1. 引言
土木工程结构试验技术是研究和发展结构计算理论的重要手段[1]。混凝土结构、钢结构和公路桥涵等设计规范所采用的计算理论大部分是以试验研究的直接结果作为基础的。由于实际工程结构的复杂性，减少结构在整个寿命周期中可能遇到的各种风险，结构试验是必不可少的。试验数据的量测是结构试验的关键环节之一，只有量测获得可靠的试验数据，才能通过数据处理获得正确的试验结果[2]。本文主要从传感器技术和数据采集系统的发展进行总结，为结构试验中的传感器和数据采集系统的选用、建设和发展提供参考。
2. 传感器技术
结构试验的主要任务是将荷载或其他因素(地震、温度等)作用在结构物或试验对象上，通过传感器采集与结构和试件工作性能相关的各种参数来判断其实际工作性能，估计结构的承载力，确定结构与使用要求的符合程度，为工程设计、结构优化、使用安全性和可靠性评估提供参考依据，并用以验证和研究结构的计算理论。结构试验基本可分为拟静力、拟动力和地震模拟振动台试验，基本需要采集的物理量可分为应力、应变、位移、速度、加速度等，但由于各种试验中数据采集需求的差异，对采集相应物理量的传感器参数要求也不同，比如采样率，量程，工作条件等[3]。图1为传感器的工作原理。
Figure 1. Sensor working principle diagram
图1. 传感器工作原理图
2.1. 传感器的原理与分类
对应于不同的试验数据采集需求，同一物理量的采集传感器常常有多种不同类型。按传感器的工作原理，可分为电阻式、电感式、电容式、光电式(含光纤及激光)、振弦式(变频)、霍尔效应式和半导体式(MEMS)；按使用功能可分为应变、应力、位移、力(拉、压、弯剪、扭)，下面根据使用功能梳理各种类型传感器的工作原理和优缺点，见表1 (图2~8)。
Table 1. Sensors and their corresponding characters
表1. 传感器与其相应特点
物理量 |
类型 |
工作原理 |
优缺点 |
应力、应变传感器[4] [5] |
电阻应变片 |
利用敏感材料在机械变形的时候其电阻值发生变化的现象。 |
电阻应变片技术成熟，应用广泛，测量精度和灵敏度高，但是粘贴工艺不好处理，防潮措施难做，不适宜做长期监测。 |
续表
|
光纤Bragg 光栅 |
以光纤为载体，在光纤局部区域内写入光栅，利用光栅反射光的波长原理。 |
光纤光栅传感器抗干扰能力强，适合长距离传输，安装便捷，灵敏度高，能适应恶劣环境。 |
光弹性法 |
利用材料的双折射效应进行应力应变的测试。 |
光弹法非接触式测试方法，能够全场测量既可测表面内力，也可测内部应力。能够清楚的反应应力集中。但是工艺复杂，测试周期长，光学系统相对复杂。 |
位移传感器[6] [7] |
线绕式位移计 |
电刷与滑动电阻摩擦，输出与位移成正比的电阻或电压。 |
线绕式位移计结构简单，使用方便，但是有磨损，分辨率低，寿命短。 |
霍尔式位移计 |
保持霍尔元件的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍尔电势。 |
霍尔式位移计灵敏度高，惯性小，线性好，工作可靠，频响，寿命长。 |
电容式位移计 |
利用恒定频率的正弦激励电流通过传感器电容时，传感器上产生的电压幅值和电容极板间隙成比例关系 |
功率小、阻抗高、动态特性好、可进行非接触测量；但量程小，存在非线性误差。 |
激光位移计 |
利用激光光三角原理设计和制造。脉冲法、相位法、激光干涉法 |
激光传感器具有适应性强，速度快，精度高的特点，但成本较高，我国激光传感器目前还处于试验阶段。 |
超声波位移计 |
利用超声波在两种介质分界面上的反射特性制成。 |
超声波传感器操作简单，价格低廉，在恶劣环境下也能保持较高的精度，安装和维护方便，但易受温度的影响。 |
力传感器[7] [8] |
桥式电路电阻应变片式 |
利用敏感材料在机械变形的时候其电阻值发生变化的现象。 |
电阻应变片技术成熟，应用广泛，测量精度和灵敏度高，但是粘贴工艺不好处理，防潮措施难做，不适宜做长期监测。 |
液压式 |
以帕斯卡原理为原型，嵌入式轴承储层流体，用于承受负载，将负载信号转换为液体压力。 |
装置灵活，成本较低， |
加速度传感器[9] [10] |
压电式 |
