基于MEMS的数字压力传感器在竖向位移测量中的应用

朱世峰，周志祥，吴海军

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)



基于MEMS的数字压力传感器在竖向位移测量中的应用

朱世峰，周志祥，吴海军

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

为实现结构竖向位移的便捷、高精度、远程实时测量，开发了一种基于连通管技术和MEMS技术的结构竖向位移测量系统，阐述了封闭差压连通管式位移测量原理及测试模块的实现。重点从稳定性、可靠性角度分析了封闭差压连通管式位移传感器的应用性能，并进行了试验验证。试验结果表明：该位移测量技术及其设备具有优于0.1 mm的竖向位移测量分辨率和较高的灵敏度，长期稳定性0.3 mm，能够满足日常工程测量和在线长期监测项目中的竖向位移测量需求。在桥梁静载试验时的主梁挠度测量中实际应用验证了该系统具有实时测量、布设及操作便捷、低成本等优点。

桥梁工程；MEMS竖向位移传感器系统；封闭式差压连通管；竖向位移测量

0 引 言

结构竖向位移主要包括桥梁工程中的主梁挠度、墩台沉降，隧道工程中的拱顶围岩下沉，道路工程中的路基沉降，房建工程中的基础不均匀沉降等。由于此类结构在国民经济生活中具有十分重要的地位，因此，确保此类结构的安全可靠至关重要。

竖向位移作为结构的运行状况和工作性能的一个重要参数，已在结构的健康监测与安全评估、温度效应、应力损失、交工验收上得到了广泛应用[1-8]。

目前，百(千)分表等位移计法[9-10]，水准仪、全站仪等光学仪器测量法[8-10]，连通管法[8,11]等传统的位移测量方法已广泛应用于结构的检测、施工控制及验收鉴定中。此类方法经济、操作简便，但均属于短期的人工测量，存在耗费时间和人力、实时性不强等不足。因此诸如张力线法、激光图像法、GPS、倾角仪法、激光多普勒测量、光纤法、二维激光图像法、光电液位连通管法等一批新型测量方法被研究运用于结构竖向位移的自动测量，但均存在局部缺陷。例如，倾角仪法要求安装时的轴线与桥轴线平行[10,12-13]；图像法受大气能见度影响较严重，在雨雾天气难以正常工作[10,14]；GPS在桥梁挠度方向精度较低，目前仅适用于特大跨径的斜拉桥和悬索桥[2,10]；惯性测量法对低频位移存在失真现象且不能测量静挠度[15]；光电液位连通管法属于开放式连通管[11,16-17]，液面震荡、液体蒸发、管道摩阻力等降低了其测试精度和长期稳定性，且设备成本较高、对施工安装垂直度要求很高即环境适应性较弱；张力线法的精度较低，测试过程需进行复杂的运算，且构造复杂、成本较高[18-19]，应用领域相对单一，亦难以同时满足耐久性、实时性、高精度等要求。部分既有技术综合性能对比见表1。

表1 部分既有技术综合性能对比

针对现有技术的不足，笔者提出了基于MEMS技术的数字式差压传感器和AVR单片机Mega128设计并实现的封闭式差压连通管位移测试传感器系统，将传感元件和信号处理电路集成于一体，提高了测量性能，使测量模块数字化、小型化、集成化和智能化。在性能上实现了高稳定性、长期耐久性、高分辨率、高灵敏度以及低功耗，克服了由于大气场时变性、液体蒸发及液面振荡等引起的连通管技术的竖向位移测试偏差，结合RS485/CAN总线技术、RF /GPRS无线传输技术等，提高了结构的竖向位移测量精度和适用性。

利用数字差压传感器对温度和连通管端压强进行测量、采集数据，结合差压测高思想应用于结构竖向位移测量系统中，实现了结构竖向位移的高分辨率、实时在线、自动化测量。介绍了该系统的组成、测量原理，从传感器稳定性、可靠性角度进行了系统分析。在结构竖向位移测量领域有一定的使用参考价值。

