基于MEMS的數字壓力傳感器在豎向位移測量中的應用

朱世峰，周志祥，吳海軍

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

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基于MEMS的數字壓力傳感器在豎向位移測量中的應用

朱世峰，周志祥，吳海軍

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

為實現結構豎向位移的便捷、高精度、遠程實時測量，開發了一種基于連通管技術和MEMS技術的結構豎向位移測量系統，闡述了封閉差壓連通管式位移測量原理及測試模塊的實現。重點從穩定性、可靠性角度分析了封閉差壓連通管式位移傳感器的應用性能，并進行了試驗驗證。試驗結果表明：該位移測量技術及其設備具有優于0.1 mm的豎向位移測量分辨率和較高的靈敏度，長期穩定性0.3 mm，能夠滿足日常工程測量和在線長期監測項目中的豎向位移測量需求。在橋梁靜載試驗時的主梁撓度測量中實際應用驗證了該系統具有實時測量、布設及操作便捷、低成本等優點。

橋梁工程；MEMS豎向位移傳感器系統；封閉式差壓連通管；豎向位移測量

0 引 言

結構豎向位移主要包括橋梁工程中的主梁撓度、墩臺沉降，隧道工程中的拱頂圍巖下沉，道路工程中的路基沉降，房建工程中的基礎不均勻沉降等。由于此類結構在國民經濟生活中具有十分重要的地位，因此，確保此類結構的安全可靠至關重要。

豎向位移作為結構的運行狀況和工作性能的一個重要參數，已在結構的健康監測與安全評估、溫度效應、應力損失、交工驗收上得到了廣泛應用[1-8]。

目前，百(千)分表等位移計法[9-10]，水準儀、全站儀等光學儀器測量法[8-10]，連通管法[8,11]等傳統的位移測量方法已廣泛應用于結構的檢測、施工控制及驗收鑒定中。此類方法經濟、操作簡便，但均屬于短期的人工測量，存在耗費時間和人力、實時性不強等不足。因此諸如張力線法、激光圖像法、GPS、傾角儀法、激光多普勒測量、光纖法、二維激光圖像法、光電液位連通管法等一批新型測量方法被研究運用于結構豎向位移的自動測量，但均存在局部缺陷。例如，傾角儀法要求安裝時的軸線與橋軸線平行[10,12-13]；圖像法受大氣能見度影響較嚴重，在雨霧天氣難以正常工作[10,14]；GPS在橋梁撓度方向精度較低，目前僅適用于特大跨徑的斜拉橋和懸索橋[2,10]；慣性測量法對低頻位移存在失真現象且不能測量靜撓度[15]；光電液位連通管法屬于開放式連通管[11,16-17]，液面震蕩、液體蒸發、管道摩阻力等降低了其測試精度和長期穩定性，且設備成本較高、對施工安裝垂直度要求很高即環境適應性較弱；張力線法的精度較低，測試過程需進行復雜的運算，且構造復雜、成本較高[18-19]，應用領域相對單一，亦難以同時滿足耐久性、實時性、高精度等要求。部分既有技術綜合性能對比見表1。

表1 部分既有技術綜合性能對比

針對現有技術的不足，筆者提出了基于MEMS技術的數字式差壓傳感器和AVR單片機Mega128設計并實現的封閉式差壓連通管位移測試傳感器系統，將傳感元件和信號處理電路集成于一體，提高了測量性能，使測量模塊數字化、小型化、集成化和智能化。在性能上實現了高穩定性、長期耐久性、高分辨率、高靈敏度以及低功耗，克服了由于大氣場時變性、液體蒸發及液面振蕩等引起的連通管技術的豎向位移測試偏差，結合RS485/CAN總線技術、RF /GPRS無線傳輸技術等，提高了結構的豎向位移測量精度和適用性。

利用數字差壓傳感器對溫度和連通管端壓強進行測量、采集數據，結合差壓測高思想應用于結構豎向位移測量系統中，實現了結構豎向位移的高分辨率、實時在線、自動化測量。介紹了該系統的組成、測量原理，從傳感器穩定性、可靠性角度進行了系統分析。在結構豎向位移測量領域有一定的使用參考價值。

