一种基于有限传感器测试全桥响应的监测系统及方法

技术领域

本发明涉及桥梁监测技术领域，尤其涉及一种基于有限传感器测试全桥响应的监测系统及方法。

背景技术

桥梁监测系统因考虑成本及结构强度，往往只采用有限传感器，没有布置传感器的位置，不能知晓桥梁状况。常用的方法是有限元法，通过有限传感器得到的数据进行反推，得到全桥的响应状态。这种方法需要处理的数据较多，计算量大，不能做到较好的实时监控。并且，反推出全桥的响应状态后，测试位置的响应数据也不能直接读出。综上所述，现有技术中的桥梁监测系统处理的数据较多，计算量大，不能做到较好的实时监控。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于有限传感器测试全桥响应的监测系统及方法，实现对全桥任意点健康状态的实时监控。

本发明提供了一种基于有限传感器测试全桥响应的监测系统，包括：

雷达定位模块，用于定位测试位置及荷载位置，确定测试点所在监测区域以及距所在监测区域的传感器距离；

光纤传感器，用于监测各监测区域下的桥梁荷载并输出桥梁荷载作用下的响应数据，将所述响应数据传输至中央控制模块；

信号传输光缆，用于接收所述雷达定位模块和所述光纤传感器的监测数据并传输至中央控制模块进行数据交互；

中央控制模块，用于控制雷达定位模块和光纤传感器并读取所述雷达定位模块和所述光纤传感器的监测信息，监测桥梁整体的响应状态，并判断桥梁结构的健康状态；通过响应传递函数确定放大系数，将所述响应数据经过补偿放大系数修正，得到测试位置的实际响应值，以此实现有限测传感器对全桥任一点的实时监测。

优选地，所述光纤传感器对所述监测区域周界探测的宽度不大于所述光纤传感器探测距离最大阈值的90％。

优选地，所述中央控制模块包括报警单元，用于对桥梁结构健康状态的预警，所述健康状态是指对桥梁结构是否产生裂缝及桥梁结构的强度、刚度、稳定性是否满足使用需求的判断。

优选地，所述中央控制模块还包括软件管理单元，用于控制任意监测区域中所述光纤传感器的开关以及读取任意所述光纤传感器历史数据。

优选地，每个所述监控区域上设置光纤传感器，用于独立监测到桥梁的应变信号，连续监测各个监测区域并返回响应信号至中央控制模块进行处理分析；当单点失效或损坏时，只会造成相应的单个区域出现故障，而除故障区域外其他区域将继续正常工作。

本发明提供了一种应用所述的基于有限传感器测试全桥响应的监测系统的监控方法，包括：

对全桥划分监测区域，在所述监控区域中心设置传感器；

通过雷达定位测试位置，在桥面上建立平面直角坐标系，得到测试位置的坐标；

判断所述测试位置所在监测区域并计算得出距所述监控区域中心传感器的距离，通过响应传递关系，得到补偿放大系数，对传感器测得的响应进行补偿，修正后得到所在测试位置的实际响应值，输出测试点坐标值及实际响应值；

其中，所述坐标系中，以雷达所在位置为原点，横桥向作为x轴，顺桥向作为y轴。

优选地，所述判断所述测试位置所在监测区域并计算得出距所述监控区域中心传感器的距离包括：

获取所述监控区域中心传感器的坐标；

根据所述监控区域中心传感器的坐标，通过欧式距离计算公式，得出测试位置距中心传感器的距离。

优选地，所述通过响应传递关系，得到补偿放大系数进一步包括：

在传感器所在监测区域范围内，不断调整变换荷载距监测区域中心传感器的距离，并在荷载所处位置设置传感器，获取荷载中心传感器与实际位置的响应值，得出距所述荷载中心传感器的距离与补偿放大系数之间的关系。

优选地，所述对传感器测得的响应进行补偿，修正后得到所在测试位置的实际响应值进一步包括：

通过测试位置所在的监测区域相邻的监测区域传感器测取测试点响应值，根据测试位置与相邻监测区域传感器距离及力在建筑材料中传递关系，各个传感器数据修正后得出的测试点实际响应值相同。

针对现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供了一种基于有限传感器测试全桥响应的监测系统及方法，实现对全桥任意点健康状态的实时监控，解决基于有限测传感器实时测试全桥响应的难题，同时可以根据实际响应值分析结构变形、损伤情况并进行定位；节约成本的同时还能实现监测全桥任意部位的状态，处理方式简单，结果可靠。