1 封闭式差压连通管位移测量原理

以单侧点的封闭差压连通管式结构竖向位移测试为例介绍其测量原理，如图1。位移传感器由差压测试端储液罐、液体连通管、气体连通管、基准端储液罐及传感电路构成。由液体压力与液面高度差关系Δp=ρgΔh可知，当液体密度ρ和重力加速度g已知并确定，测点处产生位移变形Δh时，基准端储液罐高程随结构变形产生升降变化，该位移变化量将引起连通管两端的压力差值变化并通过连通管传至差压测试端储液罐，差压传感芯片将测试到的该压力变化量Δp通过外围电路进行存储与解算，便可得到该测点的竖向变形值Δh。测试期间，可通过RS485/CAN总线技术或RF技术使用专门的采集分析软件进行数据的实时、自动采集与分析。长期监测时，数据采集后的传输可通过GPRS技术或3G网络技术等传输至远程监控中心服务器并进行数据的存储与分析。

图1 位移传感器组成

布设时，将基准端储液罐布置于测点位置并固定牢固，差压测试端储液罐及传感电路布置于方便操作且固定的位置作为测试参考点，基准端储液罐和差压测试端储液罐之间通过连通管相连。连通管两端设有阀门，除测试时外阀门均关闭，以防布设过程中空气进入管中。布设时，连通管两端也可相互调换位置，对于同一变形值此两种布置方式的测试结果仅相差1个负号。

图2 封闭差压连通管式测量系统

2 差压连通管位移测试模块的实现

2.1 差压传感器

传感器电路部分主要由Honeywell公司生产的SSC系列数字压力传感器+AVR单片机Mega128的主要架构组成。采用单片机驱动压力传感器工作的模式。基于MEMS技术的SSC系列数字压力传感器，内部集成了差压传感器、温度传感器、数据选择器、A/D转换器、数字滤波器以及数据存储器。相对于以前的模拟信号输出产品，减少了信号放大等电路，同时也节省了标定环节的时间和资金。亦可根据需要选择A/D转换器采样频率用以控制压力/温度输出的有效位精度，从而提高测量精度。且具有体积小，低功耗，高分辨率和高响应速度等特点。差压传感器的压力测量范围为±50 mbar，压力测量分辨率0.01 mbar，温度测量范围-20～85 ℃。由于该压力传感器基于压阻式硅，其输出电压强烈依赖温度和处理公差，所以有必要对其进行必要的温度补偿[20-22]。当用于诸如桥梁荷载试验期间的主梁挠度测量等短期测量时，可认为环境温度恒定，此时可略去此影响。

2.2 测试模块的实现

SSC系列数字压力传感器内部没有控制器，故采用Atmegal6L微控制器+数字压力传感器的架构完成差压位移测试模块设计，其组成如图3。

图3 位移测试模块组成

本设计采用SSC系列数字I2C输出压力传感器，数字分辨率12 bits。传感器对外提供4个引脚，与MCU电路接口如图4。

图4 传感器接口电路

传感器测量值的对外输出采用RS485接口模式，使用Atmega16L内部集成的UART收发器与上位机进行半双工通信，通讯波特率9 600 Bps。MCU电路设计如图5。

图5 MCU电路设计

MCU电路芯片选用ATMEL公司的微控制器，直流电源电压范围为+2.7～+5.5 V，系统设计采用3.3 V供电。MCU电源电路输入电压为电池电源管理电路的输出电压，随着锂电池工作时间的增加输出电压减小，因此需要进行电压转换来满足MCU的电源需求。电压转换芯片选用TPS62056同步脉宽调制(PWM)降压电压转换器。同步校正电路减少了外围器件，提高了转换效率(>95%)，且可固定输出1.5，1.8，3.3 V，同时提供800 mA的驱动电流，能够满足整个MCU电路的电源需求，MCU电源电路设计如图6。

图6 MCU电源电路设计

压力传感器、串行接口模块和无线RF电路模块需要+5 V电压供电，因此需要将TPS62056输出的3.3 V输出电压转换为5 V。电源转换芯片在将输入3.3 V电压转换为5 V输出电压的同时，实现对串行接口和压力传感器的电源隔离，提高系统的抗干扰能力，以保证其长期稳定性，电路设计如图7。

