基于陶瓷电容式微压传感器桥梁沉降监测系统的设计与应用
基于电容检测芯片的电容检测系统设计
试 。 结果 证 明 ， 系统 具有 较 高的 检 测 精 度 。 该 关 键 词 ：电 容 式 传 感 器 ；检 测 ；Ｍ Ｓ １ ０ ３ １
图 如 图 １所 示 。 电 容 检 测 芯 片 选 用 Ｉｖｎ ｅ ｓ ｒ公 司 的 ｒ ｉｅＳ ｎ ｏ
引 言
电容 式 传 感 器 一般 是 将 被 测 量 的 变 化量 转 换 为 电容 量 的变 化 。 目前 ， 于 这 种 原 理 的 各 种 类 型 的 传 感 器 已在 测 基 量加速度 、 位 、 液 几何 孑 径 等 方 面 得 到 了广 泛 的应 用 。但 以 Ｌ
基 于 电 容 检 测 芯 片 的 电容 检 测 系统 设 计
张 小 勇 。 颖 鸣 ， 禹姬 陈 郭
（ 北 大 学 信 息 与 通 信 Ｔ 程 学 院 ，太 原 ０ ０ ５ ） 中 ３ ０ １
摘 要 ：针 对 电容 式 传 感 器 研 发 过 程 中缺 乏 有 效 的微 小 电 容 检 测 仪 器 的 问题 ， 计 了一 种 基 于 电 容 检 测 芯 片 ＭＳ １ ０的 设 ３１
设 计 、 做 专门 的 电容 检 测 电 路Ⅲ ， 无 疑 增 加 了传 感 器 设 制 这
计 的难 度 与 工作 量 。针 对 这 一 问 题 ， 们 设 计 了 通 用 的 电 我
２ 系 统 硬 件 设 计
２ １ Ｍ ３１ ． Ｓ １ ０简 介 及 寄 存 器 设 置
Ｍ Ｓ １ ０是 Ｉｖｎ ｅｓ ｒ 司 生 产 的 具 有 极 低 噪 声 的 通 ３１ ｒｉｅＳ ｎｏ 公
基于磁致伸缩传感器的桥梁结构健康监测系统设计
基于磁致伸缩传感器的桥梁结构健康监测系统设计桥梁是连接两个陆地之间的交通工具，被广泛用于世界各地的公路，铁路，水道等交通领域。
同时，桥梁也是贯穿城市的景观之一，拥有着文化、历史、技术等多重意义。
随着时间的推移和交通量的增加，桥梁的结构损伤和老化问题也越来越突出，如何实现桥梁结构的健康监测问题成为一个热门的研究领域。
本文研究基于磁致伸缩传感器的桥梁结构健康监测系统设计。
首先将介绍桥梁结构健康状态、磁致伸缩传感器以及类似研究的现状。
接着分析磁致伸缩传感器设计原理，包括磁致伸缩传感器和磁致伸缩材料的基本特性。
然后介绍系统的软件和硬件设计，包括传感器的布置、数据采集、数据处理和监测报警。
最后，探讨系统的应用前景和发展方向。
一、桥梁结构健康状态桥梁结构健康状态是指桥梁在使用过程中所出现的各种损伤形式和程度，其主要包括裂缝、挠曲、疲劳等。
桥梁结构健康状态的研究对于桥梁的维护与管理至关重要。
传统的桥梁检测方法主要采用人工巡检和传统的结构监测技术，但这种方法的局限性也很明显：高成本、低效率和不可靠性。
二、磁致伸缩传感器磁致伸缩传感器是一种利用材料在磁场中发生形变的特性来实现位移、形变和力等量测的传感器。
在桥梁结构的应用中，磁致伸缩传感器具有布置方便、精度高、成本低等优点。
在桥梁领域中，磁致伸缩传感器应用于检测桥梁的挠曲和膨胀变形等参数。
三、现状目前已有很多关于桥梁结构健康监测的研究，但大多数都是利用传感器进行数据采集和处理。
例如，采用加速度传感器和伸缩计进行桥梁振动测试，利用数据分析算法对数据进行处理和分析；采用光纤传感器进行桥梁温度和应变分析等等。
四、磁致伸缩传感器设计原理磁致伸缩传感器是由磁致伸缩材料和磁致伸缩传感器组成，其中磁致伸缩材料是一种磁性材料，具有在磁场中发生形变和磁场记忆等特性。
由于磁致伸缩材料的特殊性质，可以通过不同方式来实现磁致伸缩传感器的形变、压力或力量等测量。