附图说明

图1为本发明实施例中所述基于有限传感器测试全桥响应的监测系统的架设示意图；

图2为本发明实施例中所述基于有限传感器测试全桥响应的监测系统的连接示意图；

图3为本发明实施例中所述基于有限传感器测试全桥响应的监测系统的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1、2所示，本发明提供了一种基于有限传感器测试全桥响应的监测系统，包括：

雷达定位模块1，用于定位测试位置及荷载位置，确定测试点所在监测区域以及距所在监测区域的传感器距离；考虑桥上车辆行驶情况复杂，为准确定位荷载位置，将雷达安装于桥面的上方。可以安装在桁架或路灯上；

光纤传感器2，用于监测各监测区域下的桥梁荷载并输出桥梁荷载作用下的响应数据，将所述响应数据传输至中央控制模块4；综合考虑传感器灵敏度和响应传递，将全桥合理划分成有限个监测区域，在区域中心布置传感器；光纤传感器2铺设在桥面下，护套是防水的，可以对光纤传感器2起到保护作用。

信号传输光缆3，用于接收所述雷达定位模块1和所述光纤传感器2的监测数据并传输至中央控制模块4进行数据交互；传输光缆采用普通通信光纤光缆，主要起到连接监测区域的作用，多为2至48芯光缆，具体芯数依据系统需求来定制。监测区域的输出为传感器的读数，信号传输光缆连接了传感器和报警主机，实现数据交互。传输光缆直接埋入地下。系统在单点失效或损坏时，只会造成相应的单个区域出现故障，而其他区域将继续正常工作。

中央控制模块4，用于控制雷达定位模块1和光纤传感器2并读取所述雷达定位模块1和所述光纤传感器2的监测信息，监测桥梁整体的响应状态，并判断桥梁结构的健康状态；通过响应传递函数确定放大系数，将所述响应数据经过补偿放大系数修正，得到测试位置的实际响应值，以此实现有限测传感器对全桥任一点的实时监测。

本领域技术人员可以理解，系统包括依次连接的雷达定位模块1、光纤传感器2和信号传输光缆3，所述光纤传感器2铺设在桥梁表面之下，能够测量桥面传来的压力，所述光纤传感器2对所述监测区域周界探测的宽度不大于所述光纤传感器2探测距离最大阈值的90％；所述信号传输光缆3能够读取传感器数据并传输给中央控制模块4，与中央控制模块4连接。

如图1所示，光纤传感器2埋设于混凝土中，传感器监测区域周界探测宽度H1不大于传感器探测极限距离的90％，如需提高监测级别，可适当减小周界探测的宽度。在桥梁的表面按照划分的监测区域，将光纤传感器2铺设在监测区域中心位置，光纤传感器2应平直、紧密地附着在桥梁表面，但应避免因压力过大造成光纤传感器2变形。固定好传感器后，将混凝土平铺在上面。

进一步，所述中央控制模块4包括报警单元，用于对桥梁结构健康状态的预警，所述健康状态是指对桥梁结构是否产生裂缝及桥梁结构的强度、刚度、稳定性是否满足使用需求的判断。

进一步，所述中央控制模块4还包括软件管理单元，用于控制任意监测区域中所述光纤传感器2的开关以及读取任意所述光纤传感器2历史数据。

进一步，每个所述监控区域上设置光纤传感器2，用于独立监测到桥梁的应变信号，连续监测各个监测区域并返回响应信号至中央控制模块4进行处理分析；当单点失效或损坏时，只会造成相应的单个区域出现故障，而除故障区域外其他区域将继续正常工作。

本领域技术人员可以理解，本监测系统包括前端的定位雷达，光纤传感器2，后端的报警单元和软件管理单元。前端为现场，后端为控制室，通过信号传输光缆3实现数据交互。报警单元主要实现对桥梁健康状态，即是否产生裂缝，强度，刚度，稳定性是否满足使用需求的预警；软件管理单元可以实现开关任意监测区域传感器以及读取任意传感器历史数据等功能。

各传感器模块及后端数据分析：桥梁单元分为多个监测区域，每个区域为一个独立模块，每个独立的区域能够独立监测到桥梁的应变信号，连续监测各个区域并返回信号给设备终端进行处理分析，监测桥梁整体的响应状态，判断是否有危害桥梁的事件发生。用户能够单独调制各个独立的区域系统，以确定其工作在最佳状态。该系统采用串口，以太网口等接口传输报警和系统状态信息，并带有独立的射频端口，能方便用户通过系统的专用软件进行校准。

