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传感器的选用

1、 测力传感器和油压传感器的选用

       仪器的荷载通道可配接各种量程的应变式测力传感器和压力传感器。

      应变式测力传感器种类多,几乎占到测力传感器的70%,应用相当广泛,它的测量范围大,测试精度高,线性好,重复性与长期稳定性好,寿命长。我们一般选用轮辐式或柱式的品种。从得到良好的测试结果来考虑,我们一般首先推荐使用轮辐式测力传感器。它除了具备一般测力传感器的优点外,更重要的是它具有优良的抗偏载和抗侧力的能力,这一特点在我们的现场测试尤为重要。

      压力传感器的特点是体积小巧,使用,保管方便,价格便宜,测量范围仅与千斤顶工作压力有关,而与千斤顶的额定出力无关,即配用不同出力的千斤顶均可使用同一个压力传感器。

      测力传感器和压力传感器是二种检测对象完全不同的传感器。

       在桩基试验中测力传感器置于被测桩基之上,直接测读桩基实际承受的荷载值,它属于直接测读方式。而压力传感器(包括变送器)则置于加载设备的油路之中,利用测读油路中油压再乘以千斤顶柱塞面积来换算出桩基承受的载荷值。这属于一种间接测量方式。

      由于二种传感器分属于二种测量方式,那么由此而来的一些问题则应该引起我们足够的了解与重视。

      采用测力传感器直接进行载荷的测量,是一种标准的高精度的测量。它从根本上改变了传统的使用机械式油压表测量油压来换算荷载值的落后手段。也只有采用它,才能真正发挥出电测技术精度高的优点。在我们这个系统内,荷载通道的测量精度主要由传感器本身的精度指标来保证。也就是说如果采用的是常用的0.5%精度的测力传感器,那么荷载通道的测量精度将可保证在0.5%,而不增加其他误差。

      采用压力传感器测油压换算实际荷载的方法,不管采用信号传送不同的压力传感器还是压力变送器,也不管是应变式或压阻式的传感器或变送器,它的测量实质只是等同于传统的机械式压力表。所不同的只是传感器本身的精度和分辨率较机械压力表为高罢了,而其他因素引起的各种误差则是不可避免的。

      由于目前传感器的制造水平已经很高,各种类型的传感器,变送器的性能指标都可以做到很好,精度一般为0.1%~0.5%,而其他因素产生的误差要大的多,所以在这里我们完全可以忽略传感器本身的精度给我们带来的误差,而只讨论其他因素在使用压力传感器时所带来的误差。

      在现场试验中,由于堆载重物的不平衡、倾斜,锚桩拉杆受力的不均匀,造成千斤顶受到横向力的影响。压力传感器测量的值是包括横向力和垂直力两者的合力,而规范要求的单桩竖向抗压试验是仅测桩基的垂直力。因此力的分解必然带来不可避免的误差。

      这些现场中客观存在且又十分普遍的偏心受力和横向受力现象,有时带来的误差往往远远超过了我们的承受能力,甚至可以达到20%,(请参考:中国建材出版社《桩基工程测试技术》一书中“大吨位静力试桩测试方法的探讨”一文)。采用压力传感器(当然也包括油压表)测量油压来换算荷载对此是无能为力的。这当然也是由于过去建筑行业的相对落后,测试设备的局限性造成的。设备的局限性使你发现不了这个问题,更谈不上对此作进一步的探讨和解决了。可喜的是在测试技术不断提高的今天,我们已完全有可能也完全有必要对于以这个问题加以重视,并得到了很好的解决。轮辐式测力传感器优良的抗偏载与抗横向受力的优点轻而易举的解决了这个问题。

      使用测力传感器只需对自身进行率定(由生产厂商提供保证),保证良好精度就可以了。而使用压力传感器除了要对自身进行率定,保证良好精度外,还要与使用千斤顶一起进行率定,以得到油压与千斤顶出力的关系,这样才能保证其精度指标。但事实上对于广大的普通用户,进行这种率定不容易做到的。更何况在大吨位测试时多个千斤顶并联工作时这种率定就更无法进行了。

      根据以上分析一般情况下我们认为,对于常规试验(5000kN以下规模),尤其是复合地基抗压的500kN以下试验,应该使用测力传感器进行。首选品种应推轮辐式测力传感器。对于5000kN以上规模试验,由于目前国内常用的千斤顶及测力传感器量程最大的在5000kN左右,量程再大,则需加工定做,且价格昂贵。所以单台大量程设备的方案不易采用。因此可使用多台千斤顶,多只测力传感器并联测试的方法。这样测试精度可以得到保证,但使用起来比较麻烦,而且多个传感器的价格同样也难以接受。所以除了一些重要工程要求较高而应用外,一般较少采用这种方式。 在目前这种情况下,对于大于5000kN的工程中,使用压力传感器也不失为一种权益之计。一般较大吨位的试验荷载测试误差稍大一些还是可以忍受的。虽然与使用测力传感器相比,整个系统精度较低,但是由于客观条件所限,用使用比较方便以及价格比较便宜来降低测试精度的要求,也应该算是一种比较现实的方法。不过,使用者对使用压力传感器造成测试精度低的原因以及所带来的误差应该有一个明确的认识和妥善的处理。

