（控制科学与工程专业论文）桥梁健康无线监测系统研究.pdf

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2 所示) ，其中1 5 m 掉入江中，造成3 2 人死亡、1 7 人重伤 的重大事故：2 0 0 4 年6 月1 0 日，同样是建成十年的辽宁省盘锦市境内田庄台大桥 图1 - 2 韩国圣水大桥塌落图1 - 3 辽宁盘锦田庄台大桥垮塌 图1 4 綦江虹桥垮塌现场图1 - 5 四川宜宾南门大桥断裂 一2 一 l l ，( p 第1 章绪论 突然发生垮塌( 图1 3 所示) ，造成三辆汽车落水，交通阻塞；1 9 9 9 年1 月4 日， 重庆市綦江县城跨越綦河( 长江支流) 两岸、连接城东城西的人行彩虹桥( 形似 彩虹而名，系綦江县形象工程) ，建成仅为3 年的桥突然整体坍塌( 图l 一4 所示) ， 4 0 人死于非命；2 0 0 1 年1 1 月7 日建成1 0 年的四川宜宾南门大桥发生悬索及桥面 部分断裂事故( 图1 5 所示) ，桥面两端同时塌陷，造成两人死亡，两人受伤。大型 桥梁造价动辄几亿甚至几十亿元，正常使用年限都在5 0 年1 0 0 年，因此，给桥 梁装备安全监测系统，通过对桥梁结构状态的实时监测与数据分析，实时捕捉桥 梁在实际交通负荷与自然蜕化条件下的异常特征信息并发出预警信号，为桥梁维 护、维修与管理决策提供依据和指导是极为重要的。 过去十几年里，我国已建成一批大跨度桥梁，仅上海就有南浦、杨浦和徐浦 大桥等具有世界先进水平的桥梁，另外，香港的青马大桥和虎门的虎门大桥是我 国首次建立的悬索桥，近年来我国特别是沿海地区交通发展迅速，又迫切需要建 立一大批大跨度桥梁。为了确保这些耗资巨大，与国计民生密切相关的桥梁的安 全耐久，必须对这些大桥进行连续的健康监测。 1 3 桥梁健康监测的现状 自从5 0 年代以来，人们就意识到桥梁安全监测的重要性，但由于早期的监测 手段比较落后，所以在应用上一直受到相当的限制。近年柬随着大跨桥梁设计的 轻柔化，以及形式与功能的日趋复杂化，这项技术更成为国内外学术界、工程界 的研究热点。目前，许多国家都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行有益的尝试i j j ： 丹麦曾对总长1 7 2 6 m 的f a r o e 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测，旨 在检查关键的设计参数，监测施工危险阶段以及获取丌发优化的监控维护系统所 必须的桥梁健康记录。另外他们在主跨1 6 2 4 m 的g r e a t b e l t e a s t 悬索桥上已开始尝 试把极端记录与j 下常记录分开处理的技术，以期减小数据存量。墨西哥有关部门 则对总长1 5 4 3 m 的t a m p i c o 斜拉桥进行了动力特性测试，并比较了环境激振和传 统振动试验的效果。泰国与韩国目前已开始在重要桥梁上安装永久性的实时结构 整体与安全性报警设备。挪威在主跨5 3 0 m 的s k a m s u n d e t 斜拉桥上所安装的全自 动数据采集系统己能对风、加速度、倾斜度、应变、温度、位移进行自动监测等。 香港的l a n t a u f i x e d c r o s s i n g 和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江 大桥等在施工阶段已开始传感设备的安设，以备将来运营期间的实时监测，事实 上这种技术的成功开发将起到确保桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命的作用，同 时通过早期发现桥桀病害能大大节约桥梁的维修费用，可以避免最终频繁大修关 闭交通所引起的重大损失。 3 同济丈学博l 后出站报告 近年来，桥梁的安全性问题日益引起人们的广泛关注，随着现代科学技术的 发展，桥梁的安全监测已经从人工检测向自动实时检测发展。人们对桥梁损伤识 别已经积累了许多经验，探索了许多损伤识别的方法，如基于p r f 的损伤识别、 a d a p t i v et e m p l a t em e t h o d s ( a t m ) 、s i g n a t u r ea s s u r a n c ec r i t e r i a n 、神经网络、模态 识别等。上述方法在桥梁健康监测的研究和应用中都取得了一些积极的效果，同 时也遇上了不少的困难。整个技术的成功开发乃至系统目标的最终实现只能依赖 于今后更好地结合桥梁的自身特性及工作环境讨论问题。主要体现在如下四点1 4 1 ： 1 、首先桥梁作为一个由多种材料、不同结构组合而成的大型综合系统，系统 各个成分应力状态、易损陛不一，刚度、动力特性相差甚大。