压电元件在受到外力的作用而产生形变后，其内部会产生极化现象，它的两个相对表面上会出现正负相反的电荷，并且电荷密度与所受到的外力成正比。 |
具有体积小、重量轻、里程大、结构简单、可靠性髙、受外界干扰小等优点，缺点无静态输出，无法进行静态测量。 |
压阻式 |
利用压阻效应，即在外里的作用下，材料的电阻率会发生变化。 |
体积小，制作工艺简单，可实现静态测量；缺点是冲击保护较低，对温度非常敏感，需要进行温度补偿。 |
电容式 |
由平行板电容组成敏感元件，与压阻式加速度传感器类似，只是将电阻的变化换成电容的变化。 |
分辨率高，输出稳定，温度漂移小等优点；缺点是频率范围窄，量程较小，常用于低频测量。 |
伺服式 (力平衡式) |
闭环传感器，通过反馈环节调节使用惯性质量保持在力平衡或力矩平衡的状态下，几乎消除了非线性引起的误差。 |
具有更高的精度与灵敏度更好的动态特性和稳定性的优点；缺点是成本过高，测量范围较小(小于50 g)和较窄的频率范围(0~100 Hz) |
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Figure 2. Resistive strain gauge structure diagram
图2. 电阻应变片构造图
Figure 3. Illustration of the working principle of fiber Bragg grating
图3. 光纤光栅工作原理图
Figure 4. Structure diagram of cable displacement sensor
图4. 拉线式位移计构造图
Figure 5. Hall effect displacement sensor working principle diagram
图5. 霍尔式位移计工作原理图
Figure 6. Wheatstone bridge resistive strain gauge force sensor schematic diagram
图6. 桥式电阻应变片式力传感器原理图
Figure 7. Piezoelectric accelerometer construction diagram
图7. 压电式加速度传感器构造图
Figure 8. Capacitive accelerometer construction and principle diagram
图8. 电容式加速度传感器原理图
2.2. 传感器性能指标与选用原则
2.2.1. 传感器的关键性能指标
传感器的性能指标包含：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移、分辨率、阈值等。
1) 传感器的一般技术特性[1]
传感器的一般技术特性要满足测量需要，不同类型的传感器要求不同，主要包括：量程、灵敏度、精度、频率响应范围和工作环境要求。
2) 传感器的稳定性、可靠性及对工作环境的适应性
传感器性能稳定可靠、耐久性好、频响范围宽、抗外界干扰能力强，能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作[10]。
3) 传感器与数据采集、通信设备的相容性
由于传感器输出的信号较弱，需经过信号调理器的调理放大后才能被显示或记录。通常各种传感器都有与之匹配的调理器。不同的调理器其信号输出的方式不同，有的直接在调理器上显示数字量，有的提供模拟量输出端口，有的提供数字量输出端口以及通信软件可以将输出数据直接输入计算机。因此在选择传感器时需考虑对应这种传感器的调理器的数据输出方式与后续数据采集设备与通信设备的相容性。
2.2.2. 结构试验中传感器选用原则
量程[11] [12]：能够测量的被测量的范围，是选择传感器的首要依据。如测点位置的振动量级宜为选择传感器量程的60%~80%，这样能保证信噪比高，且不会过载。
灵敏度：能够测量的被测量的最小变化量。
通常量程大的传感器，灵敏度低，量程小的传感器，灵敏度高。传感器的灵敏度越高，则传感器的质量越大，传感器的输出电压越大，信噪比越高，分辨能力越强。对于测试不同的结构，应选择相匹配的传感器量程。
精度：测量值与真值之间的符合程度。
