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1、南京交通职业技术学院毕 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： 2012 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
2、力传感器；压电式压力传感器；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 p
3、roblem and 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 si
4、licon type, 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 录前言41、压力传感器在现代桥梁中应用现状41.1振弦式压力传感器在桥梁中的应用现状41.2扩散硅式压力传感器在桥梁中的应用现状41.3压电式压力传感器在桥梁中的应用
5、现状52、压力传感器在现代桥梁中的应用分析52.1振弦式压力传感器在桥梁索力监测中的应用分析52.1.1振弦式压力传感器的应用原理52.1.2振弦式压力传感器在应用中存在问题及解决方法62.2扩散硅式压力传感器在桥梁应力检测中的应用分析72.2.1扩散硅式压力传感器的应用原理72.2.2扩散硅式压力传感器在应用中存在问题及解决办法82.3压电式压力传感器在桥梁动力测量中的应用分析92.3.1压电式压力传感器的应用原理92.3.2压电式压力传感器在应用中存在问题及解决方法103、结束语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下，在
6、电介质的表面上产生电荷，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，同时在它的两个表面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、结构简单、易于集成化等优点,随着科学技术的发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设飞速发展，对道路桥梁、高速铁路、大坝
7、等大型基础设施的建设力度逐渐加大，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行简单的阐述。1.1振弦式压力传感器在桥梁中的应用现状就当前桥梁工程的发展现状来看，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
8、影响；目前开发并进入实用阶段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。 1.2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结构截面的应力监测，如混凝土应力、钢筋应力、钢结构应力等结构截面的应力。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较成功的应用实例。1.3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发展现状和实用的角度考虑，压电
9、式压力传感器在桥梁应用中只用于测量通过桥梁车辆的动态应力。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进到可以进行静态测量。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2.1.1振弦式压力传感器的应用原理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
10、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激励钢弦振动，当钢弦振动的频率和振弦的自身频率相同时，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
11、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，为桥梁的安全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2.1.2振弦式压力传感器在应用中
12、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精确；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达到预期效果。鉴于振弦式压力传感器在桥梁应用存在的三种问题，下面我们对解决办法进行具体分析：（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
13、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行修改，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行温度修改，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
14、机构标定合格，中国计量科学研究院校准使用的计量标准为20MN基准测力机，型号为0.520MN，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行标定，在标定结果无误的情况下方可进行使用。对索力的设计标准进行改变，在实际的施工中对桥梁的拉索进行张拉。由于一般的拉索桥梁有12根拉索，不能同时进行张拉，我们一般每次选择4根索进行张拉，这样我们就分成了三批，对于三批拉索进行分级重复张拉。由于分批张拉对索力的测量会有影响，在分批张拉结束后，我们还需要对桥梁的索力进行重新的测量。同时，为了精确的控制桥梁在施工过程中的张力，确保桥梁结构达到预期的结果，我们还要把千斤顶油表与振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，张拉必须立即停止。对原因进行分析，及时解决问题，一般情况下重新调整张拉索力。2
