（控制科学与工程专业论文）桥梁振动信号的数据采集系统集成与软件设计.pdf

分类号 u d c 密级金亚 学校代码l q 垒窆2 武j 萎理歹大浮 学位论文 题目 援梁拯动信曼的数握墨篡丕统集盛皇筮住遮让 英文d e s i g n o fs o f t w a r ea n dd a t a a c q u i s i t i o n 题目 q 尘曼旦煎亟g 坌堑坠! = 丛i q 垒s i g 塾鱼! 研究生姓名塞迪 指导教师 姓名j 选职称蛆丝整学位j 吐 4 3 0 0 7 0 申请学位级别巫学科专业名称揎剑型堂鱼王猩 论文提交日期 2 q ! ! 生垒月论文答辩日期2 q l ! 生5 且 学位授予单位一盛婆堡三盘堂 学位授予日期2 q ! 曼生鱼且 答辩委员会主席塞垡堑塾撞评阅人塞垡堑塾撞 堕整塾撞 2 011 年4 月 独创性声明 l i i i it li iii t iii l tl lli ii y 18 7 9 7 9 5 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：睡日期：圣! 坐 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：鐾幽师签名：诬日 摘要 随着我国经济的发展，大型桥梁的建设越来越多，在桥梁工程技术领域中， 存在着大量的振动问题。这些振动问题造成桥梁结构的损坏，严重情况下可能 造成桥梁坍塌事故。桥梁振动信号的监测问题已成为国内外研究的一个重要课 题，做好振动信号采集与分析的研究，对于保证桥梁运营安全及采取相关的维 修措施有极其重要的意义。 本文针对大型桥梁的健康监测系统中振动信号的数据采集与分析进行研 究。运用现有的振动信号采集技术，结合桥梁的结构特点，研究适用于桥梁的 振动信号采集技术和方法。应用数据库技术来管理监测到的历史信息、监测信 息和分析结果等的全部数据。应用可视化技术将分析后的数据和评估结果，用 最直观的方式显示给用户。利用i n t e m e t 网络作为传输媒介和w e b 服务器，来实 现对桥梁状态的实时远程监测。 随着计算机技术和软件技术的发展应用，虚拟仪器技术逐渐成为当前测试 与控制领域的研究热点，它甚至已经代表了测试与控制仪器技术的发展方向。 为适应现代化的需要，提高测试精度，本论文以l a b v i e w 为软件平台，建立了 具有普遍意义的振动信号的采集与分析系统l a b v i e w 是基于数据流的编译型 图形编程环境，可以在不同操作系统下保持兼容，为数据的采集、分析、显示 提供集成的开发工具，而且还可以通过d d e 和t c p 口实现共享，节约了8 0 的程序开发时间，而速度几乎不受影响。 桥梁振动信号数据采集后，需要对数据进行处理，并连接到相应的数据库。 本文采用基于a d o 的数据库访问技术，建立数据库的连接，设计相应的数据库 表，以及做好软件设计的错误处理措施。采用s q ls e r v e r 作为后台数据库管理 系统，在w i n d o w s 操作系统环境下，利用a d o 接口连接到s q ls e r v e r 数据库进 行复杂的数据操作。实现了对s q ls e r v e r 数据库和事务日志进行备份处理，采 用手动备份和自动备份，当数据库损坏后，可以将以前备份的数据恢复到当前 工作时的数据状态，保证整个系统性能正常工作。 关键词：传感器，数据采集，l a b v i e w ，虚拟仪器，数据库 a b s t r a c t a l o n gw i mt h ed e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y , m o r ea n dm o r el a r g e s a c l eb r i d g e s h a v eb e e nb u i l t ，a n dt h e r ea r eg r e a tn u m b e ro fv i b r a t i o np r o b l e m se x i s t i n gi nt h ef i e l d o fb r i d g ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hm a yc a u s ed a m a g et ot h es t r u c t u r eo fb r i d g e ， a n de v e nd e s t r u c t i v ea c c i d e n t si ns e v e r ec a s e s t h em o n i t o r i n go fv i b r a t i o ns i g n a l s h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i ci nt h er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ，ab e t t e rr e s e a r c h o ft h ea c q u i s i t i o na n da n a l y s i so ft h ev i b r a t i o ns i g n a l sp l a y sav i t a li m p o r t a