五、软硬件设计在磁致伸缩传感器的基础上，我们设计了基于磁致伸缩传感器的桥梁结构健康监测系统，其软硬件结构如下：硬件部分：采用磁致伸缩传感器进行实时测量桥梁的变形、膨胀等状态，并将数据传输至数据采集装置中。
桥梁支座沉降监测案例
桥梁支座沉降监测案例
一、项目概述
桥梁支座沉降监测是为了确保桥梁在施工过程中和运营期间的安全性、稳定性，对支座进行的系统性的沉降监测。
本次案例选择了XX长江大桥作为监测对象，该桥为大型斜拉桥，跨度大，支座数量多，具有代表性。
二、测点布设
在XX长江大桥的施工过程中，根据桥梁的结构特点和施工要求，结合现场实际情况，对支座进行沉降监测。
具体测点布设如下：
1. 每个支座下方设置一个沉降监测点，共计XX个监测点。
2. 监测点采用高精度水准仪进行测量，每个测点初始高程为支座安装时的标高。
3. 监测频率为每周一次，持续监测直至桥梁竣工验收。
三、监测结果分析
通过对支座的沉降监测数据进行分析，发现以下规律：
1. 在桥梁施工初期，由于施工荷载和材料收缩等原因，部分支座出现了一定程度的沉降。
2. 随着施工的进行，支座的沉降量逐渐趋于稳定。
3. 在施工完成后，通过与竣工图纸进行比对，发现所有支座沉降量均在允许范围内。
四、结论与建议
通过本次沉降监测，可以得出以下结论：
1. 监测结果表明，XX长江大桥的支座沉降量在正常范围内，未出现异常情况。
2. 本次监测采用了高精度水准仪进行测量，确保了数据的准确性。
3. 在施工过程中，加强了对支座的定期监测，有效避免了支座异常沉降对桥梁安全的影响。
建议：
1. 在类似的大型桥梁施工过程中，应重视支座的沉降监测工作，确保桥梁的安全性。
2. 应选择高精度的测量仪器进行监测，以保证数据的准确性。
3. 应加强施工过程中的监测频率，及时发现和处理异常情况。
一种基于厚膜陶瓷电容的微位移传感器 50页
28.09.2019
27
边缘效应造成传感器边缘电场畸变，使 工作不稳定，非线性误差增加
C0r r2rln16rf(h)
其中；h 为边缘效应因子；
h为极板厚度； δ 为间隙
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传感器
微纳操作平台
传感器被固定在微 纳操作平台上，弹 性 膜 片 与 PZT 陶 瓷 刚 性 连 接 ， PZT 陶 瓷受激后使弹性膜 片产生形变，根据 传感器信号处理电 路反馈的电压信号 即 可 测 量 PZT 陶 瓷 受激产生的微小位 移量变化。
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36
已取得的成果
厚膜电容芯片及传感器制作工艺逐 渐成熟；
Cosc_bl C3
Cosc
R12 RL3_100K
R19 RA_2
R13 RB_100K
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信号处理电路（2019版）
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右图为08版信号处理电路实 物照片，采用双面布线，较 厚；当时采用的容转压芯片 XE-2019现已停产。
22
信号处理电路（2009版）
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15
电容芯片的厚膜印烧工艺流程
瓷件清洗
烘干
丝网制作
印刷 介质浆料
烘干 （慢烘）
烧结 （~850℃）
烧结 （~550℃）
