浅谈桥梁智能监测云系统建设(之二)-传感器选型

2021-01-21 08:33:41 3

前一段时间,笔者写了“浅谈桥梁智能监测云系统建设之一”,这一篇来填坑了,主要与大家探讨系统的第一层:传感器子系统中的传感器选型原则。传感器的选型是否合适,直接影响到数据的质量,高质量的数据是结构损伤识别和安全评估的基础,因此传感器选型是否合适是健康监测系统能否达到预定目标的关键。

传感器选型应选用技术成熟、性能先进、经济实用、安装维护方便和便于系统集成。同时应满足测量范围、测量精度、分辨率、灵敏度、线性度、重复性、动态频响特性、稳定性、耐久性和环境适应性要求。

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每种传感器的选型细说起来,就比较复杂了,今天主要讨论振动测量。今年检师考试中也考到了相应的考点,今天我们以振动参量测量时传感器的选型作为例子,一起探讨一下吧。

振动测量一般分为以下几类:幅值测量、固有频率测量、模态测试和其他类型测量。按测量振动参量可分为三大类:位移传感器、速度传感器和加速度传感器。一般来讲,位移传感器适用于低频测量,速度传感器适用于中频测量,加速度传感器适用于中高频测量。由于加速度传感器具有生产工艺成熟、频响范围宽、动态范围大、安装方便等特点,因而在工程应用中比较广泛。

选型时需要综合考虑的因素较多,主要包括以下两个方面:

(1)传感器的一般技术特性要满足测量需要,不同类型传感器的具体要求均不同,主要包括:

量程:能够测量的被测量的范围,是选择传感器的首先考虑。如测点位置的振动量级宜为选择传感器量程的60%~80%,这样能保证信噪比高,且不会过载。

灵敏度:能够测量的被测量的最小变化量。

通常量程大的传感器,灵敏度低,量程小的传感器,灵敏度高。传感器的灵敏度越高,则传感器的质量越大,传感器的输出电压越大,信噪比越高,分辨能力越强。对于测试不同的结构,应选择相匹配的传感器量程。

谐振频率:传感器本身也是一个结构,也存在固定频率,通常把传感器的第一阶固有频率称为谐振频率。传感器尺寸越小,谐振频率越高。加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率,一般传感器的工作频率范围在其自身谐振频率的1/3以下。

精度:测量值与真值之间的符合程度。

频率响应范围:是测振传感器的重要指标,通常加速度传感器低频特性较差,信号衰减严重,而在高频段线性度差,非线性影响严重。传感器的频响范围要稍高于被测结构物的振动频率。

线性度:由于传感器测量时只能输入单一灵敏度,因此,用于描述在一定频响范围内,传感器的灵敏度是否满足实际的灵敏度指标,即为线性度。如果传感器不在线性区段进行测量,则测量得到的幅值误差较大,一般要求传感器非线性小于1%。

横向效应:当测量某个方向的振动时,输出信号应该全部来自振动感知方向,但实际上在与该方向垂直的方向也有信号输出,这种效应称为横向效应。横向效应灵敏度越低,性能越好,一般而言,传感器都存在一定的横向效应,通常标称横向效应小于5%。

传感器安装方式:传感器安装时,需要综合考虑多种方面对其影响,主要有安装刚度、安装平面、安装方向、安装手法、防护条件等。安装刚度对其影响最大,传感器最好是直接将传感器固定在被测结构上,二者之间无其他安装支架,但有时安装支架又是必不可少的,这就或多或少会带来一些寄生振动,因此要求安装支架的自振频率是被测振动频率的5~10倍以上。安装刚度越大,传感器系统的自振频率越高,能用于测量的频带也就越高。

   


图文源于作者张硕玉(中交路建交通科技有限公司监测测事业部高级工程师,主要从事桥梁结构健康监测系统研究与工程)

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