1 封閉式差壓連通管位移測量原理

以單側點的封閉差壓連通管式結構豎向位移測試為例介紹其測量原理，如圖1。位移傳感器由差壓測試端儲液罐、液體連通管、氣體連通管、基準端儲液罐及傳感電路構成。由液體壓力與液面高度差關系Δp=ρgΔh可知，當液體密度ρ和重力加速度g已知并確定，測點處產生位移變形Δh時，基準端儲液罐高程隨結構變形產生升降變化，該位移變化量將引起連通管兩端的壓力差值變化并通過連通管傳至差壓測試端儲液罐，差壓傳感芯片將測試到的該壓力變化量Δp通過外圍電路進行存儲與解算，便可得到該測點的豎向變形值Δh。測試期間，可通過RS485/CAN總線技術或RF技術使用專門的采集分析軟件進行數據的實時、自動采集與分析。長期監測時，數據采集后的傳輸可通過GPRS技術或3G網絡技術等傳輸至遠程監控中心服務器并進行數據的存儲與分析。

圖1 位移傳感器組成

布設時，將基準端儲液罐布置于測點位置并固定牢固，差壓測試端儲液罐及傳感電路布置于方便操作且固定的位置作為測試參考點，基準端儲液罐和差壓測試端儲液罐之間通過連通管相連。連通管兩端設有閥門，除測試時外閥門均關閉，以防布設過程中空氣進入管中。布設時，連通管兩端也可相互調換位置，對于同一變形值此兩種布置方式的測試結果僅相差1個負號。

圖2 封閉差壓連通管式測量系統

2 差壓連通管位移測試模塊的實現

2.1 差壓傳感器

傳感器電路部分主要由Honeywell公司生產的SSC系列數字壓力傳感器+AVR單片機Mega128的主要架構組成。采用單片機驅動壓力傳感器工作的模式?；贛EMS技術的SSC系列數字壓力傳感器，內部集成了差壓傳感器、溫度傳感器、數據選擇器、A/D轉換器、數字濾波器以及數據存儲器。相對于以前的模擬信號輸出產品，減少了信號放大等電路，同時也節省了標定環節的時間和資金。亦可根據需要選擇A/D轉換器采樣頻率用以控制壓力/溫度輸出的有效位精度，從而提高測量精度。且具有體積小，低功耗，高分辨率和高響應速度等特點。差壓傳感器的壓力測量范圍為±50 mbar，壓力測量分辨率0.01 mbar，溫度測量范圍-20～85 ℃。由于該壓力傳感器基于壓阻式硅，其輸出電壓強烈依賴溫度和處理公差，所以有必要對其進行必要的溫度補償[20-22]。當用于諸如橋梁荷載試驗期間的主梁撓度測量等短期測量時，可認為環境溫度恒定，此時可略去此影響。

2.2 測試模塊的實現

SSC系列數字壓力傳感器內部沒有控制器，故采用Atmegal6L微控制器+數字壓力傳感器的架構完成差壓位移測試模塊設計，其組成如圖3。

圖3 位移測試模塊組成

本設計采用SSC系列數字I2C輸出壓力傳感器，數字分辨率12 bits。傳感器對外提供4個引腳，與MCU電路接口如圖4。

圖4 傳感器接口電路

傳感器測量值的對外輸出采用RS485接口模式，使用Atmega16L內部集成的UART收發器與上位機進行半雙工通信，通訊波特率9 600 Bps。MCU電路設計如圖5。

圖5 MCU電路設計

MCU電路芯片選用ATMEL公司的微控制器，直流電源電壓范圍為+2.7～+5.5 V，系統設計采用3.3 V供電。MCU電源電路輸入電壓為電池電源管理電路的輸出電壓，隨著鋰電池工作時間的增加輸出電壓減小，因此需要進行電壓轉換來滿足MCU的電源需求。電壓轉換芯片選用TPS62056同步脈寬調制(PWM)降壓電壓轉換器。同步校正電路減少了外圍器件，提高了轉換效率(>95%)，且可固定輸出1.5，1.8，3.3 V，同時提供800 mA的驅動電流，能夠滿足整個MCU電路的電源需求，MCU電源電路設計如圖6。

圖6 MCU電源電路設計

壓力傳感器、串行接口模塊和無線RF電路模塊需要+5 V電壓供電，因此需要將TPS62056輸出的3.3 V輸出電壓轉換為5 V。電源轉換芯片在將輸入3.3 V電壓轉換為5 V輸出電壓的同時，實現對串行接口和壓力傳感器的電源隔離，提高系統的抗干擾能力，以保證其長期穩定性，電路設計如圖7。

圖7 電源轉換隔離輸出設計

為實現傳感器測量數據的遠距離傳輸，在傳感器端采用RS485總線進行數據傳輸。上位機PC端串口為RS232，因此需要在PC端接專用的RS232/RS485轉換模塊將RS232信號轉換成RS485信號。本文設計采用的串行接口通訊芯片為采用磁耦隔離技術的強型RS485收發器ADM2483，其最高傳輸速率500 Kbps。與其它RS485接口芯片相比，集成了磁隔離技術，僅需要一個外部的DC/DC電源進行電源隔離即可實現可靠穩定工作，串行接口電路設計如圖8。