如果直接从机械振 动模态技术出发，笼统地用某种单一的动力特性变化指标去评估整体结构的状态， 显然是难以得到预期效果。反过来如果能把结构材料形式相近，动力特性一致的 部分划分为子结构，从各子结构的指纹变化来反映整个系统的状态，则在每次处 理中能大幅度减小需要修j f 的参数，从而使方程组的病念与奇异性减小到较低的 程度。子结构分得越细，损伤的诊断、定位以及能力评估就越准确。把整个结构 划分为子结构进行监测、评估，还有一个优点就是在布点问题中，可以通过划分 子结构的办法对重点区域重点布设传感器，使有限的传感器发挥最大的效能。 2 、桥梁结构不同于机械、航空结构之处还在于： 当结构的指纹发生改变，甚至混凝土结构在设计荷载下产生许多裂纹，桥梁 都不一定出现损伤，损伤的判断与其结构工作特性有关。从设计的角度来看，桥梁 结构应该满足安全和使用上的要求。所谓“安全”应基于一个指定的结构受力反 应限度来说，如允许应力或某个服务能力准则。当| ；i l 的工程实际中就有两种不同 的准则：一种是给荷载与承载能力力且上适当系数后进行结构设计；另一种则是基 于结构的极限状态进行设计【按照a a s h t o ( 1 9 9 4 ) ，桥梁的结构极限状态可分为服 务极限状念，强度极限状态以及极端事件极限状态1 。由此看来桥梁健康监测与状 态评估只有与各种标准下的承载能力紧密联系起柬，才能完成真正意义上的使命。 在这个系统中引起结构强度不足的因素有很多，但需包括以下几方面： 由于结构的老化，损伤及铺装层维修引起的动载承载能力不足； 当前使用荷载高于设计标准； 依据已遭淘汰的设计标准设计，但不能在新规范中通过： 结构在极端荷载作用下( 如地震等) 发生累积损伤，系统及边界条件改变。 3 、桥梁结构与航天器、精密机床在受力特点上差别较大。 桥梁受的荷载中恒载占了七八成以上，它们对整个结构的动力特性起着至关 重要的作用，如果缺乏对其量值、分布、变化的了解，势必会使反映结构状态的 4 第1 章绪论 指纹变化淹没于恒载应力的变化( 如应力重分靠) 之中，使整个动力监测失去意义。 要做到这一点，从施工开始就得建立结构的受力数据库。 4 、环境因素对桥梁结构的动力特性影响很大。 s t r a s e r 和k i r e m i d j i a n 等对a l a m o s ac a n y o n 桥的1 4 小时监测中就发现第一、 第二、第三频率的变化分别可达4 、6 、5 。而一般损伤使结构自振频率的变 化都在5 以内。从这一侧面也反映了当前振动测试中响应量测值对感兴趣的结构 参数不敏感的原因。此外，结构基础的沉降以及构件预应力损失所引起的应力重 分布都不可避免地对振动模念分析产生消极影响。目酌对这些方面的研究还没有 足够的重视。 1 4 项目的提出与主要研究内容 目前，在全部桥梁中，混凝土桥梁占绝大多数。根据1 9 8 9 年的统计数字，欧 洲桥梁中混凝土桥梁占7 0 ，美国混凝土桥梁占7 2 ，我国混凝土桥梁占9 0 以 上。1 9 9 4 年的秋检统计数字表明：我国铁路桥梁中共有2 6 7 5 座混凝土病害桥1 5 j 。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外相继发生了许多预应力混凝土桥梁的损伤或毁坏 的情况，虽然，各国都己开始对桥梁的运营状念进行跟踪，但其手段还只是局限 在定期检测。一方面，对所有桥梁定期检测的费用是一笔巨大的支出，另一方面， 检测内容仅限于桥梁的外部，对于其内部的关键受力构件的受力情况不得而知。 因此对于一些突发情况下( 如大风、振动等) 桥梁的结构状态没有办法及时掌握，进 而无法对桥梁的运营进行有效的控制，尤其对于服役时间比较长的桥梁更是如此。 因此自主设立了桥梁健康无线监测系统研究项目。 本项目研究的桥梁健康无线监控系统是通过传感器系统实时无线的采集桥梁 在运营状态下的各种数据和信号，并根据采集的数据与信号反演出桥梁的结构工 作状态和健康状态，识别出可能有的结构损失的程度及其部位，进而给出桥梁的 安全可靠性评估，为桥梁的管理与维护提供科学依据。桥梁健康无线监测系统的 设计和应用不仅具有重要的现实意义，而且具有重要的科学意义，将对推动和发 展数字化、智能化桥梁工程发挥积极的作用。 桥梁健康无线监测系统主要包括以下几个部分： l 、强度、温度检测：以应变、温度 2 、位移及挠度监测：以桥墩的位移沉降、桥面的变形挠度为监测目标； 3 、数据采集：实时采集监测数据，并传送给无线传输模块； 4 、数据无线传输：完成监测数据的无线发送与接收； 5 、功能丰富的数掘库管理软件。 - 5 同济大学博 后出站报告 桥梁健康无线监测系统主要达到如下目标： l 、报告大桥在各种工作环境下的结构载荷变化； 2 、设定日常信道报警系统，用于桥梁的日常运营管理； 3 、报告大桥各主要构件的实际工作状况，为结构维护提供依据； 4 、报告大桥的沉降及挠度变形情况，判断桥梁的安全状况，并设立报警系统； 5 、对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估。 所研究的桥梁健康无线监测系统的特点： 1 、利用光纤传感器有效监测应变和温度； 2 、g p s 位移测量精度高； 3 、数据实现g p r s 无线传输； 4 、系统接口留有冗余，易扩展； 5 、可以全天候2 4 小时实时监测。 6 第2 章桥梁健康瓶测传感器的选择及优化 第2 章桥梁健康监测传感器的选择及优化 2 1 桥梁的监测参数 2 0 世纪桥梁工程领域的成就不仅体现在预应力技术的发展和大跨度承桥梁的 建造以及对超大跨度桥梁的探索，而且反映于人们对桥梁结构实施智能控制和智 能监测的设想与努力。近2 0 年束桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工 艺的开发推动了大跨度桥桀的发展；同时，随着人们对大型重要桥梁安全性、耐 久性与正常使用功能的日渐关注，桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而 生。由于桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈 信息，并可用于深入研究大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题，因 此，桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环境未知问题的调查与研究扩充 了桥梁健康监测的内涵。 2 1 1 桥梁的安全监测1 6 i 桥梁的安全检测属于结构安全监测范畴，结构的安全检测是由结构的状态监 测与病害诊断两个过程构成，两者既有密切的联系又有区别。状态监测是指通过 某些方法对结构的特征参数，例如振动、应力、变形、温度等进行测量，将测定 值与结构正常工作时的数值进行比较，以判别结构的工作状态是否正常。状态监 测又称简易诊断，在这个过程中只对结构有无病害进行评判，而不作分析。因此， 通常只需要恰当的选择检测参数、测点及监测周期，一般都能取得良好效果。 病害的诊断是比状念监测更高层次的结构安全监测技术，它不但要对结构工 作是否正常做出初步诊断，而且还要对结构产生病害的原因、部位和严重程度做 出判断，从而为管理决策提供依据，这种诊断又称精密诊断。简易诊断的目的是 为了对结构的状态做出迅速有效的概括性评价，再结合实际经验做出初步判断； 精密诊断的目的是对简易诊断判定为有异常的结构进行专门的测量、分析和判别， 最后确定采取哪些必要的技术措施。从全过程看，状态监测是基础，采集的数据 应该准确无误，而病害检测是状态监测基础上的深入和发展，病害的预防和控制 是病害诊断的最终目的。 当结构出现病害时，结构的各种参量或其中部分参量表现出与正常状态不同 的特征，这种差异包含着丰富的信息，如何找到这些病害的特征描述，并利用它 进行病害的诊断和评估结构的安全度就是结构安全检测的任务。安全检测包括结 一7 同济大学博t 后出站报告 构病害特征提取、病害分离与估计和病害评价与决策等几个方面的内容。 2 1 2 结构的状态监测 桥梁安全状态监劂可以分为定期监测和连续监侧，无论采取哪种监测方法， 都需要从桥梁结构中提取能反映结构特性的参数信号，如应力、应变、温度、变 形、速度、加速度、位移等信号。桥梁健康安全监测一般包括如下主要内容【6 】： 振动监测：以结构的振动、冲击、机械导纳以及模态参数为监测目标。 声学监测：以噪声、声阻、超声、声发射为监测目标。 温度监测：以温度、温差、温度场、热像为监测目标。 性能趋向监测：以结构的各种主要性能指标为监测目标。 强度监侧：以力、应力、应变、扭矩为监测目标。 表面形貌监测：以变形、裂纹、斑点、凹坑等为监测目标。 对于不同的监测对象，由于影响其工作性能的控制因素不同，所以监测的物 理参数各不相同。振动和噪声的监测应用最为广泛，对于桥梁这种大型土木工程 结构，通常以振动监测、强度监测和表面形貌监测为主要目标。 2 2 桥梁监测常用传感器 表2 - 1 列出了目前国内外桥梁健康监测中经常使用的传感器( 7 1 。同时通过近年 来的研究和实践，在结构健康监测应用中新出现了一些很有前途的信息传感技术， 例如：光纤传感器、微机电系统( m e m s ) 传感器、全球定位系统测量和无线传感等。 