传感器与信号传输光缆3接线处用接线盒进行保护。接线盒用于保护各光纤熔接点，采用的是国际规范的标准接口。

安装时，首先安装雷达、光纤传感器2和通信光纤，然后时线路连接工作，连接采用熔接方式，将系统主机、终端盒等安置在机柜中。

实施例二

如图3所示，基于实施例一的系统，本发明还提供了一种应用所述的基于有限传感器测试全桥响应的监测系统的监控方法，包括：

对全桥划分监测区域，在所述监控区域中心设置传感器；考虑传感器的灵敏度及计算误差，可在桥梁重要位置，即桥端支座处、跨中位置及易出现损坏的位置进行监测区域细化，多划分监测区域、多安装传感器，以得到更为精确的数据；

通过雷达定位测试位置，在桥面上建立平面直角坐标系，得到测试位置的坐标；以雷达所在位置为原点，在桥面上建立平面直角坐标系，横桥向作为x轴顺桥向作为y轴。通过雷达定位任意测试位置，得到测试位置P的坐标(x,y)。以安装雷达所在的位置作为坐标原点对全桥建立坐标系，依据传感器监测范围划分区域，传感器的监测范围：并不是只有在传感器正上方施加压力传感器才有反应，由于力在铺装层及混凝土中的传递，传感器也能感应到附近力的变化，能引起传感器读数明显变化的范围即为传感器监测范围，在每个区域中心埋设传感器，对有限传感器进行编号，通过雷达定位测试位置，得到测试位置P的坐标(x,y)。

判断所述测试位置所在监测区域并计算得出距所述监控区域中心传感器的距离，通过响应传递关系，得到补偿放大系数，对传感器测得的响应进行补偿，修正后得到所在测试位置的实际响应值，输出测试点坐标值及实际响应值；得到测试位置P的坐标后，判断所属监测区域并得到所属监测区域传感器的坐标(x

其中，所述坐标系中，以雷达所在位置为原点，横桥向作为x轴，顺桥向作为y轴。

如果力不是直接作用在传感器上，而是通过铺装层、混凝土等介质传递到传感器上，那么的读数显然不是实际力的大小。需要进行多组试验，确定实际力的大小、传感器读数及力作用点到传感器距离之间的关系。通常传感器读数小于力实际大小，因此通过补偿放大系数矫正得到实际力的大小。因为桥梁可能使用不同材料建造，所以响应传递关系不尽相同，需试验确定。因此系统中的补偿放大系数也不固定，需根据桥梁建造材料进行调整。

进一步，所述判断所述测试位置所在监测区域并计算得出距所述监控区域中心传感器的距离包括：

获取所述监控区域中心传感器的坐标；

根据所述监控区域中心传感器的坐标，通过欧式距离计算公式，得出测试位置距中心传感器的距离。

进一步，所述通过响应传递关系，得到补偿放大系数进一步包括：

可以通过真实试验或模拟仿真的方法，在传感器所在监测区域范围内，不断调整变换汽车荷载距监测区域中心传感器的距离，并在荷载所处位置设置传感器，获取荷载中心传感器与实际位置的响应值，得出距所述荷载中心传感器的距离与补偿放大系数之间的关系。对全桥监测的关键是对测试位置及补偿放大系数的确定。位置的确定可以通过雷达进行定位，而补偿放大系数的确定就要复杂一些。桥梁使用建造材料的不同以及测试位置在桥梁表面的位置不同，都会造成补偿放大系数的改变。

进一步，所述对传感器测得的响应进行补偿，修正后得到所在测试位置的实际响应值进一步包括：

通过测试位置所在的监测区域相邻的监测区域传感器测取测试点响应值，根据测试位置与相邻监测区域传感器距离及力在建筑材料中传递关系，各个传感器数据修正后得出的测试点实际响应值相同。

对测试位置的定位，需要用到之前所诉的以雷达所在位置为原点，在桥面建立的坐标系。雷达扫描到测试位置后，得到了方位和距离，通过简单的勾股定理就能得到测试位置距原点的长度，再根据方位很容易得出测试位置的坐标。

确定所属监测区域，监测区域划分规则如下：假设传感器监测区域为边长2米的正方形，那么我们可以对区域进行如下编号，[-2,1]，[-2,2]，[-1,1,]，[-1,2]，[1,1]，[1,2]，[2,1]，[2,2]……数组中第一位数字表示x方向，正负表示在雷达的左右侧，第二个数字表示y方向。得到测试位置的坐标后，分别用坐标的x，y除以2，对结果进行进一处理，得到的值就是对应的监测区域编号。而区域中心传感器的坐标也能轻松得到，通过欧式距离计算公式，很容易得出测试位置距中心传感器的距离。依据响应传递关系，对传感器数据进行修正，得到测试位置的实际响应值。

本发明用雷达进行荷载定位，提出补偿放大系数对传感器测得数据进行修正，得出荷载所在位置实际应变值，从而实现对全桥应变状态的实时监测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。