线性度：由于传感器测量时只能输入单一灵敏度，因此，用于描述在一定频响范围内，传感器的灵敏度是否满足实际的灵敏度指标，即为线性度。如果传感器不在线性区段进行测量，则测量得到的幅值误差较大，一般要求传感器非线性小于1%。
横向效应：当测量某个方向的振动时，输出信号应该全部来自振动感知方向，但实际上在与该方向垂直的方向也有信号输出，这种效应称为横向效应。横向效应灵敏度越低，性能越好，一般而言，传感器都存在一定的横向效应，通常标称横向效应小于5%。
传感器安装方式：传感器安装时，需要综合考虑多种方面对其影响，主要有安装刚度、安装平面、安装方向、安装手法、防护条件等。安装刚度对其影响最大，传感器最好是直接将传感器固定在被测结构上。
2.2.3. 提高传感器测试精度的方法
(1)合适的试验方案[6]：根据结构试验的试验目的要求，制订出一个全面的且切实可行的试验方案，方案中必须包含：模型制作，加载(卸载)方案，测点布置(传感器的选型和数采系统的选配等)，全过程测试方法，数采和分析直到报告的一次生成，经验告诉我们，任何一个理想的试验，首先取决于一个十分完满正确的试验方案。
(2) 可靠性高[13]：需要长期进行数据采集的传感器，除了正确选用量程范围，灵敏度等主要技术指标外，更应十分注意它的重复性和长期稳定性，尤其对某些重大工程或需作长期健康性能检测的项目更为显得重要。
(3) 虚拟零点技术[14]：采用“虚拟零点”技术来随时确认以传感器为主的数采系统所测试数据的正确性，所谓“虚拟零点”，即在测试系统中选用一个与工作测点“完全相似”的环境条件下，但是它处于不受力状态下，仅仅作为零点补偿，采用这一技术措施，不仅可以随时监测整个系统的所测数据的正确性，而且还可作为更为精确测试时的修正数据的依据。
(4) 适宜的匹配性：在选用传感器时，除了要选择传感器的性能和价格外，还应注意了解其后接放大器的可配性能，否则将会产生不可配性而一时无法使采集系统正常工作。
2.3. 新型传感器的应用
新型传感器的发展紧随材料新技术的应用，并且附和着结构试验新趋势、新要求。
2.3.1. 新型位移量传感器
(1) 电涡流位移传感器(微间隙) [13]
基于电涡流效应，金属导体置于变化的磁场中，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在导体中自行闭合，这种电流称为电涡流。电涡流传感器具有非接触、环境适应性强、线性范围大、灵敏度高、能测量多种参数等优点。
(2) 基于HTCC的无线无源LC位移传感器[15]
通过传统的HTCC封装工艺以及共烧技术，将铂电子浆料集成于陶瓷基底上。传感器结构简单，易于制备且成本低廉。测试结果表明，传感器在0~30 mm的位移测试范围内响应良好，平均测试灵敏度为0.602 MHz/mm。传感器频率与位移呈现出良好的线性关系，线性度误差仅为3.09%。而且传感器重复性较好，在三次重复性实验中，最大测试绝对误差为0.389 MHz，最大相对测试误差为0.22%。
2.3.2. 新型加速度传感器
(1) 振弦式加速度传感器[16]：工作原理如下图，当被测物体存在加速度时，质量块上的惯性力经过杠巧放大结构放大后作用在谐振梁的轴向上，使得谐振梁的振动频率发生变化。作用在谐振梁上力的不同会得到不同的振动频率，因此通过检测电极测量频率的改变量可得到输入的加速度值(图9)。
Figure 9. Structure diagram of cable displacement sensor
图9. 振弦式加速度传感器力学模型
(2) 声表面波(缩写SAW)加速度传感器[17]：基于声表面波技术，即当声表面波器件受到待测量的作用而引起波速或器件结构尺寸发生变化时，其谐振频率或回波延时也会随之改变。SAW传感器的组成如下图所示，可转换为单端固定自由端受载的悬臂梁结构的力学模型。悬臂梁由压电基片制成。当自由端的惯性质量受到加速度作用时，会引起压电基片的弯曲，使得SAW振动器的频率发生改变，此实现对加速度的测量。具有尺寸小、成本低、灵敏度高、分辨率高、可靠性好等优点(图10)。
Figure 10. SAW accelerometer mechanical model diagram
图10. SAW加速度传感器力学模型图