表2 - 1 桥梁监测系统常用传感器 监测内容所用传感器 载荷监测风速仪、温度计、动态地成、强震仪、摄像机 形变监测位移计、倾角仪、g p s 、电子测距器、数字相机 振动、强度监测伊移计、倾角仪、廓变仪、测力计、加速度计、光纤 2 2 1 形变 目前对线性形变( 竖向、横向、纵向的位移) 的监测，常用的方法是光电测 距法( e d m ) 。光电测距主要是通过沿钢箱梁选择适当的点布置反射器，与测量用 的全站仪配合使用，形成光载波通信系统，利用全站仪的红外激光探测功能，对 反射器进行连续监测，测量每个发射器与全站仪的相对角度和距离，经过系统计 第2 节桥梁健康| 撬测传感器的选择及优化 算，确定梁的外型和移动情况。但是，当桥梁所处的江面较宽，大风、大雾、雨 雪天气时常出现时，会严重削弱光电测距的有效测程，就是勉强测出距离读数， 其精度也会受影响。尤其是对于长跨度大桥，这些影响更为明显。 2 2 2 拉力 目前用于拉力监测的装冒有电阻应变仪、钢丝振弦应变仪、磁致弹性测力仪 等直接测量。在应用的过程中由于电阻应变仪容易损坏，钢丝振弦应交仪安装难 度较大，所以在桥梁监测系统中般采用磁致弹性测力仪是较好的选择。磁致弹 性测力仪在欧洲应用较为普遍，它是一个环形装置，一般缠绕在索股上，利用磁 通量的变化与钢丝为芯的应力改变有关的原理进行测量拉力。 2 2 3 应力应变 应力应变监测的目的在于研究桥梁的内力分布及各种载荷下的响应，为桥梁 的结构疲劳、寿命评估和安全性评价提供依据。同时，通过对桥梁结构的重点部 位内力的监测，考察局部结构及连结处应力应变随各种外界载荷( 交通荷载、温 度、风载等) 作用的变化过程，为损伤识别、疲劳损伤寿命评估提供依据。 一般的应力应变监测采用电阻应变传感器，而电阻式应变仪的零点漂移、接 触电阻变化以及温度漂移等给系统带来一定的误差。而且电阻式应变传感器主要 问题是寿命较短，同时获得的应变应力是一个相对量，指纹无法复现，从长期监 测和信号传输等方面考虑，都不宜在实时监测系统中采用。近年来发展起来的光 纤光栅传感器技术，由于众多的优点，逐步应用到桥梁健康监测领域中束。 2 2 4 振动 桥梁结构的受损和安全性降低多数是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤累 积的结果，而桥梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果。 所有对动载荷的监测在桥梁安全监测的一个重要组成部分。 振动特性的监测通常应用加速度传感器束测量，但是由于桥梁各个结构部件 的固有振动特眭不同，因此在选择传感器时要充分考虑传感器的技术性能指标， 同时根据应用场合的不同选择不同频率范围、灵敏度和采样特性的加速度传感器。 大跨度桥梁是低频振动，监测仪器必须有良好的低频特性和积分以及滤波性 能。伺服式位移传感器有良好的低频响应特性，动圈式速度传感器也有较好的低 频特性，适合于桥梁现场振动测量。一般加速度传感器的低频响应较差，如若使 用加速度传感器现场振动测量时要注意防止遗漏低频频率。m e m s 加速度传感器， 9 同济大学博 后i l l 站报告 通过采取一定的措施，可以有效的避免一般加速度传感器的缺点，满足对桥梁低 频振动的监测要求。 同时，考虑到目前g p s 测量的静态精度可以达到毫米级或亚毫米级，完全可 以满足位移沉降等永久性位移的测量。而振动的测量是位移随时问的变化量，因 此可以尝试将g p s 测量技术应用于振动的监测中。经过查阅相关技术资料和实验， 发现目前的g p s 动态实时测量精度还不理想，很难满足振动测量的要求。 2 3 本项目传感器的选择 桥梁经常会处于江面较宽，大风、大雾、雨雪天气时常出现时的恶劣气候状 态中，因此桥梁健康监测系统对传感器的性能、寿命等有着很高的要求。同时由 于桥梁空问跨度大、约束点多、结构变形复杂，因此要想获得反映整个桥梁健康 状态的参数，就必须在桥梁的各个重要部位安装多个不同类型的传感器。这些不 同类型的多个传感器离散的分稚在桥梁上，组成传感器网络，因此传感器的选择 和布设显得尤为重要。 2 3 1 主要传感器的选型 传感器的种类和数量的选择应根据监测项目的实际情况的不同而异，传感器 的选择还应与相应的评估方法相适应。表2 - 2 给出了项目中使用的传感器类型。 表2 - 2 主要传感器选型 监测内容传感器类型 位移沉降 6 p s 测量 屙度、府力廊变光纤光栅传感网络 振动 m e m s i c 芯片加速度传感器 光纤传感器有大的测量范围和带宽、可靠性号和耐久性强。光纤光栅不仅可 以作为传感介质而且可以用柬作为传输介质柬使用。比较容易的构成传感器网络， 因此本项目中的应力应变、温度等信息的采集选用光纤光栅传感器网络来实现。 桥梁的位移沉降则使用g p s 测量技术来实现。g p s 测量技术使用广播星历和 差分算法，经过足够长时问的观测，可以达到在水平方向3 5 r n m ，垂直方向上6 1 0 r a m 的定位精度。