结构响应监测

结构响应是指结构的速度、加速度以及结构内部各个构件产生的应变等结构反应。结构响应监测通常包括结构位移、加速度、应变监测。


一、加速度监测

加速度是实际工程中常见的响应监测量。通过加速度监测获取结构物的响应信息，包括与结构状态、性能、构件相互作用机理、结构劣化和损伤等相关的大量潜在有用信息，因此为了了解结构的早期劣化、跟踪结构动力特性变化、识别结构损伤、感知结构性能演化规律和掌握结构健康状态，有必要进行位移和加速度监测。

加速度监测是对结构动力荷载作用下，结构关键部位加速度响应的监测。通过检测结构的加速度变化，可以评估结构的动态响应特性，判断结构的稳定性和安全性。

用于加速度监测的传感器可以分为光纤光栅加速度计、压电式加速度计、压阻式加速度计、电容式加速度计、应变片式加速度计、激光测振计等。

1、光纤光栅加速度计

光纤光栅传感器是一种使用频率高、范围广的光纤传感器，可以用来监测结构的位移、加速度及应变等参数。光纤光栅传感器比一般电子传感器抗燥性更强，而且非常适合远距离的数据传输。光纤光栅加速度计的基本工作原理是基于振子的传动，获得光纤光栅传感器输出应变变化的动态参数，在通过矫正得到加速度计系数，结合应变变化得到加速度。

2、压电式加速度计

压电式加速度计主要由质量块、基座和压电元件组成，多采用惯性方式，基座与测试对象连接，基座受到外界刺激时会将其传递至压电元件并使之变形产生电压，电压变化量与加速度成正比，输出的电压经放大后就可得出加速度的大小。

3、压阻式加速度计

压阻式加速度计通常由一个微小的质量块和一对压阻器组成。质量块与结构相连，可以随加速度的变化而发生相对运动。压阻器位于质量块和结构块之间，用于测量质量块的位移或相对运动。

4、电容式加速度计

电容式加速度计通常由两个移动的电极和一个静态的电极组成。移动电极与被测物体相连，可以随加速度的变化而发生相对位移。静态电极固定在基座上，并与移动电极之间形成电容。当被测物体收到加速度作用时，移动电极会发生相对运动。这种运动会导致电容的变化，振荡电路的频率也会随之发生变化。通过振荡电路的频率变化推断出电容值变化，从而得到与被测物体的加速度相关的电信号。电信号可以进一步转变为数字信号，以得到准确的加速度数值。

上述几种加速度计的性能对比如下表所示

                                   几种加速度计的性能对比

分类	特点	应用	缺点
光纤光栅加速度计	防电，抗电磁干扰，信号传输距离远，灵敏度高	可应用于汽车、船舶、桥梁、航空航天和振动监测等	成本高，存在波长微小移位的监测问题
压电式加速度计	体积小，质量轻，工作频带宽	地震监测报警系统、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析	同类传感器的性能指标、稳定性及一致性差别打，不能测零频率信号
压阻式加速度计	体积小，能耗低	广泛应用于汽车碰撞试验，测试仪器、设备振动监测等	使用范围小，受温度影响大
电容式加速度计	灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特别好，对恶劣环境适应性强	在安全气囊、手机移动设备等领域无可替代	量程有限，通用性不如压电式传感器，成本高

二、应变监测

土木工程结构在长期使用和受力的过程中，可能会受到各种因素的影响，如自然灾害、变形、材料老化等。这些因素可能导致结构物的应力和变形超过安全范围，从而引发结构破坏、倒塌等严重事故。应变监测可以试试监测结构物在受力作用下所产生的应变情况，通过采集、记录和分析结构物的变形数据，及时发现结构物的异常变形和潜在问题。这样可以提前预警并采取相应的维修加固措施，确保结构物的安全运行。

应变计是进行结构应变监测最常用的传感器之一，根据工作原理可分为电阻式应变计、振弦式应变计、电容式应变计等。

1、电阻式应变计

电阻式应变计是由一根电阻丝或薄片制成，其电阻值会随应变引起变形而发生变化。通过将应变计固定在结构物的表面或所关心的测量位置上，当结构物因受力而产生变形时，应变计就会随之产生响应的应变变形，从而导致其电阻值的变化。这种电阻值的变化可以通过电路连接的方式测量和记录，从而获得结构物的应变信息。

电阻式应变计的具有灵敏度高、精确度高、实时性强等优点，可广泛应用于结构工程、材料研究、汽车工程、土木工程和实验室研究等领域。

2、振弦式应变计

根据其安装的位置不同，振弦式应变计可细分为振弦式表面应变计和振弦式埋入应变计。振弦式应变计由一个细长的金属线或绳作为振弦。其长度和横截面形状会因应变的作用而发生变化，进而影响振弦的固有频率。传感器通过固有频率的变化来测量振弦受到的应变，通过将振弦固定在结构物的表面或测量点上，并通过传感器监测振弦的振动频率，就可以推断出结构物的应变程度。

振弦式应变计具有灵敏度高、测量范围宽、可快速响应、精度高等优点，可广泛应用于桥梁、隧道、大坝、建筑、各种混凝土桩的应变监测。

3、电容式应变计

电容式应变计由两个细电极片构成，它们之间通过一个绝缘层隔开。当物体因受力产生应变时，两个电极片之间的距离或绝缘层的介电常数会发生变化，从而导致电容值的变化。传感器通过测量电容值的变化来推断应变的情况。

电容式应变计具有高精度、测量范围宽、动态响应好、抗干扰性强等优点，可广泛应用于发电厂的管道、设备或核能设备的长期高温应变测量，监视裂纹的形成和发展，以及对航空构件材料进行高温性能测试。