傳感器在土工測(cè)試中應(yīng)用及其選用原則

1．引言

隨著科技的迅速發(fā)展，大量的工程測(cè)試問(wèn)題不斷的出現(xiàn)，各種傳感器在土工測(cè)試中也正在得到廣泛的應(yīng)用，如在鐵路橋梁、路基、機(jī)車車輛、儀器制造、爆破、抗震、航空航天設(shè)備等領(lǐng)域。工程測(cè)試的儀器種類繁多，測(cè)試結(jié)果受傳感器、記錄與分析設(shè)備、操作人員的熟練程度等多方面的影響，其中傳感器的選擇在測(cè)試中至為關(guān)鍵。在當(dāng)今的信息時(shí)代里，信息產(chǎn)業(yè)包括信息采集、傳輸、處理三部分，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)由于超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，而已經(jīng)充分發(fā)達(dá)后，不僅對(duì)傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息量要求越來(lái)越高，還要求其成本低廉且使用方便，而傳統(tǒng)傳感器在功能、特性、體積、成本等已難以滿足使用的需要。所以進(jìn)行滿足應(yīng)用需要的各種傳感器新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)顯得越來(lái)越重要。

2．傳感器工作原理及選用原則

2.1 工作原理

傳感器是一種能將物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。輸出信號(hào)有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。如果把計(jì)算機(jī)比作大腦，那么傳感器則相當(dāng)于五官，傳感器能正確感受被測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量起決定性作用。目前在橋梁、隧道、線路、房屋建筑等工程結(jié)構(gòu)的研究、設(shè)計(jì)、建造與使用中，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論、選定設(shè)計(jì)方案、鑒定工程質(zhì)量以及分析使用中產(chǎn)生的問(wèn)題，往往需要對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)，而像土壓力傳感器、加速度傳感器、位移計(jì)傳感器、CCD 傳感器等都是獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的直接媒介。

2.2 選用原則

現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)存在著上千差萬(wàn)別，所以在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量之前首先要根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器。傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理，所以傳感器的選擇顯得尤為重要，現(xiàn)把傳感器的選用原則總結(jié)如下。

2.2.1 精度

精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求即可，不必選得過(guò)高。這樣就可在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單合理的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。

2.2.2 線性范圍

傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。通常當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。

2.2.3 靈敏度的選擇

在土工測(cè)試時(shí)，在傳感器的線性范圍內(nèi)，通常希望傳感器的靈敏度越高越好。但傳感器靈敏度高有其優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是傳感器靈敏度高，被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值就比較大，有利于信號(hào)處理。缺點(diǎn)是傳感器的靈敏度高，與測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

2.2.4 穩(wěn)定性

傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。比如在鐵路路基動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期測(cè)試中就要求土壓力傳感器，其工作環(huán)境就是隱蔽潮濕且常受水分的影響，所以要求穩(wěn)定性要好。因此在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。土工測(cè)試中傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過(guò)使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

2.2.5 頻率響應(yīng)特性

土工測(cè)試中傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，固有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。

在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)與響應(yīng)特性，避免產(chǎn)生較大的誤差。綜上所述，要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。

3 傳感器技術(shù)的發(fā)展

目前世界許多國(guó)家都在加快對(duì)傳感器新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，并且都已取得極大的突破。如今傳感器新技術(shù)的發(fā)展，主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 利用新材料

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)進(jìn)步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器；光導(dǎo)纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器；用陶瓷制成壓力傳感器。高分子聚合物能隨周圍環(huán)境的相對(duì)濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。高分子電介常數(shù)小，水分子能提高聚合物的介電常數(shù)。將高分子電介質(zhì)做成電容器，測(cè)定電容容量的變化，即可得出相對(duì)濕度。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無(wú)中介液的干式壓力傳感器。采用先進(jìn)的陶瓷技術(shù)，厚膜電子技術(shù)，其技術(shù)性能穩(wěn)定，年漂移量小于0.1%F.S，溫漂小于±0.15%/10K，抗過(guò)載強(qiáng)，可達(dá)量程的數(shù)百倍。測(cè)量范圍可從0 到60MPa。德國(guó)E+H 公司和美國(guó)Kavlio 公司產(chǎn)品處于領(lǐng)先地位。光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，其最早用于光通信技術(shù)。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測(cè)量光波量的變化，就可知道導(dǎo)致這些光波量變化的溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小，利用這些原理可研制出光導(dǎo)纖維傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點(diǎn)：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。光纖傳感受器與集成光路技術(shù)相結(jié)合，加速光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學(xué)元件和無(wú)源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬、低的信號(hào)處理電壓，可靠性高，成本低。光纖傳感器日本處于先進(jìn)水平，如Idec Izumi 公司和Sunx 公司等。另外擴(kuò)散硅傳感器在土工測(cè)試中也有很好的應(yīng)用前景。

3.2 發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象

利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理，所以研究發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要工作，是研究開(kāi)發(fā)新型傳感器的基礎(chǔ)。日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁性傳感器，是傳感器技術(shù)的重大突破，其靈敏度高，僅次于超導(dǎo)量子干涉器件。它的制造工藝遠(yuǎn)比超導(dǎo)量子干涉器件簡(jiǎn)單?？捎糜诖懦上窦夹g(shù)，有廣泛推廣價(jià)值。利用抗體和抗原在電極表面上相遇復(fù)合時(shí)，會(huì)引起電極電位的變化，利用這一現(xiàn)象可制出免疫傳感器。用這種抗體制成的免疫傳感器可對(duì)某生物體內(nèi)是否有這種抗原作檢查。如用肝炎病毒抗體可檢查某人是否患有肝炎，起到快速、準(zhǔn)確作用。美國(guó)加州大學(xué)巳研制出這類傳感器。