如果测量时间足够长，使用精密星历数据并将测量数据用后处 理软件进行精密解算可以达到水平精度优于l m m ，垂直精度优于1 5 m m 。因此，采 取一定措施，将g p s 测量技术应用与桥梁健康监测工程中是可行的。 振动的测量使用m e m s i c 芯片开发的加速度传感器。选用性能良好的传感器， 第2 章桥粱健康监删传感器的选择及优化 是获得高质量监测结果的关键。常用三种传感器用于结构动力测量，即位移传感 器、速度传感器和加速度传感器、监测特大跨度桥梁( 因而自振频率较低) 自振 特性时，要求传感器有良好的低频特性。桥梁的位移振幅随结构自振频率阶数提 高而减少，但某些高阶频率的振动加速度值有时却比基频振动大得多，尤其是特 大跨度桥梁，因为特大跨度桥梁的振动虽然基频振动有较大的位移振幅，但是加 速度值常常比某些高阶频率的加速度值小的多。因此，使用加速度传感器进行桥 梁脉动测量，应该配詈有足够大的灵敏度和带通滤波功能，这样才能不会因低阶 振型信号微弱而遗漏。所以在设计振动监测单元时，应充分考虑上述可能出现的 问题。 2 3 2 光纤传感器 光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 传感器是作为一种新型光纤传感器，对 多个物理量敏感，可以用来测量多个物理量，包括应变、应力、温度、振动、压 力、电压以及一些化学量，其应用领域非常的广泛。同时f b g 传感器阵列可以实 现分御式的传感网络，对物体进行多点测量，提取相关的信号，进行状态分析， 达到示警以及故障诊断的目的。f b g 传感器在传感网络应用中具有非常明显的技 术优势，主要包括： 1 ) 可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被测信息用波长编码，不受光 源功率波动和光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响。 2 ) 测量精度高。 3 ) 单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量，其 测量点多，测量范围大，传输距离可以达5 0 多公里 4 ) 传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部 构成所谓的智能材料或结构。 5 ) 抗电磁干扰、抗腐蚀，能于恶劣的化学环境下工作。 光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。如图3 1 为光纤光栅的结构示意图。 巷巨三i 几彘e = 3 同济大学博十后出站报告 根据模耦合理论，特定波长的光波被光纤光栅所反射回去。反射的中心波长 信号跟光栅周期、纤芯的有效折射率有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅媪 度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波 长的变化反映y # l - 界被测信号的变化情况。将f b g 封装在温度增敏材料中，可以 提高它的温度系数灵敏度，进而得到更大的测量精度。 光纤布喇格光栅传感器的原理结构如图3 2 所示。宽谱光源将有一定带宽的光 通过环行器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光 被反射回来，再通过环行器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。当布喇 格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化， 从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、 压力或应力。 图3 - 2 光栅光纤( f a g ) 传感器原理图 1 9 8 9 年美国却朗大学的m e n d e z 等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝 土结构和建筑检测的可能性。美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等国相继 也将光纤传感技术应用在桥梁、大坝等安全监测中。在我国，光纤传感系统已广 泛的应用于多个国家重大工程的健康安全监测中，例如：国家西气东输结构监测 工程、国家游泳馆改造工程、河北京杭运河特大桥、山西汾河大桥、上海卢浦大 桥、秦皂岛t 型梁桥检测、首钢高炉测温工程、胜利油田测温工程、西气东输管 道测温等f 89 1 0 1 。 