图7 电源转换隔离输出设计

为实现传感器测量数据的远距离传输，在传感器端采用RS485总线进行数据传输。上位机PC端串口为RS232，因此需要在PC端接专用的RS232/RS485转换模块将RS232信号转换成RS485信号。本文设计采用的串行接口通讯芯片为采用磁耦隔离技术的强型RS485收发器ADM2483，其最高传输速率500 Kbps。与其它RS485接口芯片相比，集成了磁隔离技术，仅需要一个外部的DC/DC电源进行电源隔离即可实现可靠稳定工作，串行接口电路设计如图8。

图8 串行接口电路设计

3 位移测试系统稳定性分析

对基于SSC系列差压传感器和单片机架构所设计而成的差压位移测试模块，即使差压传感器本身在出厂时已经进行较准确的校准，由于焊接工艺等因素的影响，每个模块在使用过程中测量出来的位移、温度信息也会存在一定的偏差，因此在使用该模块之前需进行有效校准。校准的方式是将每个模块都放在同一地点进行差压值测量，在一段时间内测量值相等，既可认为这些模块已经经过校准，校准可以提高该模块测量精度，因此对模块的校准是其实际应用中的重要一步。对于系统的稳定性的检测，通常通过较长时间的运行测试得到。同时，在高低温试验箱中进行了温度适应性试验，以验证该技术及其设备是否满足工程实际中工作温度的要求。

位移测试系统高低温试验在GP/GDS010型高低温试验箱中进行，试验采集时间间隔10 s，试验温差变化为：试验时的大气温度→-20 ℃→55 ℃→-20 ℃→55 ℃→-20 ℃→大气温度，即：试验温度区间-20～55 ℃，每级10 ℃，变化时间10 min，稳定时间10 min，最后温度缓变过程为关闭温控箱后的自然升温过程。试验结果如图9。

图9 位移测试系统高低温试验结果曲线

由图9可知，在试验温度范围内，系统可正常工作，温度循环过程中系统具有较好的稳定性和可重复性。能满足桥梁、隧道及路基等结构的日常检测和监测中竖向位移的测量需求。

在自然环境的温度场中完成稳定性测试，传感器空载(测试期间差压传感器两端口气压始终相同)，数据采用自动采集方式(PC采集)，采集周期10 s。图10、图11是3台模块处于同一环境下的测量结果，其中图10的测试时间为24 h，图11的测试时间为3 d。为了减小结果输出的波动范围，提高差压测试的精确度，笔者采用的移动平均滤波器避免噪音的方法，可利用软件算法模拟硬件滤波功能，减少了硬件成本。

由图10和图11可知：24 h的测量时间内，滤波后1号模块变化范围[-0.13,0.15] mm，标准差0.059；2号模块变化范围[-0.02,-0.26]mm，标准差0.047；3号模块变化范围[-0.15,-0.25]mm，标准差0.114。在3 d的测量时间内且未作滤波处理，1号～3号模块变化范围均为[-0.5,0.5]mm，标准差分别为0.172，0.159，0.184。即：3台模块均表现出了较高的稳定性和数据一致性，且足以分辨一般结构的亚毫米级竖向位移，进行滤波处理后的测试精度不低于0.3 mm，能满足桥梁、隧道及路基等结构的日常检测和监测中竖向位移的测量需求。

图10 室内测试位移值解算稳定性示意(24 h内)

图11 室内测试位移值解算稳定性示意(3 d内)

4 位移测试系统可靠性试验

差压连通管位移测试系统(Differential Pressure Connecting Pipe Displacement Monitoring System，简称DPCPS)的可靠性系指其对结构竖向位移的分辨清晰度和测试结果的准确程度。

试验采用分辨率为0.01 mbar的工业级差压传感芯片，测量范围为±50 mbar。将系统中的基准端安置于可竖向移动的平台上。试验中的平台高度依次变化，每移动一次，百分表读数一次，该位移测试传感器在移动过程中为自动采集，每0.5 s采集一次。试验布置如图12，试验结果见图13、表2。