n tr o l ei n t h eg u a r a n t e eo fs a f eo p e r a t i o na n dr e l a t e dm e a s u r e so fm a i n t e n a n c eo ft h eb r i d g e t h i st h e s i sa i m e da tt h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y t i c a lr e s e a r c ho ft h ev i b r a t i o n s i g n a l si nt h eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mo fl a r g eb r i d g e u s i n gt h ep r e s e n te x i s t i n g a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yo fv i b r a t i o ns i g n a l a n dc o m b i n e dw i t ht h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fb f i d g et os t u d yt h et e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d st h a ta r ea p p l i c a b l et o t h ea c q u i s i t i o no fv i b r a t i o ns i g n a l s a p p l yt h ed a t a b a s et e c h n o l o g yt om a n a g et h e a l r e a d ym o n i t o r e dh i s t o r i c a li n f o r m a t i o n ，t om o n i t o ra l lt h ed a t ao fi n f o r m a t i o na n d a n a l y s i sr e s u l t s m a k i n gu s eo f t h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yt os h o wt h ea n a l y s i so f d a t aa n da s s e s s m e n tr e s u l t st ot h eu s e r si nam o s ti n t u i t i v ew a y t h e nu t i l i z et h ew e b s e r v e ra n dt a k et h ei n t e r n e ta st r a n s m i s s i o nm e d i at oa c h i e v et h er e m o t er e a l t i m e m o n i t o r i n go ft h eb r i d g es t a t e w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n ds o f t w a r e t e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h eh o tp o i n ti nr e s e a r c ha r e a s o fc u r r e n tt e s ta n dc o n t r o l ；i th a se v e nr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft e s t a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fi n s t r u m e n t i no r d e rt om e e tt h en e e d so fm o d e m i z a t i o n a n di m p r o v et h ep r e c i s i o n ，i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rh a sb u i l ta na c q u i s i t i o na n d a n a l y s i ss y s t e mo ft h ev i b r a t i o ns i g n a l sw i t hu n i v e r s a ls i g n i f i c a n c eb ys e t t i n g l a b v i e ws o f t w a r ea sap l a t f o r m l a b v i e wi sal 【i 1 1 do ft o o lw h i c hb a s e do n g r a p h i c a lp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n to fd