3.3 微機(jī)械加工技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)中的加工方法有氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝，各向?qū)愿g及蒸鍍，濺射薄膜等，這些都已引進(jìn)到傳感器制造。因而產(chǎn)生了各種新型傳感器，如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出硅微傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制壓力傳感器等。日本橫河公司利用各向?qū)愿g技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，制成全硅諧振式壓力傳感器。核心部分由感壓硅膜片和硅膜片上面制作的兩個(gè)諧振梁結(jié)成，兩個(gè)諧振梁的頻差對(duì)應(yīng)不同的壓力，用頻率差的方法測(cè)壓力，可消除環(huán)境溫度等因素帶來(lái)的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩個(gè)諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個(gè)頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測(cè)量最高精度可達(dá)0.01%FS。美國(guó) Silicon Microstructure Inc.(SMI)公司開(kāi)發(fā)一系列低價(jià)位，線性度在0.1%到0.65%范圍內(nèi)的硅微壓力傳感器，最低滿量程為0.15psi(1KPa)，其以硅為材料制成，具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，輕細(xì)微機(jī)械加工，和多次蝕刻制成惠斯登電橋于硅膜片上，當(dāng)硅片上方受力時(shí)，其產(chǎn)生變形，電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)而失去電橋平衡，輸出與壓力成比例的電信號(hào).象這樣的硅微傳感器是當(dāng)今傳感器發(fā)展的前沿技術(shù)，其基本特點(diǎn)是敏感元件體積為微米量級(jí)，是傳統(tǒng)傳感器的幾十、幾百分之一。在工業(yè)控制、航空航天領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)等方面有重要的作用，如飛機(jī)上利用可減輕飛機(jī)重量，減少能源。另一特點(diǎn)是能敏感微小被測(cè)量，可制成血壓壓力傳感器。中國(guó)航空總公司北京測(cè)控技術(shù)研究所，研制的 CYJ 系列濺謝膜壓力傳感器是采用離子濺射工藝加工成金屬應(yīng)變計(jì)，它克服了非金屬式應(yīng)變計(jì)易受溫度影響的不足，具有高穩(wěn)定性，適用于各種場(chǎng)合，被測(cè)介質(zhì)范圍寬，還克服了傳統(tǒng)粘貼式帶來(lái)的精度低、遲滯大、蠕變等缺點(diǎn)，具有精度高、可靠性高、體積小的特點(diǎn)，廣泛用于航空、石油、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。

3.4 集成傳感器

集成傳感器的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法達(dá)到的，它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時(shí)集成在一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)、補(bǔ)償、自診斷和網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它可降低成本、增加產(chǎn)量。

3.5 智能化傳感器

智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，是微型計(jì)算機(jī)和傳感器相結(jié)合的成果，它兼有檢測(cè)、判斷和信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點(diǎn)：具有判斷和信息處理功能，能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償，因而提高測(cè)量精度；可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測(cè)量；有自診斷和自校準(zhǔn)功能，提高可靠性； 測(cè)量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計(jì)算機(jī)直接通信。把傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、單片機(jī)集成在一芯片上形成超大規(guī)模集成化的高級(jí)智能傳感器。美國(guó)HONY WELL 公司ST-3000 型智能傳感器，芯片尺寸才有3×4×2mm3，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制成CPU、EPROM、靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。

3.6 專業(yè)化傳感器

隨著各個(gè)專業(yè)學(xué)科的發(fā)展，對(duì)傳感器的需求也越來(lái)越趨向于“專業(yè)化”，比如對(duì)鐵路路基土工測(cè)試來(lái)講就是開(kāi)發(fā)一些簡(jiǎn)單易行的傳感器模板，模板上可隨意安裝加速度計(jì)、土壓力盒等傳感器，這樣可以實(shí)現(xiàn)成批量的埋設(shè)傳感器，直接測(cè)量同一段面下道心及兩個(gè)鋼軌下的加速度、動(dòng)應(yīng)力等量測(cè)值，節(jié)約大量的人力物力。

傳感器的發(fā)展日新月異，特別是 80 年代人類由高度工業(yè)化進(jìn)入信息時(shí)代以來(lái)，傳感器技術(shù)向更新、更高的技術(shù)發(fā)展。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的傳感器技術(shù)發(fā)展最快，我國(guó)由于基礎(chǔ)薄弱，傳感器技術(shù)與這些發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大的差距。因此，我們應(yīng)該加大對(duì)傳感器技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)的投入，使我國(guó)傳感器技術(shù)與外國(guó)差距縮短，同時(shí)也促進(jìn)我國(guó)傳感器在土工測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展。

4．總結(jié)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，多種交叉學(xué)科的相互滲透與應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)新的發(fā)展方向。電子技術(shù)、振動(dòng)理論、機(jī)械理論也都在土工測(cè)試中占有越來(lái)越重要的地位。本文總結(jié)了傳感器在土工測(cè)試中的應(yīng)用以及選擇的原則，并且提出目前傳感器最新發(fā)展情況以及發(fā)展方向，為土工測(cè)試中傳感器的應(yīng)用提供一些可借鑒的建議 電流變送器相關(guān)文章:電流變送器原理