基于一种电容式传感器的桥梁挠度测量系统研究
2017-08-21
1 引言
桥梁是交通运输网络的重要组成元素，是城市基础设施建设的重要内容，因此确保桥梁结构运营安全极其重要。由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，将导致结构各部件产生的损伤和劣化。这些损伤与劣化如果不能及时得到有效的检测和维修，将会影响行车安全、缩短桥梁使用寿命，甚至导致桥梁突然破坏和倒塌。
新桥验收试验与旧桥评估检测是确保桥梁正常安全运营的一项重要工作，荷载试验是桥梁承载能力评定最有效的方法之一，在荷载试验时，合理检测桥梁结构的关键状态参数（如应力应变、挠度、动力参数）是试验中最主要的内容。挠度直接反映桥梁结构形变是否超出危险范围，是评价桥梁安全性的重要指标，因此正确有效地检测桥梁挠度直接关系到试验结果评价的可靠性。
对斜拉桥、悬索桥及刚构桥等大跨度桥梁，因跨度大、河面宽、桥面高差大、桥面离水面高、测点布置多、温差变化大，试验往往需夜间，目前常用的挠度测量方法有位移计法、水准仪法、全站仪法、连通管法、光电法等，但在使用上会受到各种客观条件限制。基于此本文研发出一款利用电容测量技术与连通管原理有机结构的桥梁挠度测量系统，克服了传统挠度测量方法的不足，其结构简单、安装方便、适用场合广，且便于实现长期监测与自动化检测。
2 电容传感器数学模型
图1中由两个同轴圆柱形导体组成一个圆柱形电容器，其内导体外半径为r，外导体内半径为R，导体长度为h。当hR-r时，导体两端边缘效应可忽略，圆柱体可视为无穷长，则其电容为
（1）
当被测液体的液位在同心圆柱形内高度发生变化时，将导致电容变化，此时，相当于两个同轴圆柱形电容器并联，由式（1）得
（2）
令
则式（2）变为
C=a+bx（3）
式中：
为被测液体介电常数，为真空介电常数；
h为圆柱形导体长度，R为外导体内径，r为内导体外径；
x为液面当前高度。
由式（3）可知，圆柱形电容的输出电容与液面高度x成线性关系。系数a、b与传感器结构的几何参数、液体介质种类有关，可通过实验标定方式来获得。当使用水作为液体介质时，介电常数随水质与温度变化而变化，由此对系数b所带来的测量影响是不能忽略的，在实际应用中必须进行有效的修正。
3 桥梁挠度测量原理
由电容传感器、水体及连通管构成一个完整的桥梁挠度测量系统（见图2），将测量传感器固定在桥梁指定位置，用带水的连通管连接一起时，调节水量使液面保持在传感器量程内某位置处。当桥梁挠度发生变化时，传感器安装位置高程随之发生变化，其内的液面也发生相应改变，通过测量电路可测出此时电容值，即可计算出测点的液面高度。
假设在桥墩附近位置安装一个传感器作为参考基准点，设初始状态时各测量点液面测量值为 （i为测点编号）
当桥梁挠度发生变化时，各测点液面测量值为 （j为测点第几次测量）
则各测点液面位置变化为
（5）
由此可计算出各测量点相对于参考基准的高差为
（6）
电容式挠度传感器正是利用被测液体的介电常数，将液位转化成电容变化来表征输入信号大小以实现液位的测量。该传感器具有许多优点：结构简单、灵敏度高、分辨率高、体积小、安装方便，但液体介质种类及温度变化造成的介电常数变化是影响其测量精度、重复性及稳定性的主要因素。
液体介质种类对测量精度的影响，可以通过使用前在线校准方法得以有效消除。环境温度对介质介电常数的影响，本文通过单独使用一个传感器的测量数据，来计算出环境温度修正项，此传感器应安装在与其它传感器相同的使用环境中，用同类介质充满到指定高度后与连通管隔离，通过它测量结果来在线计算出当时环境温度变化对测量精度的修正项。传感器内的液体介质温度与种类影响修正项由专用处理软件完成。
4 电容传感器结构与测量电路设计
挠度传感器结构如图3所示，它由两个同轴圆筒组成电容两个电极，两个电极使用同种金属材料做成，经氧化处理后确保两筒间绝缘，两筒间隙形成储液腔。在外筒下底部设计可与连通管相接的进水口，上端设计有小孔与空气相连，以确保测量时水位变化流畅。为提高测量精度，减少寄生电容等影响，在传感器顶部集成的测量电路组合成一个一体化智能传感器，在内部设计有自动校准标，并通过RS485口与外部通讯，形成分布式测量结构体系中的一个节点。
电容测量前端选用MS3110芯片，它是个具有极低噪声的通用电容读出接口芯片，采用调制解调方式来对单电容或差动电容变化的测量，其测量范围为（0.25-10）pF，理论精度达4aF。其内部基本电路由电容补偿电路、电荷积分电路、采样保持电路、低通滤波及放大器组成如图所示。CS1IN，CS2IN为检测电容，CS1、CS2为芯片内部可调补偿电容，用于调节输入电容不对称而引起的偏置，LPF为低通滤波器，GAIN为可调节增益环节。
测量时通过MSC51系列单片机对MS3110芯片写入不同控制字进行内部参数设置，平衡外部容差，减小输出电压偏置，使工作在较好的线性范围内。使用集成有100kHz的转换速率、12位A/D模数转换精度的MSC51系列单片机作为上位机，并使用软件过采样平均技术将片内12位A/D转换精度提高到18位。使用MS3110芯片2.25V参考电压输出作为内部A/D转换器的参考电压，实现比率测量来提高电源看干扰能力。硬件电路如图4所示，P1.1口作为时钟与MS3110的时钟端相连，P1.2与MS3110的SDATA端相连将控制字写入MS3110。利用单片机集成的串行口，通过MAX485芯片接口，实现与外部双向通讯，并使用广播接收、查询输出的传输协议，实现在分布式结构的测量系统中各测点的同步测量。
5 应用实例与结论
用所开发的电容挠度传感器，并编制相应的Windows应用软件，在大跨度刚构桥动静载试验中典型实测桥面挠度见图5，经几座桥梁应用验证，结果表明：
（1）传感器体积小、重量轻、安装简单，不受桥面高差影响，使用环境条件宽；
（2）液体介质对测量精度的影响可通过现场校准方式有效解决；
（3）环境温度对测量精度的影响可使用补偿传感器在线修正；
（4）一体化智能传感器设计可方便地实现分布式同步自动测量。
参考文献
[1]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京：人民交通出版社，2002.
[2]王安元.桥梁荷载试验挠度测量方法的运用[J].工程与试验，2012（1）.
[3]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M]北京：国防工业出版社，1999.
[4]Irvine sensors Corp， MS3110 Data Sheet，2012.
作者单位
上海建科检验有限公司 上海市 201108
