传感器在土工测试中应用及其选用原则-电子工程世界

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1．引言

随着科技的迅速发展，大量的工程测试问题不断的出现，各种传感器在土工测试中也正在得到广泛的应用，如在铁路桥梁、路基、机车车辆、仪器制造、爆破、抗震、航空航天设备等领域。工程测试的仪器种类繁多，测试结果受传感器、记录与分析设备、操作人员的熟练程度等多方面的影响，其中传感器的选择在测试中至为关键。在当今的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便，而传统传感器在功能、特性、体积、成本等已难以满足使用的需要。所以进行满足应用需要的各种传感器新技术的研究与开发显得越来越重要。

2．传感器工作原理及选用原则

2.1 工作原理

传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。目前在桥梁、隧道、线路、房屋建筑等工程结构的研究、设计、建造与使用中，为了验证设计理论、选定设计方案、鉴定工程质量以及分析使用中产生的问题，往往需要对工程结构进行静态或者动态的试验，而像土压力传感器、加速度传感器、位移计传感器、CCD 传感器等都是获得试验数据的直接媒介。

2.2 选用原则

现代传感器在原理与结构存在着上千差万别，所以在进行某个量的测量之前首先要根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器。传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理，所以传感器的选择显得尤为重要，现把传感器的选用原则总结如下。

2.2.1 精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求即可，不必选得过高。这样就可在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单合理的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

2.2.2 线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。通常当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

2.2.3 灵敏度的选择

在土工测试时，在传感器的线性范围内，通常希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器灵敏度高有其优点也有缺点。优点是传感器灵敏度高，被测量变化对应的输出信号的值就比较大，有利于信号处理。缺点是传感器的灵敏度高，与测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

2.2.4 稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。比如在铁路路基动应力长期测试中就要求土压力传感器，其工作环境就是隐蔽潮湿且常受水分的影响，所以要求稳定性要好。因此在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。土工测试中传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

2.2.5 频率响应特性

土工测试中传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，固有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)与响应特性，避免产生较大的误差。综上所述，要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能根据测量对象与测量环境确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

3 传感器技术的发展

目前世界许多国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面。

3.1 利用新材料

传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1%F.S，温漂小于±0.15%/10K，抗过载强，可达量程的数百倍。测量范围可从0 到60MPa。德国E+H 公司和美国Kavlio 公司产品处于领先地位。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高，结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高，成本低。光纤传感器日本处于先进水平，如Idec Izumi 公司和Sunx 公司等。另外扩散硅传感器在土工测试中也有很好的应用前景。

3.2 发现并利用新现象

利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出这类传感器。

3.3 微机械加工技术

半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。日本横河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达0.01%FS。美国 Silicon Microstructure Inc.(SMI)公司开发一系列低价位，线性度在0.1%到0.65%范围内的硅微压力传感器，最低满量程为0.15psi(1KPa)，其以硅为材料制成，具有独特的三维结构，轻细微机械加工，和多次蚀刻制成惠斯登电桥于硅膜片上，当硅片上方受力时，其产生变形，电阻产生压阻效应而失去电桥平衡，输出与压力成比例的电信号.象这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术，其基本特点是敏感元件体积为微米量级，是传统传感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的 CYJ 系列溅谢膜压力传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变计易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗等领域。

3.4 集成传感器

集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量。

3.5 智能化传感器

智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点：具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高测量精度；可实现多传感器多参数测量；有自诊断和自校准功能，提高可靠性；测量数据可存取，使用方便；有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器。美国HONY WELL 公司ST-3000 型智能传感器，芯片尺寸才有3×4×2mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、EPROM、静压、压差、温度等三种敏感元件。

3.6 专业化传感器

随着各个专业学科的发展，对传感器的需求也越来越趋向于“专业化”，比如对铁路路基土工测试来讲就是开发一些简单易行的传感器模板，模板上可随意安装加速度计、土压力盒等传感器，这样可以实现成批量的埋设传感器，直接测量同一段面下道心及两个钢轨下的加速度、动应力等量测值，节约大量的人力物力。

传感器的发展日新月异，特别是 80 年代人类由高度工业化进入信息时代以来，传感器技术向更新、更高的技术发展。美国、日本等发达国家的传感器技术发展最快，我国由于基础薄弱，传感器技术与这些发达国家相比有较大的差距。因此，我们应该加大对传感器技术研究、开发的投入，使我国传感器技术与外国差距缩短，同时也促进我国传感器在土工测试技术中的应用与发展。

4．总结

随着技术的进步，多种交叉学科的相互渗透与应用已经成为一个新的发展方向。电子技术、振动理论、机械理论也都在土工测试中占有越来越重要的地位。本文总结了传感器在土工测试中的应用以及选择的原则，并且提出目前传感器最新发展情况以及发展方向，为土工测试中传感器的应用提供一些可借鉴的建议

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