2、 位移传感器的选用

       现行的建筑桩基承载力试验规范对沉降观测的要求是比较高的。机械式百分表,准确可靠,精度高,有着优异的稳定性(极小的温漂和时漂)。长期以来,在桩基试验中占据着不可取代的地位,也是桩基试验中电测中最难逾越的关键之一。根本原因在于各种各样的模拟式位移传感器,如常见的应变式的(包括机电一体的)电阻式的,差动变 压器式的,电感调频式的等等,虽然它们的一些性能指标也做得比较好,如分辨率,大量程,使用方便性等,但是由于这类传感器因它们的原理所致,一项十分重要的稳定性 能,即温度漂移和时间漂移,很难达到我们测试现场的实际要求。换句话说,很难真正取代机械式百分表。按照传感器的国家标准,其温漂指标应满足每10℃温度变化所引起的输出值的变化应不大于满量程的精度指标。其时漂指标应满足每8小时输出值的变化同样也应不大于满量程的精度指标。比如,量程为50mm,精度为0.2%的位移传感器,当温度有10℃变化或放置8小时,即可能引起0.1mm的变化量。试验规范是将每小时不大于0.1mm作为判稳标准的,而短时间或昼夜引起数度或十几度的温度变化在测试现场是十分常见的,其后果是根本就无法正确的判稳,甚至于不得不终止试验。所以我们认为对沉降观测的精度及稳定度的要求比荷载通道更为重要。它的好坏将严重影响到我们测试数据的真实性、可靠性。这一点必须引起我们的重视。

       以上例子的分析是在认可该传感器的稳定性指标确实达到相应的精度等级的基础上进行的。但是在现实传感器市场中,有的种类由于其工作原理、材料、工艺水平、生产成本或生产标准等原因所限,致使生产厂所提供的温度漂移、时间漂移指标是很有水份的或者是无实用价值的。从表面提供的该参数看完全可以满足我们测试现场的实用要求,但是这类传感器在使用中发现其稳定性很差,温度稍有变化或时间稍长,输出即有较大的漂移,与所提供的指标相差较大。原因何在呢?原来是生产厂测试时的一个重要的测试条件没告诉用户:该类传感器的与时漂指标的测定是在传感器量程的某一固定点进行的。这类传感器由于其内部电路工作的原理所定,必须对其进行温度补偿,以提高它的稳定性,保证其性能指标。由于补偿的原理有限,只能做到一点最好,兼顾其他。正是由于这种补偿原理,致使它的温漂指标的测试要固定在补偿最好的这一点进行。这样做的结果是如果将该传感器接入仪器,把测量点固定于补偿点附近,其稳定性的确可以达到其精度指标,但当测量点在其他位置,尤其是在离此点最远处时,其漂移程度则是我们无法承受的了。这种现象在传感器量程越大时越显著。这种传感器单从性能指标上看,应该是无所非议的,但是这样的指标又有什么实际意义呢?

       正是由于模拟类的位移传感器普遍的漂移较大的缺陷,造成了广大测试人员对位移传感器的不信任,不使用的状况。这也正是桩基试验中推广使用电测方法的主要障碍之一。事实上的确也是如此。长期以来,在这方面的探讨,我们进行了大量的工作。进行了各种类型位移传感器的选择,比较,试验,分析,对此有了明确的认识。令人遗憾的是,目前国内各种模拟式位移传感器(包括一些单位已在桩基试验中使用的)能真正达到机械式百分表的性能指标而取代它,恐怕还有很大的困难。

       容栅式位移传感器(数显式百分表)与上述各种模拟式位移传感器有着本质的不同,它是一种新型的完全数字化的仪表。除了具有真正的高精度,高分辨率,如示值误差≤0.04mm,分辨率0.01mm;其优异的稳定性能(极小的温漂与时漂)是目前常见的各类模拟式位移传感器所望尘莫及的。其生产技术标准就是根据百分表进行制定的,所以又称数显百分表。它的各项性能指标完全达到或超过了机械式百分表的水平,是桩基试验现场取代机械式百分表的理想产品。同时这种传感器本身具有液晶显示,在现场远距离测控时更显示其优越性。另外当不需作为测量传感器使用的场合,该传感器也可以当作普通百分表单独使用。

       容栅式位移传感器从机电的转换,信号的传送,数据的处理完全是数字电路完成。这些部分完全不受温度、时间变化的影响。而构成其结构的金属材料的膨胀系数对其测量精度的影响则是微乎其微的。

      由于容栅式位移传感器精度高、电路精密,且带有液晶显示,故在使用时要注意防止碰撞,跌落等。它的信号传输,处理都比较复杂,连接电缆芯数较多,这都是比起其他类型传感器显得“娇贵”的一面。另外容栅式位移传感器从工作原理上,信号传输上,信号处理上与模拟传感器没有相同之处,所以二类传感器在同一仪器上是无法简单地做到兼容使用的。

      容栅式位移传感器虽然是一种先进的优良传感器,但由于目前人们对它了解得不多,并且它的生产成本较高,故推广使用受到一定的限制。相信今后随着使用者评价的传播以及成本的逐步下降,这种传感器将会得到广泛的应用。

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