(3) 隧道加速度传感器：基于电子的隧道效应。其主要结构是由一个谐振频率小于100 Hz的悬挂检验质量和一个谐振频率高于10 kHz的高频悬臂梁组成。隧道效应发生在检验质量的硅尖与高频悬臂梁上的反电极之间。当加速度作用在传感器上时，检验质量发生位移，反馈回路通过调节静电偏转电压来控制髙频悬臂梁，使隧道电流保持桓定。通过检验偏转电压即可得到对应的加速度大小。隧道加速度传感器具有分辨率髙和灵敏度窩的特点，主要用于惯性制导、卫星微重力测试、水下测试等对测量有较高精度要求的场合。图示是一种双电子元件隧道加速度传感器(图11)。
Figure 11. Dual-Element electronic tunneling accelerometer schematic diagram
图11. 双元件电子隧道加速度传感器
(4) 热对流式加速度传感器：其工作原理是腔体内的气体在加热元件作用下升温并与周围相对冷的气体形成对流。在无加速度时，腔体内的对流是关于加热元件对称的，因此两个热敏元件测量到的温度是相同的。然而在传感器受到横向加速度后，腔体内的对流形式会发生变化，从而使得两个热敏元件所测得的温度产生差值。热对流式传感器最大的特点是没有固体惯性质，因此具有极强的抗冲击性，可达5000 g。
(5) 光学加速度传感器[18]：光学加速度传感器指的是用光学元件测量出物体加速运动状态的传感器。悬臂梁采用弹性较好的材料制成。当传感器接收到垂直方向的加速度时，惯性力使悬臂梁发生弯曲从而带动光纤光栅伸长或压缩，通过检测光纤光栅中心波长的漂移量大小可得到对应的加速度大小。图示，为一种光纤光栅加速度传感器。这一类加速度传感器具有体积小、质量轻、动态范围大等特点，然而其最突出的地方在于抗电磁干扰能力强，在军事领域有着广阔的应用前景(图12)。
Figure 12. Fiber Bragg grating (FBG) accelerometer sensor schematic diagram
图12. 光纤光栅加速度传感器
2.3.3. 智能传感器
智能传感器[19] [20]主要完成信号感知与调理、信号处理和通信。优点可以完成信号检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断能力；缺点，多维物理标量检测功能不够完善，数据自存储功能不够完善，传感器产业结构实力不强，市场开拓不够，自主知识产权不足(图13)。
Figure 13. Functional schematic diagram of smart sensor
图13. 智能传感器功能示意图
2.3.4. 无线传感技术和无线网络传输技术
无线传感技术和无线网络传输技术[21]一旦在结构试验系统中得到应用，将会给结构试验技术带来革命性的变化。因此，无线传感技术、无线网络传输技术在结构试验技术的应用研究在国内外都得到充分的重视。国外目前研究较多的是智能型传感器和无线通信技术相结合的无线传感技术，如美国提出的“Berkeley Mote”平台等。另一方面，即使采用传统的传感器，如果能以无线网络代替或部分代替传统的有线网络，也将是一个很大的突破。最近，国内学者提出了利用公共无线网络的无线传感技术，并解决了多通道传感器的数据采集同步问题和数据传输时的丢失问题，实现了多通道传感器数据的准实时无线传输。利用这种无线传输技术，在移动通信网络覆盖的地方就能实现多通道测量，并且随着公共无线网络的升级，其技术性能可同步提升。无线传感和传输技术的进展和实用化是值得今后继续关注的热点。
3. 数据采集系统
数据采集是获得信息的基本手段。结构试验中需要采集力、应力、应变、加速度等物理量，使用数据采集系统可以同时获得大量动态信息，自动且高效的完成测试任务[22]。数据采集系统是计算机与外部物理世界连接的桥梁。
Figure 14. Operational flowchart of data acquisition system
图14. 数据采集系统工作流程图
数据采集系统采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机根据需求由计算机进行相应的计算和处理得到所需的数据，其工作流程如图14所示。数据采集系统应当具有数据采集、模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理、二次数据计算、屏幕显示、数据存储和人机交互等功能。
