传感器基本分类

传感器通过敏感元件感知被测物理量的变化，并利用转换元件将其变换为解调仪可读的数字或者模拟信号。需要指出的是，有些传感器的敏感元件和转换元件融为一体，并不能严格区分。在土木工程领域，可用于健康监测的传感器种类繁多，通常可按照测量对象、传输方式、传感方式和测量原理的不同进行分类。

1、按照测量对象分类

根据测量对象的不同，可分为荷载作用与环境监测传感器、结构响应监测传感器、结构几何变形监测传感器和结构耐久性监测传感器。

（1）荷载作用与环境是指结构在运营过程中受到风荷载、车辆荷载、水流荷载和地震作用，以及温度、湿度等外部环境影响。主要传感器包括风速风向仪、风压计、强震仪、车辆动态称重系统、温度计、湿度计、雨量计、太阳辐射强度计等。

（2）结构响应是指结构运营过程中产生的振动、位移、应变、索力等。结构响应监测传感器包括加速度计、应变计、位移计、索力计等。结构响应监测传感器包括加速度计、应变计、位移计、索力计等。

（3）几何变形是指结构在运营过程中平面位置、高空位置、垂直度与弯曲度等发生的缓慢改变。主要传感器包括测斜仪、连通管、全球导航卫星系统（global navigation satellite sysem,GNSS）、高精度全自动全站仪和沉降仪等。

（4）耐久性是指结构在运营过程中混凝土碳化和开裂、钢筋锈蚀、涂层老化等。主要传感器包括柔性导电涂层、声发射传感器、梯式阳极梯、压电陶瓷传感器等。

2、按照传输类型分类

根据信号传输的方式不同，可分为有线传感器和无线传感器。

（1）有线传感器是依靠线缆进行供电或信号传输的传感器。有线传感器较为成熟，是目前结构健康监测领域应用最为广泛的传感器类型。例如：利用电线将电信号传输至采集仪的电容式加速度计、压电式加速度计、电容式应变计、差阻式应变计、振弦式应变计、电阻式温度计、电容式温度计和电磁式位移计等；利用光缆将光信号传输至采集仪的光纤光栅应变计、光纤加速度计、光纤索力计、光纤渗压计、光纤温度计等。

（2）无线传感器是利用无线电波进行信号传输且没有电缆供电的传感器。无线传感器是一类新型的传感器，它有别于传统意义上的传感器，更像是一个无线传感平台，类似于一部没有显示屏的智能手机，其主要包括传感单元、计算单元、无线传输单元和能量单元。传感单元由低功耗传感器和信号解调电路组成，低功耗传感器感知被测物理量的变化，信号解调电路将传感器的模拟信号转换成可识别和读取的数字信号，此单元包括了传统有线传感器的物理量变化感知和信号采集功能。计算单元包含微处理器和储存器，能够对采集的信号进行噪声剔除、误差修正、时-频域变换、峰值拾取等计算和数据存取操作。无线传输单元通过无线电波将数据传输至服务器或者通过无线传输单元供电，决定着无线传感器的使用寿命，一般为干电池或锂电池，也可采用小型太阳能电池板或小型风力发电机批核可充电电池。有线传感器和无线传感器的性能对比如下表所示：

                                  表1  有线传感器和无线传感器性能对比

	有线传感器	无线传感器
优点	信号传输温度、实时性好    无需电池供电、长期性好	无需线缆、安装组网方便    价格低廉、可大规模布设
缺点	布线复杂、安装维护困难    价格昂贵、线缆成本高	信号易受环境干扰、稳定性差    采用电池供电、使用寿命有限

3、按照传感方式分类

按照传感方式的不同，可分为点式传感器、准分布式传感器和分布式传感器。

（1）点式传感器是指在一根数据传输导线上仅连接一个敏感元件，即只能测量传感器布置处结构单点物理量的变化。常用的加速度计、应变计和位移计等均属于点式传感器。

（2）准分布式传感器是指在一根数据传输导线上串联多个敏感元件，即能够测量传感器不值范围内结构多个离散位置物理量的变化。光纤光栅传感器是一种典型的准分布式传感器，一根传输光纤上可以串联几十个甚至上百个光纤光栅传感器，能够对监测区域进行高密度测量。

（3）分布式传感器是指传感器能够测量传感器布置范围内结构连续区域物理量变化。土木工程中分布式传感器的概念来源于光纤传感器，光纤传感器可以感知其布置范围内人任意点物理量的变化，形成连续的监测区域，进而获得结构大量的特征信息，有利于提高结构参数识别和性能评估的准确性，该方向已成为结构健康监测领域传感器研究的热点领域。

4、按照测量原理分类

按照测量原理的不同，可分为光纤传感器、压电式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、压阻式传感器和振弦式传感器等。

（1）光纤传感器是一种将被测物理量的变化转变为可测光信号变化的传感器。根据对光信号测量参数的不同，光纤传感器又可以分为强度调制型、偏振态调制型、相位调制型和波长调制型。光纤光栅传感器是一种使用频率最高、范围最广的波长调制型光纤传感器，这种传感器的反射光波长随着环境温度和应变的变化而变化，通过测量光波长的改变即可得到温度和应变的变化，具有测量精度高、传输距离长、不受电磁干扰、耐久性好、体积小等优点。将光纤应变或温度进行转化，可以制成测量位移、压力、荷载、加速度、倾角和渗流等物理量的光纤光栅传感器。

（2）压电式传感器的敏感元件未压电材料。压电材料受到某固定方向外力的作用时，内部产生电极化现象，同时在材料两个表面产生符号相反的电荷，外力撤去后，压电材料又恢复到不带电的状态。当外力作用方向改变时，电荷的极性也会随之改变。压电材料受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，通过电路测量电荷量的大小即可得到外力的大小。目前，大多数加速度计均采用压电材料制作。

（3）电阻式传感器的敏感元件为导体或半导体金属丝。江电阻式传感器安装在被测结构上，当结构发生变形时，金属丝的长度和横截面积会随着结构变化，进而产生电阻变化，通过测量电阻的变化即可得到被测结构的变形，通过对金属丝变形适当转换，可制成测量应变、位移、温度、压力等物理量的传感器。

（4）电容式传感器的敏感元件为电容器。电容器的电容是两块极片的形状、大小、相互位置和介电常数的函数。如将一侧极片固定，另一侧极片与被测物体相连，当被测物体发生位移时，两级片间电容的大小将会发生改变，通过测量线路将电容的变化转换为电信号输出，既可测定物体位移的大小，也可以制成测量应变、荷载等物理量的传感器。

（5）压阻式传感器的敏感元件为单晶硅。单晶硅材料受到压力作用后，电阻率会发生变化，利用电路测量单晶硅电阻率的变化就可得到正比于压力变化的电信号输出，通过适当转换，可以用于压力、拉力和加速度等物理量的测量。

（6）振弦式传感器的敏感元件为一根张紧的钢弦。钢弦两端固定于被测结构，当被测发生变形时，带动钢弦张紧或放松，引起钢弦自振频率的改变，通过测量钢弦自振频率的变化即可得到被测结构的变形。需要指出的是，由于测量钢弦自振频率需要一定的时间，振弦式传感器不能用于物理量的动态测量。

文章节选自《结构健康监测教程》