a t as t r e a m ，a n db e n e f i tu sa sat o o lw h i c h c a nm a i n t a i nc o m p a t i b i l i t yw i t hd i f f e r e n to p e r a t i n gs y s t e m sa n dp r o v i d e si n t e g r a t e d d e v e l o p m e n ti n s t r u m e n tf o rd a t ac o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n dd i s p l a y , a sw e l la sr e a l i z i n g s h a r i n gv i ad d e a n dt c p i p ，w h i c hc a ns a v e8 0 o ft h ep r o g r a md e v e l o p m e n tt i m e ， a n dt h es p e e di sa l m o s tu n a f f e c t e d 1 1 a f t e rt h eb r i d g ev i b r a t i o ns i g n a ld a t aa c q u i s i t i o n , d a t an e e dt ob ep r o c e s s e d ， c o n n e c t i n gt o t h ec o r r e s p o n d i n gd a t a b a s e t h i st h e s i s a d o p t sd a t a b a s e a c c e s s t e c h n o l o g yb a s e do nt h ea d o ，e s t a b l i s h e st h ed a t a b a s ec o n n e c t i o n , d e s i g n st h e r e l e v a n td a t a b a s et a b l e ，a n dc o m p l e t e st h es o f t w a r ef a u l t - t o l e r a n td e s i g n s q ls e r v e r i sab a c k e n dd a t a b a s em a n a g c x n e n ts y s t e m , u n d e rt h ew i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m e n v i r o n m e n t , c a l lu s ea d oi n t e r f a c e sc o n n e c t e dt ot h es q ls e r v e rd a t a b a s ea n d c o m p l e xd a t ao p e r a t i o n f i n a l l yt h es q ls e r v e rd a t a b a s eo ra f f a i r sl o gf o rb a c k u p p r o c e s s i n g , a d o p tm a n u a lb a c k u pa n da u t o m a t i cb a c k u p ，w h e nd a t a b a s ec a nb e d a m a g e d ，p r e v i o u s l yb a c k e du pd a t ar e c o v e r yt od a t as t a t eo ft h ec u r r e n tw o r k , g u a r a n t e e t h es y s t e mp e r f o r m a n c ew o r kn o r m a l l y k e yw o r d s ：s e n s o r ，d a t aa c q u i s i t i o n ，l a b v i e w ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t a b a s e n i 目录 第l 章绪论l 1 1 课题研究的背景和意义：1 1 2 国内外研究发展状况2 1 3 存在的问题及发展方向6 1 4 本文的主要内容7 第2 章桥梁振动信号数据采集系统的硬件集成设计9 2 1 总体设计准则9 2 2 桥梁健康监测系统的结构设计1 0 2 2 1 桥梁健康监测系统的总体结构框架1 0 2 3 桥梁振动信号数据采集系统的硬件设计1 1 2 3 1 传感器的选型1 1 2 3 2 传感器测点的布设15 2 3 3 数据采集卡的选型1 6 2 4 本章小结一1 7 第3 章桥梁振动信号的数据采集软件设计1 8 3 1 开发平台的选择- 18 3 2 虚拟仪器j 1 9 3 2 1 虚拟仪器的概念1 9 3 2 2 虚拟仪器的构成。