3.1. 数据采集系统的组成与分类
数据采集系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括传感器、数据采集卡和计算机(控制和分析器)三个部分。传感器将感受到的各种试验物理量转变成电信号；数据采集卡对所有的传感器通道进行扫描，将扫描结果进行信号/物理量转换，然后将这些物理量数据传给计算机，或打印、存盘；计算机通过软件系统对数据采集进行采样控制，对数据进行实时处理和后处理。
传感器根据信号输出形式共有三种信号类型[23]：
1) 光信号；
2) 模拟电信号；
3) 数字电信号。
数据采集系统根据传感器信号的不同，相应的分成三个部分，即光纤光栅传感器的数据采集与传输、模拟信号传感器的数据采集与传输和数字信号传感器的数据采集与传输。
1、光纤光栅类传感器的数据采集
由于光纤光栅传感器使用光信号进行测量，需要由光纤光栅解调仪对信号进行解调，将光信号转化为数字信号，便于数据处理。传感器的数据经过光纤光栅解调仪采集处理后，通过网络交换机，通过网线或通信光缆传送到数据接收服务器。由应用服务器进行数据的管理和运算处理(图15)。
Figure 15. Schematic diagram of fiber grating connection network
图15. 光纤光栅连接组网示意图
2、模拟信号传感器的数据采集
数据采集系统的主要功能是完成信号的A/D转换(模/数转换)、数据预处理、数据压缩和数据发送等。数据采集仪将传感器的输出的模拟信号(如电压、电流等)转换为数字量，便于进行后续处理。同时进一步对数字信号分析计算，得到所需的相关信息，如结构的振型、频率、挠度等。
在数据采集系统中运行的软件对硬件进行管理，对汇集到采集仪的大量信号进行预处理，包括海量数据的压缩打包、数据传送等，采集仪软件的执行效率、可靠性对系统的运行速度有重要影响。数据采集仪的运算速度、存储体容量、容错能力等，同样关系到数据采集仪的可靠性(图16)。
Figure 16. Schematic diagram of the structure of the data acquisition device
图16. 数据采集仪结构示意图
此外数据采集仪的设计需要考虑到外界环境和其他不利因素对系统造成的影响，如温度、湿度、沙尘、雨水、电磁干扰、雷击、地震等等。对这些突发事物，能够做出相应的应对，如外壳防护、电磁屏蔽、浪涌防护等。当采集仪运行出错，能够自动复位，有一定的容错和修复能力。
3、数字信号传感器的数据采集
对于一些环境监测类的传感器如风速仪、强震仪、GPS等设备一般为数字信号输出或经由厂家选配的模块转换为数字信号，系统配备串口服务器等进行数据解析及整理。
三类信号的采集软件部分，主要运行于硬件部分上。主要功能是提供信号的采集、传输、显示等。根据业务功能的要求及数据采集设备的情况，全部功能使用高级编程语言定制开发，并且运行在精简版嵌入式操作系统平台之上。软件的数据采集功能模块通过封装采集设备的底层协议，统一定义数据采集接口，使数据采集具有一致性、通用性，可用性，这样的设计使软件更容易扩展新功能，便于根据需要增加系统需要的采集设备和传感器。
3.2. 数据采集系统的选用原则
数据采集设备根据传感器输出信号类型、匹配性、兼容性、精度和分辨率等要求进行选型，并满足下列要求：
(1) 电荷信号应选用电荷放大器进行信号调理和采集；
(2) 数字信号可选用基于RS485，CAN，Modbus TCP或UDP等的分布式数据采集设备，并确定传输距离、传输带宽和速率；
(3) 模拟信号宜选用4 mA到20 mA和−5 V到5 V等标准工业信号，可选用基于PCI、PXI等技术的集中式数据采集设备，并确定输入范围、分辨率、精度、传输带宽和速率；也可选用在传感器端进行模数转换，按规定确定技术参数；
(4) 数据采集模数转换分辨率应满足传感器分辨率和监测要求，不宜低于16位；
(5) 光信号数据采集应采用专用的光纤解调设备，应根据波长范围、采样通道与采样频率进行选型；
(6) 电阻应变传感器应选用惠斯登电桥调理放大信号；
(7) 电信号应进行光电隔离，以增强抗干扰能力；