2 3 3m e m s 传感器 微机电系统( m e m s ) 的发展显示了巨大的生命力，它把信息系统的微型化、多 功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。桥梁结构的工作环境相对恶劣， 使用传感器数量众多，因此m e m s 传感器在可靠性和造价方面有着较大的优势，可 第2 章桥梁健康慨删传感器的选择及优化 以较好的适应桥梁监测的工作特点。 m e m s 传感器用于测量加速度以其成熟完善的功能、低廉的价格，提供了最可 靠的加速度测量方案。传感器的核心部件是m e m s 器件，它是基于单片c m o s 集成 电路制造工艺而生产出来的一个完整的双轴加速度测量系统。就像其他加速度传 感器有重力块一样，m e i s 器件是以可移动的热对流小气团作为重力块。器件通过 测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度。 m e m s 传感器中的质量块是气体。气念的质量块同传统的实体质量块相比具有 很大的优势。器件中不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题，同时可以 抵抗5 0 0 0 0 9 的冲击，这使的m e i s 器件的次品率和故障率很低。下面将介绍通过 测量温度变化来确定加速度的装置原理。 一个被放置在硅芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团。同时 由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称的放置在热源的四个方向。在未受到 加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的，此时所有四 个热电偶组因感应温度而产生的电压相同的。 由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而 导致其不对称，此时四个熟电偶组输出电压会出现差异。而这热电偶组输出电压 的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同 的加速度信号传输路径：一条是用于测量x 轴上所感应的加速度；另一条则用于 测量y 轴上所感应的加速度。 t h o m a sk e n n y 的研究小组设计制造出了m e m s a e 电压加速度计，调整悬臂梁 单元的参数，就可以获得期望的传感特性的传感器。该传感器已经在结构健康监 测中得到了应用“”。 2 3 4 全球定位系统g p s g p s 全球定位系统是在卫星多普勒导航系统的基础上发展起束的。卫星多普勒 导航系统是以多普勒效应为的提，基本方法是利用卫星播发的无线电波信号，在 地球表面的某一接收站测量其接收卫星信号的多普勒频移柬确定地球表面监测站 的位置。g p s 的应用可直接测量桥梁结构的三维位移。通过直接测量取得的桥梁的 拉伸可监测桥梁的结构健康情况。g p s 在悬索桥健康监测中的应用不仅可行且精度 提高到厘米水平( 水平移动l c m ，垂直移动2 c m ) ，而通常桥梁在通车和温度载荷下 位移范围为1 0 0 8 0 0 m m 。因此g p s 测量技术在桥梁健康监测系统中发挥着越来越 大的作用。 - 1 3 一 同济大学博t 后出站报告 2 4 传感器的优化布设 孤立传感器的测量对于桥梁等大型结构意义不大。有一定数量有效传感阵列 才能获得健康监测的足够信息，即使是监铡局部损伤也是如此。非常有限的传感 阵列提供的针对损伤演变过程的信息过少，将难以监测结构的损伤过程。没有一 定密度的传感阵列，将很难确定推测其损伤过程的正确性和唯一性。同样，如果 损伤不严重，使用少量的传感阵列能够监测到损伤的可能性非常小。一个成功的、 有效用的健康监测系统就是要设法从初始状态就能检测到小损伤的发生，通过早 期检测将可以提供安全、实时的反馈信息以修复损伤的部件，从而有助于减少桥 梁重大事故的发生。 布设传感器采集的信号应尽量与环境激励的影响相正交，传感器的优化御设 既要顾及监测效果又要考虑到系统经济性。基于随机振动的大跨度桥梁的健康监 测技术，其有效性首先建立在模态试验的好坏上，而传感器的类型，位置和数量 对试验结果起决定作用。由于客观因素的制约。传感器的数量总是有限的，如何 安排有限数量的传感器从噪声信号中实现对结构状念改变信息的最优采集，是大 跨度桥梁的健康监测的关键技术之一。传感器的优化旆设方法，依采用的不同标 准而各异，如使测量的模态正交性得到最大程度保留的m a c 矩阵非对角元最小化 准则；使测点远离振型节点，以保证测试数据质量的动力能最优准则等。