烘干 （慢烘）
金属化
印刷 导体浆料
引线涂孔
性能标定
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主要厚膜工艺设备
半自动厚膜平面印刷机
HZL-250红外再流焊炉
厚膜隧道烧结炉
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差。 １ ３ 陶瓷 电容式微 压 传感器 ．
Ｃ ０
：
６
。
㈩
、
如果 满 足条 件 （ ８８ ） １ 式 （ ） Ａ ／。 《 ， ４ 可按 级 数 展 开， 略去高 次 （ 线性 ） ， 得 近 似 的 线 性 关 系 和 非 项 可 灵 敏 度 Ｓ分别 为 ：
Ｃｏ
一
Ⅳ型智 能分 布 式工 程 安 全 监测 系统 ， 系统 是 在 网 该
络环 境下 和 Ｗｉｄｗ ０ ０ ２ ０ ／ Ｐ工 作 平 台 上 开 ｎｏ ｓ ０／０ ３Ｘ ２
发 的新 一代 工 程安全 自动化监 测 系统 。该 型分布 系
统 不仅 包含 了一般 分 布 式 系统 的全 部 功 能 特 点 ， 而 且 由于其采 用 了现代 微 电子技 术 和 网络 通信 技术 的 最新 成果 。Ｄ ＭＳ １ 一个 系统结 构 更 加可 靠 、 Ａ 一Ｖ是 系 统组 态更 为灵 活 、 行 效 能 更 高 的具 有 相 当智 能 的 运
当动极 板 因被 测 量 变 化 而 向上 移 动 使 减 小 △。 ， ６ 时 电容 量增 大 △ Ｃ则有 ： ＋Ａ Ｃ－ 电容 相对 变化量 为 ：
～
变 化转 化为 标 准 电压或 者标 准 电流输 出 。差 动式 比
（） ３
＝ ｃ ｏ
单 极式 灵敏 度提 高 １倍 ， 且非线 性误 差大 为减 小 ， 结 构 上 的对 称 还 能 有 效 地 补 偿 温 度 变 化 所 造 成 的 误
郑水华
（ 网电力科 学研 究 院／ 国 南京 南瑞 集 团公 司， 南京
摘
２００ ） １０ ３
要： 从陶瓷电容式微压传 感器 的工作原理 、 结构特点和技术指标几个方 面 ， 系统地介绍了基于陶瓷 电容式微压传
感器沉降测量系统的原理与特点 ， 结合应用了该系统 的具体工程实例进行研究分析 ， 系统具有很好 的实用价值 。 该
发生 接触 ， 有效 地保 护 了弹性 膜 片免受 损坏 。
本监测 系 统采 用 南 瑞 集 团公 司 开 发 的 Ｄ ＭＳ Ａ 一
传感 膜 片 采用 双 电容 差 动结 构 ， 括 上 下极 板 包 两部 分 。其 陶瓷 弹性 膜 片 上 烧结 了可 动 电极 ， 在 并
可动 电极 的外 面 同时 烧 结 一个 参 考 电容 ， 以消 除 温 度 对输 出信 号 的影 响 。同 时 ， 可 动 电极 上 再 烧 结 在
构成 的 ， 片在 受力 发 生小绕 度变 形 时 ， 膜 电容与压 力 近似 成线 性 函数关 系 Ｅ ３。传 感 膜 片 同时 提供 了过 ２１ －
２ 桥 梁 沉 降 监 测 系 统 的设 计
２ １ 监 测 系统架 构及 软件 ．
载保 护机 制 ， 当被测 压 力超 过量 程一定 值 后 ， 电极 两
０ 引 言
随着 中 国经济 建 设 事业 的迅 速 发展 ， 路交 通 道 越来 越 四通八 达 ， 随着 各 种 形 式 的 大 型桥 梁 建 筑 伴
于桥梁、 水利电站大坝、 矿山等领域。
１ 陶瓷 电容式微压传感器
陶瓷 电容 式压 力传感 器 的敏感 元件 属 于变 间隙 电容式 敏感 元件 ， 结构 采 用 陶瓷 膜 片 （ 性膜 片 ） 其 弹