2 0 3 2 3 虚拟仪器在振动信号测量中的应用2 1 3 3 振动采集模块的软件设计2 2 3 3 1 整体架构设计2 2 3 3 2 参数设置一2 4 3 3 3 数据采集部分的设计2 6 3 3 4 主频和幅值的获取2 9 3 3 5 重采样后的文本存储3 3 3 4 容错处理3 7 3 5 本章小结3 8 第4 章桥梁振动信号数据存储的设计3 9 4 1 数据库3 9 4 1 1 基于a d o 的数据库访问技术4 0 4 1 2 建立数据库连接4 1 4 2 数据库表的设计4 3 4 3 数据库备份与还原4 3 4 4 本章小结4 6 第5 章全文总结与展望4 7 5 1 全文总结4 7 5 2 前景展望4 7 参考文献4 9 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 3 致谢5 4 v 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 我国幅员辽阔，地形东南低而西北高，河道纵横交错，有著名的长江、黄 河和珠江等流域，桥梁是国家的命脉，随着大型桥梁的大量建造，以及它们的 巨大投资及在国民经济中的重要作用，使得人们对桥梁的安全性越来越重视。 随着中国交通运输业的快速发展，火车和汽车运行速度和载荷量大幅度提 高，当这些交通工具经过桥梁的时候，桥梁受到的力量急剧上升，这都会使桥 梁发生相应的振动。通过以往的实践证明，车辆与桥梁相互作用，通过桥梁的 车辆在通过桥梁的时候，在周围环境和路况不是很好的条件下，这种振动都会 引起桥梁和车辆的损坏，更有甚者会造成车轮侧滑、翻车等交通事故。公路桥 梁车辆振动一直都是一个关键的问题，国内外学者从未停止对它的研究【l 】。 公路铁路桥梁引起的振动问题一直是工程界一个十分关注的课题。目前， 新技术和新工艺的进步，使得桥梁是结构采用新材料后变的更轻，桥梁的跨度 也更大，刚度变的更小。而随着经济的发展，各个桥梁承载的运输量不断增大， 通过桥的车辆类型比较多，汽车火车的车速也在加快，特别是较重或超重的一 些大型工程车辆和运输车辆，当这些车辆通过桥梁时，对桥梁产生的振动是比 较大的。也随之加强了车桥耦合振动在桥梁动力性能方面的影响，而且变的越 来越突出【2 训。全面了解车桥系统振动的特性，能大大提高桥梁结构的安全及使 用性能。每年水灾地区桥梁面临问题包括冲刷、老化、劣化；潜在性问题则为 耐震强度普遍不足，一旦发生台风、地震或水灾等大规模天然灾害时，桥梁倒 塌或断裂的机率很高。故有必要对桥梁实施检测调查，经诊断评估后做适当之 补强、修复加固或监测【5 。7 】。 传统做法是对桥梁监测系统，以精密之监测仪器读取相关数据，将这些数 据传回控制中心，使其对工程中预期变化较大或难以掌握的现象能获得更多资 料。利用监测结果研究及分析能有效掌握各种行为变化，对有异常之行为或现 象提出预警，防灾害于未然。然而因为要监测的地方布线较难，维护不便，在 通讯处理上常感到困难。随着国家对交通等公共设施安全要求标准不断提高， 武汉理上人学硕士学位论文 对重要设施( 桥梁、工程机械、高速公路等) 的形态变化( 倾斜角度、振动、 应力变化、温度、湿度) 监测及信息采集的需求日益增加。在现有传感器产品 发展的基础上，开发桥梁健康监测系统，实现各种形态参数的监测测量，为大 型桥梁安全信息监测系统提供高精度、高可靠性、快速、实时、准确的形态变 化测量信息【8 。1 0 】。 当桥梁建成通车期间，随着通车运行时间的增长，桥梁的钢架结构等材料 的老化，各种问题开始出现，特别是大桥周围环境荷载，风雨侵蚀的影响，损 坏程度不断的积累，长期下去很可能会出现意想不到的事故。因此对桥梁的振 动信息进行必要的健康监测，不仅可以确保桥梁基础设施与使用者的安全，还 可分析桥梁破坏损伤程度、健康状况、使用寿命等，这样可以有效预防事故的 发生、减少财产和相关人员的伤亡【1 1 1 3 1 。 大型桥梁健康监测系统一直寻求做到对桥梁结构整体行为的实时监控和对 结构状态的自动化、智能化评估。同时，加强对大跨度桥梁设计理论与力学模 型的验证，对结构和结构环境中未知或不确定性问题，还需要进一步调查与研 究，这也正融入桥梁健康监测所考虑的范畴【体1 6 】。本文首先简要的总结多年来 桥梁健康监测的研究状况，然后较系统的阐述桥梁健康监测系统的基本硬件和 软件的组成，并从桥梁监测技术发展的角度探讨大型桥梁监测系统设计的有关 问题，以期为更新进监测系统的开发提供借鉴【1 7 - 2 0 1 。 以桥梁振动信号为研究对象，对其振动信号的数据及其相关技术方法进行 研究，研究基于桥梁振动信号的数据采集与处理，对桥梁的安全运营和延长桥 梁的使用寿命具有巨大的现实意义。 1 2 国内外研究发展状况 桥梁振动问题的研究始于铁路桥梁，十多年来桥梁健康监测理论的研究主 要集中在结构整体性评估和损伤识别。国内十多座大型桥梁已经或者将要配置 安全监测系统。桥梁健康监测系统是一个多学科、多组成、多功能的系统，以 桥梁监测为基础，辅以信号采集处理、数据传输、监测数据结果评估显示等多 种手段，对桥梁结构进行实时有效的健康和安全评估，达到安全预警的目标 2 1 - 2 3 0 桥梁健康监测系统主要由数据采集系统和分析评估系统组成，具体到一个 2 武汉理上人学硕士学位论文 实际实施的桥梁健康监测系统，与之相关的内容很多，如系统硬件软件设计、 系统测试参数设置、系统整体的集成等，这些问题都直接关系到桥梁健康监测 系统是否能很好地建成，建成后系统是否能够很好地维持，系统能否很好地使 用并且为桥梁的安全评估服务【2 4 五6 1 。 