美国 m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授提出的遗传算法，其编码操作使其能并行处理大量 信息，同时搜索成群的解，在多点寻优，理论上易于达到全局最优解，适于大型 复杂结构如大跨度桥梁的传感器最优测点布设问题。 人们探索了一系列的准则，如基于经验和基于结构自由度的缩聚法；针对振 动模态的有效独立法( e i ) ；c a m e r o n ，a 和d u r r a n t - w h y t e ，h 在模态实验中采用 的贝叶斯法；我国清华大学在青马大桥健康监测中采用了遗传算法寻找加速度传 感器的最优布点“”；西南交通大学也探索了静载作用下桥梁应变测量传感器优化 布设“”。清华大学的秦权等人掘此对香港青马大桥的传感器优化白设问题进行了 研究，为较好地解决大型结构传感器优化靠设问题开辟了新的途径。但各种方法 只是在局部问题中有效，目的尚缺乏有效的传感器优化却设评估标准。各种算法 依据各自的评估目标，尽管各方法在形式和理论上有一点联系，但对同一结构在 同一条件下，不同算法得出的结论往往并不相同。因此关于传感器优化理论的探 讨和验证值得深入研究。 第3 章桥梁健康尢线雌删系统方案设计 第3 章桥梁健康无线监测系统方案设计 3 1 桥梁健康监测系统与理论发展 3 1 1 监测系统 8 0 年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长 5 2 2 m 的三跨变高度连续钢箱梁桥f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车 辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。 该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和 数据网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的s k a r n s u n d e t 斜拉桥( 主 跨5 3 0 m ) n ”、美国主跨4 4 0 r n 的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥、丹麦主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥 1 6 j 英国主跨1 9 4 m 的f l i n ts h i r e 独塔斜拉桥i 刀以及加拿 大的c o n f e d e r a t i o tb r i d g e 槲1 8 】。我国白9 0 年代起也在一些大型重要桥梁上建立了 不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥。内地的 上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等 3 3 9 , 2 0 , 2 ”。 从已经建立的监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这些监测 系统具有以下一些共同特点： 1 、通常测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录； 2 、除监测结构本身的状态和行为以外，还强度对结构环境条件( 如风、车辆 荷载等) 的监测和记录分析；同时，试图通过桥梁在正常车辆与风载下的动力响 应柬建立结构的”指纹”，并藉此开发实时的结构整体性与安全性评估技术； 3 、在通车运营后连续或间断地监测结构状态，力求获取的大桥结构信息连续 而完整。某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量； 4 、监测系统具有快速大容量信息采集、通信与处理能力，并实现数据的网络 共享。 3 1 2 理论研究 十多年来，桥梁健康监测理论的研究主要集中于结构整体性评估和损伤识别。 由于基于振动信息的整体性评估技术在航天、机械等领域的深入研究和运用，这 类技术被用于土木结构中除无损检测技术以外的最重要的整体性评估方法并得到 广泛的研究【3 2 1 0 2 2 - 3 1 。人们致力于基于振动测量值的整体性评估方法研究的另一个 1 5 同济大学博十后出站报告 原因是，结构振动信息可以在桥梁运营过程中利用环境振动法获得，因此这一方 法具有实时监测的潜力。 结构整体性评估方法可以归结为模式识别法、系统识别法以及神经网络方法 三大类【2 4 1 。结构模态参数常被用作结构的指纹特征，也是系统识别方法和神经网 络法的主要输入信息。