圖8 串行接口電路設計

3 位移測試系統穩定性分析

對基于SSC系列差壓傳感器和單片機架構所設計而成的差壓位移測試模塊，即使差壓傳感器本身在出廠時已經進行較準確的校準，由于焊接工藝等因素的影響，每個模塊在使用過程中測量出來的位移、溫度信息也會存在一定的偏差，因此在使用該模塊之前需進行有效校準。校準的方式是將每個模塊都放在同一地點進行差壓值測量，在一段時間內測量值相等，既可認為這些模塊已經經過校準，校準可以提高該模塊測量精度，因此對模塊的校準是其實際應用中的重要一步。對于系統的穩定性的檢測，通常通過較長時間的運行測試得到。同時，在高低溫試驗箱中進行了溫度適應性試驗，以驗證該技術及其設備是否滿足工程實際中工作溫度的要求。

位移測試系統高低溫試驗在GP/GDS010型高低溫試驗箱中進行，試驗采集時間間隔10 s，試驗溫差變化為：試驗時的大氣溫度→-20 ℃→55 ℃→-20 ℃→55 ℃→-20 ℃→大氣溫度，即：試驗溫度區間-20～55 ℃，每級10 ℃，變化時間10 min，穩定時間10 min，最后溫度緩變過程為關閉溫控箱后的自然升溫過程。試驗結果如圖9。

圖9 位移測試系統高低溫試驗結果曲線

由圖9可知，在試驗溫度范圍內，系統可正常工作，溫度循環過程中系統具有較好的穩定性和可重復性。能滿足橋梁、隧道及路基等結構的日常檢測和監測中豎向位移的測量需求。

在自然環境的溫度場中完成穩定性測試，傳感器空載(測試期間差壓傳感器兩端口氣壓始終相同)，數據采用自動采集方式(PC采集)，采集周期10 s。圖10、圖11是3臺模塊處于同一環境下的測量結果，其中圖10的測試時間為24 h，圖11的測試時間為3 d。為了減小結果輸出的波動范圍，提高差壓測試的精確度，筆者采用的移動平均濾波器避免噪音的方法，可利用軟件算法模擬硬件濾波功能，減少了硬件成本。

由圖10和圖11可知：24 h的測量時間內，濾波后1號模塊變化范圍[-0.13,0.15] mm，標準差0.059；2號模塊變化范圍[-0.02,-0.26]mm，標準差0.047；3號模塊變化范圍[-0.15,-0.25]mm，標準差0.114。在3 d的測量時間內且未作濾波處理，1號～3號模塊變化范圍均為[-0.5,0.5]mm，標準差分別為0.172，0.159，0.184。即：3臺模塊均表現出了較高的穩定性和數據一致性，且足以分辨一般結構的亞毫米級豎向位移，進行濾波處理后的測試精度不低于0.3 mm，能滿足橋梁、隧道及路基等結構的日常檢測和監測中豎向位移的測量需求。

圖10 室內測試位移值解算穩定性示意(24 h內)

圖11 室內測試位移值解算穩定性示意(3 d內)

4 位移測試系統可靠性試驗

差壓連通管位移測試系統(Differential Pressure Connecting Pipe Displacement Monitoring System，簡稱DPCPS)的可靠性系指其對結構豎向位移的分辨清晰度和測試結果的準確程度。

試驗采用分辨率為0.01 mbar的工業級差壓傳感芯片，測量范圍為±50 mbar。將系統中的基準端安置于可豎向移動的平臺上。試驗中的平臺高度依次變化，每移動一次，百分表讀數一次，該位移測試傳感器在移動過程中為自動采集，每0.5 s采集一次。試驗布置如圖12，試驗結果見圖13、表2。

圖12 試驗布置

圖13 平臺移動過程中豎向位移傳感器測量值

表2 可靠性試驗結果

(續表2)

序號百分表/mm測量結果/mm絕對誤差/mm相對誤差/%720．0220．00．020．10825．0125．00．010．04930．0230．00．020．071035．0435．00．040．111140．0340．00．030．081245．0345．00．030．07

由圖13、表2可知：差壓連通管位移測試系統對平臺豎向移動的位移分辨率較高，優于0.1 mm，靈敏度較高，且不受室內氣壓、氣流的隨機及突然變動等因素的影響。測試數據表明，系統可靠性良好，能滿足豎向位移監測測量的要求。在測量點的部分高度位置存在一定的誤差，且這些誤差呈非線性，最大絕對誤差為0.04 mm，最大相對誤差0.20%。主要由于系統中管道粗糙度、液體黏性及空氣的存在，導致部分勢能轉化成了不可逆的液體及空氣的分子內能?？赏ㄟ^試驗室試驗預先定量求解出管道粗糙度、液體黏性及空氣含量的影響值，進行測量結果修正。