生 ， 有重 要 的社 会 和 经 济 意义 。本 文 给 出一 种 大 具
如图 １ 示 ， 所 由绝 缘 介质 分 开 的 ２个 平 行 金 属
型桥 梁建 筑 的沉 降 监 测 系 统 的设 计 方 案 ， 该 方 案 对
的系 统架 构 、 件 、 软 硬件进 行 了介绍 。该 方案 成 功应 用在杭 州 湾跨海 大 桥 的南 北 航道桥 的沉 降 监测 中 。
ｃ —ｐｅｓｒ ｅ ｓｒ ｎ ｏ ｏ ｔ ｇ ｗｔ ｐ ｃ ｃ ｐｏ ｃ ｅ ａ ｐｅ ｗ ｔ ａｐｉ ｔ ｎ ｏ ｉ ｓｓ ｍ，ｓ ｄ ｎ ｎ ｙｉ ａｅｃ ｒ ｅ ｕ ， ｒ ｏ ｒｓ ｅｓｎ ｏ．Ｉｃｒ ｒ ｉ ｉ ｓ ｅｉ ｒ ｅ ｔ ｘ ｍ ｌ ｉ ｐ ｌ ａｉ ｆ ｈｓ ｙ ｔ ｕ ｐ ａｎ ｈ ｉ ｆ ｊ ｓ ｈ ｃ ｏ ｔ ｅ ｔ ｙ ａ ｄ ａ ａ ｓ ｒ ａｒ ｄ ｏ ｔ ｕ ｌ ｓ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｓ ｓｅ ｔ ａｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｓｐ ｎ ｉ ｌ ａ ｄ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓ ｏ ｅ ｂ ｉ ｇ ｅｔ ｍｅ ｔ ｎ ｔｒ ｇ ｓ ｓ ｍｓｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ａ ｃ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｓ ａ ｅ ｙ ｔｍａｉ ｌ ｉｔｏ ｕ ｅ ｒ ｃｐ ｅ ｎ ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｆｔ ｒ ｅ ｓ ｔ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｓｃ ｈ ｄ ｌ ｍｏ ｉ ｉ ｙ ｔ ａ ｅ ｎ ｃ ｒｍｉ ｏｎ ｅ
本 系统 压 力 传 感 器 采 用 南 瑞 集 团公 司 的 Ｎ Ｒ Ｔ
型 陶瓷 电容 式 微压 传感器 。该 传感 器采 用 陶瓷 电容 式压 力传感 膜 片作 承压 元件 。 当水介 质压 力作用 于 传 感 膜片 ， 使膜 片产 生极 小偏 移 ， 膜片位 移 产生 的 电 容量 由与其直 接连 接 的 电子 部 件检 测 放 大 ， 换 成 转
其性 能指 标为 ：
由以上分析可知 ： 变极距型电容式传感膜片 ①
只有 在 Ｉ８３ ｌ 小 （ 范 围测 量 ） ， 有 近 似 的 ＆ ／。 很 小 时 才 线性 输 出 ； 灵 敏 度 ｓ与 初 始 极 距 ８ ② 。的平 方 成 反 比， 故可用 减 小 的 方法来 提 高灵敏 度 。
精度 、 高稳 定性 、 污 染 和 抗 过 载 等优 点 ， 泛 应 用 无 广
若 被 测量 的变 化使式 （ ） ６ Ａ， ３个 参 量 中 １中 ，
收 稿 日期 ：０ １０ －２ ２ １－８２
任意 一个 发生 变化 时 ， 会 引起 电容量 的变 化 ， 都 再通 过测 量 电路就 可转 换 为 电量 输 出。
标准 电压 信 号 ， 后 电压 信号 经变 送 器 转 换 成 ４～ 最 ２ Ａ的标 准量 信号 输 出 。 ０ｍ
氏
㈣
△Ｃ Ｃ０
一
０
Ａ
…
Ａ８
０
