桥梁健康监测中振动传感器的原理与应用——赛斯维传感器网

　　桥梁和大型建筑结构的健康监测系统是综合了现代传感器技术、信号测试分析与处理技术、数据传输通讯技术及结构分析预测理论等多个领域知识, 经过大量现场应用实践的积累研制而成的系统产品，可以测试、存储、分析并提供运营中桥梁及建筑结构状态的多种信息，对整个结构状态进行连续的、实时的、在 线的健康状态监测和评估，对结构的安全性作出实时、准确的评价，极大地延拓传统人工检测内容，实现预测维修，提高养护维修的管理水平，保障桥梁和大型建筑 结构的可靠性、安全性和耐久性，避免潜在的灾难性事件发生。

　　一、桥梁健康检测常用振动传感器的工作原理及特点

　　常用于桥梁健康检测的传感器主要有压电式、电容式、压阻式等。

　　压电式传感器是利用弹簧质量系统原理，敏感性较高,与之相匹配的是电荷放大器。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感用具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动丈量传感器。

　　电容式加速度的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输进与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。

　　压阻式加速度计的敏感芯体为半导体材料制成电阻丈量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。其芯体是固定在悬臂梁的应变计,与之匹配的放大器是动态应变仪。

　　压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的丈量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击丈量，到直流高灵敏度的低频丈量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器丈量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，丈量频率范围到几十千赫兹的高频丈量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。

　　二、各类振动传感器在应用中的局限

　　压电式加速度传感器的结构简单，贸易化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能丈量零频率的信号。 

　　电容式加速度传感器在实际应用中较多地用于低频丈量，其通用性不如压电式加速度传感器，且本钱也比压电式加速度传感器高得多。 计低频响应好、阻尼稳定且过载能力强,适合应用于低频、微振等振动测量。MEAS（精量电子）加速度传感器产线提供的4020/4030电容式加速度传感器，采用电容式硅MEMS传感元件，使得4020加速度传感器在关键测量应用中具有非常好的高解析度和长期稳定性。

4020双轴加速度传感器

　　压阻式加速度传感器的设计和应用尽管具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。在价格方面，大批量使用的压阻式传感器本钱价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯体制造本钱将远高于压电型加速度传感器。MEAS（精量电子）加速度传感器产线提供的3801A/4801A压阻式加速度传感器，采用全密封的坚固外壳。3801A加速度传感器量程从±2g到±2000g，气态阻尼，提供宽频率响应。3801A加速度传感器内置机械过载限位，过载冲击保护可达10000g，带温度补偿，提供非常稳定的输出。

3801A加速度传感器

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