5 在橋梁撓度測量中的應用

依托工程(如圖14)為主跨76 m鋼筋混凝土下承式系桿拱橋，拱肋矢高16 m，橋寬5.5 m。

圖14 工程實例(混凝土拱橋)概貌

靜載采用2臺25 t四軸汽車加載，橫橋向采用對稱加載，位置選擇主梁的四分點位置，撓度測點為主梁八分點位置，傳感器及采集設備如圖15。

圖15 靜載試驗橋面撓度測量傳感器布置及采集設備

由于加載時沿橋面寬度方向汽車幾乎占滿，為避免水準儀測試時的水準尺與鏡頭之間視線受車輛遮擋引起的測試不便，故該橋主梁撓度測試選用文中前述方法，在現場布設前完成各連通管液體灌注，布設時采用單連通“U”型管并聯式〔圖2(a)〕有效避免了接力式(類似于水準儀的轉站)測量時的誤差累積，同時將其傳感器、管路及電纜均放置于橋面上靠近護欄處，測試結束后收回測試設備以備下次繼續使用。上下游的數據傳輸均采用RS485總線，然后通過TD1204串口集線器連接至PC實現數據的自動化采集與處理，連續采集頻率0.2 Hz，荷載試驗時長約4 h(23:00至次日凌晨03:00)。精密水準儀測試理論最大測點的撓度以進行對比與校核，測試結果如圖16，對比結果見表3，測試結果與計算值吻合較好，對亞毫米級變形實現了有效測量，且不受視線情況(如遮擋、雨霧等)的限制。

圖16 靜載試驗橋面撓度測量結果及理論值對比(分兩級加載)

表3 兩種測量方法對比結果

除上述荷載試驗等短期測量外，該系統也可應用于橋梁主梁在隨機車輛荷載作用下的線形變化及測點位移時程曲線，以某大跨度斜拉橋為例，其測點位移的50 h監測結果如圖17(a)，某時刻的主梁線形如圖17(b)，測試結果真實的反映了結構豎向位移的變化。

圖17 主梁在隨機車輛荷載作用下的線形及測點位移時程曲線

6 結 論

1)集成基于MEMS技術的SSC系列數字差壓傳感器、AVR單片機和連通管技術設計開發了一種結構豎向位移測量系統并在橋梁工程撓度測試中得到了應用。

2)24 h和3 d穩定性試驗結果表明：該系統具有較好的穩定性，長期測試精度≮0.3 mm。

3)已有高低溫試驗結果表明，在-20～55 ℃溫度范圍內系統具有較好的測試穩定性和可重復性。

4)室內可靠性試驗結果表明：該系統靈敏度較高，對位移分辨率優于0.1 mm，且不受室內氣壓、氣流的改變等因素的影響；與百分表對比，其最大絕對誤差為0.04 mm，最大相對誤差0.20%。

5)結合無線網絡技術可在線實時遠程測量，且具有布設便捷、成本低的優點，能夠滿足諸如橋梁撓度、路基沉降等結構豎向位移測量需求，具有很好的工程適用性，為結構豎向位移測量提供了一種新方法。

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Digital Pressure Sensor and Its Application for Vertical Displacement Measurement Based on MEMS

Zhu Shifeng, Zhou Zhixiang, Wu Haijun

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

A vertical displacement sensor based on MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) and connecting pipe technology was developed for convenience, high-precision, real-time remote monitoring of the vertical displacement. Measurement principle of closed differential pressure connecting pipe displacement was elaborated and the test module was realized. The application performance of closed differential pressure connecting pipe displacement sensor was mainly analyzed from the view of stability and reliability. Initial experiment results show that the resolution of this sensor is higher than 0.1 mm in vertical displacement measurement; the sensitivity is relatively high, with long-term stability 0.3 mm. The daily need for displacement monitoring and measurement is met. It has been successfully applied in bridge deflection measurement of the bridge static load test, which shows that the system has many advantages such as real-time monitoring, low implementation cost, easy to be operated and so on.

bridge engineering;MEMS vertical displacement sensor system; closed differential pressure connecting pipe; vertical displacement measurement

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.04

2014-06-28；

2014-09-05

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2012CB723300)

朱世峰(1983—)，男，安徽宿州人，博士研究生，主要從事橋梁新材料、新結構與新技術方面的研究。E-mail：zhushifeng_jtu@sina.cn。

U446；TP212.9

A

1674-0696(2015)04-020-08