Ｎ Ｒ型 陶瓷 电容式 微压 传感 器性 能特 点是 ： Ｔ （ ）测量 精 度高 ， １ 抗过 载和 抗 冲击 能 力强 ， 过压 可达 量程 的百 倍 ， 器 结实 可靠 ； 仪 （ ）温度 零飘 移小 ， ２ 长期 测量 稳定 可靠 ； （ ）传感 器体 积小 ， 量轻 ， ３ 重 遥测距 离 长 。
ＺＨＥＮＧ ｈ －ｈ Ｓ ｕｉ ｕａ
，
（ ｔｅＧ ｉ ｌｃ ｃＰ ｗ ｒ ｅｅｒｈＩｓ ｔ ｅ Ｎ ｎｉｇＮ ｒ Ｇ ｏｐＣ ｍ ａｙＮ ｎｉｇ ２ ０ ０ ，Ｃ ｉａ Ｓａ ｒ Ｅｅｔ ｏ ｅ Ｒ ｓａｃ ｎｔｕ ／ ａｊ ａｉ ｒｕ ｏ ｐ ｎ ， ａｊ ０ ３ ｈｎ ） ｔ ｄ ｉ ｒ ｉｔ ｎ ｎ １
２ ６
郑 水 华． 于 陶瓷 电容 式微 压传 感 器桥 梁沉 降监 测 系统 的设 计 与应 用 基
文 章 编 号 ：０ ６ ２ １ （０ １ Ｓ． ０ ２ —０ １０ － ６ ０ ２ １ ） １ ＿０ ６ ４
Байду номын сангаас
基 于 陶 瓷 电 容 式 微 压 传 感 器 桥 梁
沉 降 监 测 系 统 的 设 计 与 应 用
ｃ。 ＝
传感 器 的 陶瓷弹性 膜 片上 时 ， 片发 生变 形 ， 极板 膜 使 的间距 发生 变化 ， 导致 传感 器 的 电容丁 ， 过 发生 变化 通
测 量 电路 的电容 变化 即可计 算 出传感 器 所受 压力 的
改变 ， 进而测 量 出压 力 ， 通过 处 理 电路 ， 电容 的 再 将
关键词 ： 陶瓷电容式微压传感器 ； 桥梁 ； 降监测 ； 沉 连通管原理
中 图分 类 号 ：Ｐ １． ；Ｖ ９ ．１ Ｔ ２ ２ ９ Ｔ ６ ８ １ 文献标识码 ： Ａ
Ｔｈ ｅ ｉ ｎ ｎ ａ ｐｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｅ ｓ ｔｌｍ ｅ ｏ ｔ ｒｎｇ ｓ ｓ ｅ ｓ ｂａ ｅ ｎ ｅ ｄ ｓｇ ａ ｄ ｐ ｉ ｔｏ ｆｂｒｄｇ ｅ ｔｅ ｎｔｍ ｎｉｏ ｉ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ ｃ ｃ ｒ ｍ ｉ ａ ａ ｉｉ ｅ ｍ ｉ ｒ ｐｒ ｓｕｒ ｅ ｓ ｒ ｅ ａ ｃ ｃ ｐ ｃ ｔｖ ｃ ｏ－ ｅ ｓ ｅ ｓ ｎ ｏ
作者简介 ： 郑水华 （ ９８ ） 男 ， １７ 一 ， 硕士研究 生 ， 主要从事传感 器技
术的研究．
当变 极 距 型 电容式 传 感膜 片 的 和 Ａ为 常数 ，
西 北 水 电 ・ ０ ２１ １年 ・ 刊 增
２ ７
初始 极距 为 ６ ， 。 初始 电容 量 ｃ 为 ： ０
ｓ ｏ ｉ ｇ ｔ ａ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｈ ｓｏ ｔ ｉｅ ｏ ｄ ｐ ａ ｔ ａ ｖ ｌｅ ｈ ｗ ｎ ｈ ｔ ｈ ｙ ｔｍ ａ ｂ ａｎ ｄ ａｇ ｏ ｒｃｉ ｌ ａｕ ． ｃ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｅ ａ ｉ ａ ａ ｉｉｅ ｍ ｉｒ —ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｒ；ｂ ｉ ｇ ｃ ｒ ｍ ｃ ｃ ｐ ｃｔｖ ｃ ｏ ｒ ｓ ｕ ｅ ｓ ｎ ｏ ｒｄ ｅ； ｓ ｔｌｍｅ ｏ ｔ ｒｎ ｅｔｅ ｎｔｍ ｎｉｏ ｇ；ｃ ｍｍｕｎｃ ｔｎ ｐｅ ｐ ｉ ｉｌ ｉ ｏ ｉａ ｉｇ ｐｉ ｒｎｃｐ ｅ
标准 量程 ５ １ ｌ ，０，０５ Ｐ ； ，０，５２ ４ ，０ｋａ 最小 读数 ≤０ ０ ％ Ｆ Ｓ Ｆ Ｓ为 满 量 程 ， ．５ ． （ ． 以下