓阻式加速度傳感器，采用全密封的堅固外殼。3801A加速度傳感器量程從±2g到±2000g，氣態(tài)阻尼，提供寬頻率響應。3801A加速度傳感器內(nèi)置機械過載限位，過載沖擊保護可達10000g，帶溫度補償，提供非常穩(wěn)定的輸出。