(8) 静态模拟信号可选用多路模拟开关和采样保持器进行多路信号依次采集；
(9) 动态信号应选用抗混滤波器进行滤波和降噪。
3.3. 新型数据采集系统的应用
3.3.1. 基于Labview的数据采集系统
Labview [24]又称为G语言，能够将传统仪器由硬件实现数据分析处理与显示功能，改变为由功能强大的PC计算机及其显示器来完成，配置各种IPO接口设备，再编制具有不同功能的软件对采集来的数据进行分析处理及显示，从实质上完成了一个计算机仪器系统，其特点如下：
(1) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；
(2) 虚拟仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义的，而不是由厂家来定义好的；
(3) 仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不再需要购买新仪器；
(4) 与传统仪器相比较，研制周期可以大大缩短；
(5) 虚拟仪器开放、灵活，可以与网络及外围设备互连。
3.3.2. 基于无线传输技术的数据采集系统
无线数据采集系统[25]支持长距离传输，更能适用于系统庞大、监测数量大且分散及线路不便区域，该系统一般由一个中心站和若干个外围站组成。其中主站作为无线网的状态诊断和控制中心，当系统诊断和控制软件装入与主站相连的PC中，就可通过主站对每个远端设备监控和调整。
3.3.3. 网络协同试验平台
Nees [26]：世界上最早的远程协同试验平台，由美国国家自然基金委资助，建立新一代的振动台等大型实验室系统和利用高效率的互联网连接的现场试验和监控体系。
Netslab：国内最早的远程协同试验平台，主要由试验结果、三种参与者、通讯协议和数据流组成。MTS提供软件接口和硬件接口，湖南大学开发接口控件。并联合哈工大、清华完成了国内首个协同拟动力试验。
4. 发展与展望
4.1. 传感器
未来传感器技术发展的趋势，是带有感知、信息处理与通信于一体化，能提供以数字量方式传播具有一定知识级别的信息，具有自诊断、自校正、自补偿等功能的智能化传感器[27]。包含拉力、压强、应变(应力)、位移(角速度)、速度、加速度、平率、扭矩等，即多方向复合式传感器；带有自我识别，如编号、标定系数，采用无线互联网传输；适合做长期远程监测。新型传感器的研究，需要制造出具备分布式、高精度、高适应性、IEEE1451系列标准化接口的智能传感器。
4.2. 数据采集系统
目前，随着计算机技术的发展，在结构试验领域，也出现了虚拟仪器、网络协同和物联网技术。
1) 虚拟仪器技术[28]：九十年代由美国NI公司提出，用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能。该应用软件集成了仪器的采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，具有强大的数据处理能力，便于组成自动测试系统。
2) 网络协同试验技术[26]：互联网技术的应用和发展，使得已经应用在电信、航天等领域的远程通信和控制在结构试验领域发挥应用价值。网络远程协同试验技术使得各个实验室强强联合，优势互补。使得没有试验设备的单位和研究人员可以通过网络平台使用实验设备。资金投入小，节省结构实验室建设的大量资金。
3) 物联网技术[29]：将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个大网络，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理，称为物联网。物联网包括了感知全面、传递可靠、智能处理等特点。结合智能传感器，即可开发出智能结构健康监测系统。对结构进行更加安全高效的管理。
5. 结语
1) 新型传感器的研究，需要制造出具备分布式、高精度、高适应性、接口标准化的智能传感器；
2) 数据采集与传输系统的研究，需要建设快速、稳定、便捷、标准化的数据采集与传输系统；
3) 系统的集成化研究，其目标是实现结构试验，检测，监测等系统的内部集成以及泛网络的集成。
4) 本文研究工作可为传感器和数据采集系统的选用、相关结构试验技术的研究提供参考。