傳感器在土工測試中應(yīng)用及其選用原則

1．引言

隨著科技的迅速發(fā)展，大量的工程測試問題不斷的出現(xiàn)，各種傳感器在土工測試中也正在得到廣泛的應(yīng)用，如在鐵路橋梁、路基、機車車輛、儀器制造、爆破、抗震、航空航天設(shè)備等領(lǐng)域。工程測試的儀器種類繁多，測試結(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試中至為關(guān)鍵。在當(dāng)今的信息時代里，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)、計算機技術(shù)?，F(xiàn)代的計算機技術(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)達后，不僅對傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息量要求越來越高，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。所以進行滿足應(yīng)用需要的各種傳感器新技術(shù)的研究與開發(fā)顯得越來越重要。

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)換成電信號的器件。輸出信號有不同形式，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，是自動檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。如果把計算機比作大腦，那么傳感器則相當(dāng)于五官，傳感器能正確感受被測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對系統(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、建造與使用中，為了驗證設(shè)計理論、選定設(shè)計方案、鑒定工程質(zhì)量以及分析使用中產(chǎn)生的問題，往往需要對工程結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)或者動態(tài)的試驗，而像土壓力傳感器、加速度傳感器、位移計傳感器、CCD 傳感器等都是獲得試驗數(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)存在著上千差萬別，所以在進行某個量的測量之前首先要根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器。傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(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重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求即可，不必選得過高。這樣就可在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單合理的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級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量精度。在選擇傳感器時，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。實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。通常當(dāng)所要求測量精度比較低時，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，這會給測量帶來極大的方便。

2.2.3 靈敏度的選擇

在土工測試時，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)點也有缺點。優(yōu)點是傳感器靈敏度高，被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值就比較大，有利于信號處理。缺點是傳感器的靈敏度高，與測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，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的環(huán)境適應(yīng)能力。比如在鐵路路基動應(yīng)力長期測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)對其使用環(huán)境進行調(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瑴p小環(huán)境的影響。土工測試中傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進行標(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期使用而又能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。

2.2.5 頻率響應(yīng)特性

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

在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)與響應(yīng)特性，避免產(chǎn)生較大的誤差。綜上所述，要進行一個具體的測量工作，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。因為，即使是測量同一物理量，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)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能根據(jù)測量對象與測量環(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

目前世界許多國家都在加快對傳感器新技術(shù)的研究與開發(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，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用先進的陶瓷技術(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，抗過載強，可達量程的數(shù)百倍。測量范圍可從0 到60MPa。德國E+H 公司和美國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、磁場等環(huán)境條件變化時，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤姸?、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測量光波量的變化，就可知道導(dǎo)致這些光波量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小，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：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實現(xiàn)遙測等。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)元件和無源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬、低的信號處理電壓，可靠性高，成本低。光纖傳感器日本處于先進水平，如Idec Izumi 公司和Sunx 公司等。另外擴散硅傳感器在土工測試中也有很好的應(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)量子干涉器件簡單?？捎糜诖懦上窦夹g(shù)，有廣泛推廣價值。利用抗體和抗原在電極表面上相遇復(fù)合時，會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。美國加州大學(xué)巳研制出這類傳感器。

3.3 微機械加工技術(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諧振梁結(jié)成，兩個諧振梁的頻差對應(yīng)不同的壓力，用頻率差的方法測壓力，可消除環(huán)境溫度等因素帶來的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，兩個諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測量最高精度可達0.01%FS。美國 Silicon Microstructure Inc.(SMI)公司開發(fā)一系列低價位，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，具有獨特的三維結(jié)構(gòu)，輕細(xì)微機械加工，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，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.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)，其基本特點是敏感元件體積為微米量級，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，如飛機上利用可減輕飛機重量，減少能源。另一特點是能敏感微小被測量，可制成血壓壓力傳感器。中國航空總公司北京測控技術(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，它克服了非金屬式應(yīng)變計易受溫度影響的不足，具有高穩(wěn)定性，適用于各種場合，被測介質(zhì)范圍寬，還克服了傳統(tǒng)粘貼式帶來的精度低、遲滯大、蠕變等缺點，具有精度高、可靠性高、體積小的特點，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)勢是傳統(tǒng)傳感器無法達到的，它不僅僅是一個簡單的傳感器，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)、補償、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，是微型計算機和傳感器相結(jié)合的成果，它兼有檢測、判斷和信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點：具有判斷和信息處理功能，能對測量值進行修正、誤差補償，因而提高測量精度；可實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測量；有自診斷和自校準(zhǔn)功能，提高可靠性； 測量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計算機直接通信。把傳感器、信號調(diào)節(jié)電路、單片機集成在一芯片上形成超大規(guī)模集成化的高級智能傳感器。美國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

隨著各個專業(yè)學(xué)科的發(fā)展，對傳感器的需求也越來越趨向于“專業(yè)化”，比如對鐵路路基土工測試來講就是開發(fā)一些簡單易行的傳感器模板，模板上可隨意安裝加速度計、土壓力盒等傳感器，這樣可以實現(xiàn)成批量的埋設(shè)傳感器，直接測量同一段面下道心及兩個鋼軌下的加速度、動應(yīng)力等量測值，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)化進入信息時代以來，傳感器技術(shù)向更新、更高的技術(shù)發(fā)展。美國、日本等發(fā)達國家的傳感器技術(shù)發(fā)展最快，我國由于基礎(chǔ)薄弱，傳感器技術(shù)與這些發(fā)達國家相比有較大的差距。因此，我們應(yīng)該加大對傳感器技術(shù)研究、開發(fā)的投入，使我國傳感器技術(shù)與外國差距縮短，同時也促進我國傳感器在土工測試技術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展。

4．總結(jié)

隨著技術(shù)的進步，多種交叉學(xué)科的相互滲透與應(yīng)用已經(jīng)成為一個新的發(fā)展方向。電子技術(shù)、振動理論、機械理論也都在土工測試中占有越來越重要的地位。本文總結(jié)了傳感器在土工測試中的應(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