图12 试验布置

图13 平台移动过程中竖向位移传感器测量值

表2 可靠性试验结果

(续表2)

序号百分表/mm测量结果/mm绝对误差/mm相对误差/%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

由图13、表2可知：差压连通管位移测试系统对平台竖向移动的位移分辨率较高，优于0.1 mm，灵敏度较高，且不受室内气压、气流的随机及突然变动等因素的影响。测试数据表明，系统可靠性良好，能满足竖向位移监测测量的要求。在测量点的部分高度位置存在一定的误差，且这些误差呈非线性，最大绝对误差为0.04 mm，最大相对误差0.20%。主要由于系统中管道粗糙度、液体黏性及空气的存在，导致部分势能转化成了不可逆的液体及空气的分子内能。可通过试验室试验预先定量求解出管道粗糙度、液体黏性及空气含量的影响值，进行测量结果修正。

5 在桥梁挠度测量中的应用

依托工程(如图14)为主跨76 m钢筋混凝土下承式系杆拱桥，拱肋矢高16 m，桥宽5.5 m。

图14 工程实例(混凝土拱桥)概貌

静载采用2台25 t四轴汽车加载，横桥向采用对称加载，位置选择主梁的四分点位置，挠度测点为主梁八分点位置，传感器及采集设备如图15。

图15 静载试验桥面挠度测量传感器布置及采集设备

由于加载时沿桥面宽度方向汽车几乎占满，为避免水准仪测试时的水准尺与镜头之间视线受车辆遮挡引起的测试不便，故该桥主梁挠度测试选用文中前述方法，在现场布设前完成各连通管液体灌注，布设时采用单连通“U”型管并联式〔图2(a)〕有效避免了接力式(类似于水准仪的转站)测量时的误差累积，同时将其传感器、管路及电缆均放置于桥面上靠近护栏处，测试结束后收回测试设备以备下次继续使用。上下游的数据传输均采用RS485总线，然后通过TD1204串口集线器连接至PC实现数据的自动化采集与处理，连续采集频率0.2 Hz，荷载试验时长约4 h(23:00至次日凌晨03:00)。精密水准仪测试理论最大测点的挠度以进行对比与校核，测试结果如图16，对比结果见表3，测试结果与计算值吻合较好，对亚毫米级变形实现了有效测量，且不受视线情况(如遮挡、雨雾等)的限制。

图16 静载试验桥面挠度测量结果及理论值对比(分两级加载)

表3 两种测量方法对比结果

除上述荷载试验等短期测量外，该系统也可应用于桥梁主梁在随机车辆荷载作用下的线形变化及测点位移时程曲线，以某大跨度斜拉桥为例，其测点位移的50 h监测结果如图17(a)，某时刻的主梁线形如图17(b)，测试结果真实的反映了结构竖向位移的变化。

图17 主梁在随机车辆荷载作用下的线形及测点位移时程曲线

6 结 论

1)集成基于MEMS技术的SSC系列数字差压传感器、AVR单片机和连通管技术设计开发了一种结构竖向位移测量系统并在桥梁工程挠度测试中得到了应用。

2)24 h和3 d稳定性试验结果表明：该系统具有较好的稳定性，长期测试精度≮0.3 mm。

3)已有高低温试验结果表明，在-20～55 ℃温度范围内系统具有较好的测试稳定性和可重复性。

4)室内可靠性试验结果表明：该系统灵敏度较高，对位移分辨率优于0.1 mm，且不受室内气压、气流的改变等因素的影响；与百分表对比，其最大绝对误差为0.04 mm，最大相对误差0.20%。

5)结合无线网络技术可在线实时远程测量，且具有布设便捷、成本低的优点，能够满足诸如桥梁挠度、路基沉降等结构竖向位移测量需求，具有很好的工程适用性，为结构竖向位移测量提供了一种新方法。

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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

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB723300)

朱世峰(1983—)，男，安徽宿州人，博士研究生，主要从事桥梁新材料、新结构与新技术方面的研究。E-mail：zhushifeng_jtu@sina.cn。

U446；TP212.9

A

1674-0696(2015)04-020-08