另外，基于结构应变模态、应变曲率以及其他静力响应的 评估方法也在不同程度上显示了各自的检测能力【2 2 】。然而，尽管某些整体性评估 技术已在一些简单结构上有成功的例子，但还不能可靠地应用于复杂结构。阻碍 这一技术进入实用的原因主要包括： 1 、结构与环境中的不确定性和非结构因素影响； 2 、测量信息不完备； 3 、测量精度不足和测量信号噪声； 4 、桥梁结构冗余度大并且测量信号对结构局部损伤不敏感。 3 1 3 桥梁健康监测的意义 j 桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测加结构评估新技术，而是破赋予了结构 监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义f 2 5 1 ，如图3 1 所示。 矗移蝎话! 冀簿1 一薰! | | 卜 刀：，光纤由纤芯射向包层时发生全反射的临界角纯由下式决定： s i n o c = 疗2 n l ( 4 - 2 ) 因此，光在纤芯和包层界面上发生全反射时，要求： s i n 妒1 s i n 妒c = n ：或c o s 矿1 即i 把( 4 - 3 ) 式代入( 4 1 ) 式得： ，2 8 ( 4 3 ) 订 第4 章府变温度船测单元设计及光纤光栅传感技术研究 s i n o o 二厅? 一”； ( 4 - 4 ) 。 由于空气的折射率近似为l ，则有： e o a r c s i n x n ：一珂；= 以 ( 4 - 5 ) 式( 4 5 ) 确定了能够产生全反射的光在端面的入射角的范围为2 0 ，当入射角 e o 在此范围内时，光在界面产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反 射，直到传播到光纤的另一端面。如果工作需要光纤微弯曲，只要仍满足全反射 定律，则光仍然可以继续前进。如果入射角吼超出上述范围，则进入光纤的光线 便会在界面上发生折射，并透入包层。 光纤传感技术的关键在于光调制技术，也就是将一个携带待测参数信息的信 号迭加到光纤内传输的载波光波上，该工作由光纤上的敏感元件来实现。布置在 待测区域的敏感元件受到应变或温度变化等外因的扰动，对光信号的波长、强度、 相位、频率、颜色和偏振等光波参数之一进行调制，被调制后的光波在光纤中传 输，在监测终端由光电装置将光信号解调为模拟电子信号，再对这些信号进行处 理得到待测参数的数字信剧2 7 1 。光纤传感的整个过程可以用图4 3 束表示。 图4 - 3 光纤传感过程示意图 4 1 2 光纤传感器的类型及特点 光纤传感器的种类很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型 两种类型。传感型光纤传感器又称功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤 不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量 作用而发生变化的特点，使光波导的属性( 光强、相位、偏振态、波长等) 被调制。 因此，这一类光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振念调制型和波长 调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光 纤的长度可以得到很高的灵敏度。传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器， 它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出端进行光信号处理 2 9 - 同济大学博十后出站报告 而进行测量的。在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所 传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。 光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、 分布式光纤传感器3 种。其中，分前】式光纤传感器是理想的结构应变分布的监测 器，它能在对结构无损伤的情况下，迅速测定物理量的大小、扰动及其位置。一 般来说，分布式光纤传感器是靠检测散射回来的能量来提供沿光纤分布的参数的 变化量，这样就需要利用光纤的时域反射技术( o t d r ) 、相干光频域反射技术 ( c o f d r ) 及非相干光频域反射技术( i o f d r ) 等。 光纤传感器在1 9 8 0 年代初期研制成功，到目韵种类已达到上百种。其中已实