1 9 4 0 年1 1 月7 日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。这一严重的桥梁事 故，开始促使人们对悬索桥结构的空气动力稳定问题进行研究。实际上风对桥 梁的力学作用，很早就有学者进行研究。1 7 5 9 年s m e a t o n 等就提出构造物设计 时要考虑风压问题，从此开始有了风荷载的概念，但当时对风压的认识是不够 的，也没有引起充分重视。直至1 8 7 9 年，应该的t a y 桥受到暴风雨的袭击，8 5 跨桁架中的1 3 跨连同正行驶于其上的列车一起坠入河中的特大事故发生之后， 人们对风荷载所产生的作用才引起了高度的重视。以这一故事为契机，开展了 关于风压的研究，并将其反映到桥梁设计中。巴黎为迎接1 8 8 9 年万国博览会， 计划兴建埃菲尔( e i f f e l ) 铁塔。为了确定作用在塔上的风压的大小，有著名工 程师埃菲尔着手进行风洞实验，并在1 9 0 9 年成立了风力研究所。这样，设计桥 梁时，就可以利用风洞试验定量地评价风荷载的大小。直至1 9 4 0 年，发生了一 次风毁桥梁的特大事故，才使人们看到了风对结构物的另一种作用风致振 动。从力学角度看，风引起了桥梁的振动，而振动的桥梁与附加的气动力之间 又形成了闭合关系。 在国外，对桥梁振动的监测研究也有很多的实例。越来越多国家的工程师 开始将研究重点转到桥梁的监测上来。1 9 9 3 年，在加拿大c a l g a r y 建造的一座新 型公路桥( b e d d i n g t o nt r a i l 桥) ，其桥墩部分首先采用了碳纤维复合材料代替混 凝土中的钢筋，同时在桥梁中布置了b r a g g 光栅传感器，以监测使用碳纤维复合 材料代替钢筋的效果及桥梁内部的应变状态。挪威在主跨5 3 0 m 的s k a r n s u n d e t 斜拉桥上所安装的全自动数据采集系统已能对风、加速度、倾斜度、应变、温 度、位移进行自动监测。 对于这样一个具有巨大社会、经济效益、信息科学与建筑科学交叉的新兴 学科领域，我国在这方面的研究起步比较晚，但国家相关部门非常重视，科技 部就在国家“攀登( b ) ”高科技研究计划中( 1 9 9 5 1 9 9 9 年) ，增加了桥梁及相关 建筑施工中的质量监测，进行了为期五年的研究。而铁道部更进一步计划将京 沪高速铁路全线建成智能铁路。同时我国桥梁工程的工作者们对桥梁结构监测 技术进行了深入、广泛、细致和系统的基础研究，已经取得了不少成果：由中 3 武汉理- l 人学硕士学位论文 交公规院承担的“深港西部通道深圳湾公路大桥( 深圳侧) 结构健康监测及安全 监控预警系统”，该项目针对深港西部通道深圳湾公路大桥的特点，结合当今国 内外先进的桥梁监测技术和管养需求，提出了基于自动化传感测试在线 监测与人工巡检相结合的综合监测策略，研究、设计并实施了深港西部通道深 圳湾公路大桥健康监测系统，形成了运营期桥梁结构监测及安全监控预警、评 估成套技术。在研究过程中，该项目成功运用了基于“虚拟仪器技术”的桥梁监测 数据的采集、传输和控制成套技术：首次在国内桥梁监测领域实现微秒级的时 间同步采集；适合海洋环境条件的桥梁监测设备的防雷、供电和相关的监控体 系也构建出来；结构安全使用状态识别方法为“静力识别为主、动力识别为辅”； 采用的实时预警是无模型的，结构内力状态识别是有模型的分析，并分析结构 动力损伤识别，特别针对单塔单索面斜拉桥结构监测与安全监控预警评估体系 也建立起来，在桥梁结构的适应性、承载力和耐久性方面进行评估，具有显著 的创新和突破，为其他桥梁结构健康监测系统的设计提供了很好的参考，具有 广泛的推广价值。 江苏省“沪宁高速公路扩建工程桥梁极限状态实桥试验研究”项目的实施，成 功监测了桥梁加载过程中变形、应变、裂缝等技术指标，对桥梁安全性能的研 究提供了丰富的理论依据，并在为该领域的研究积累了大量宝贵的经验。该成 果总体达国内领先水平，部分达国际先进水平。 总的来说，由于我国在桥梁振动信号监测方面的起步较晚，和国外先进水 平相比还有较大的差距，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 到目前为止，关于桥梁振动信号采集与分析的实际应用还比较少 ( 2 ) 桥梁振动状态原始数据的获取手段还相对比较传统，测量结果的长期 准确性、可靠性还不是很满意，与激光、光纤相关的先进的振动传感器技术还 未得到突破。 ( 3 ) 获取有限的振动信号数据，进行振动测试时，大多是需要在中断交通 的条件下进行人工实地测试，后续工作就是进行数据分析出来和安全评估。 ( 4 ) 已经投入使用的监测系统在振动数据的通信及网络传输方面，特别是 远程数据传输方面还做的不完善。 ( 5 ) 采集的桥梁振动信号数据缺乏一个完整的、长期有效的数据库管理系 统。 ( 6 ) 各种振动导致的安全问题评价理论与方法仍然在探索中。 4 武汉理丁大学硕士学位论文 随着科技的发展，现在的桥梁设计先进，结构复杂，技术含量高。在建成 通车使用过程中，将受到车辆荷载、风载、地震等多种载荷的作用，并且还受 到潮湿气候、温度、氧化、腐蚀、以及材料老化、疲劳等因素的影响，结构的 健康状态将逐渐发生变化【2 7 - 2 9 1 。因此，桥梁在运营过程中的安全性和可靠性倍 受人们的关注。 对于重要的大型桥梁结构，如果不能对桥梁自身的振动状态进行长期的实 时监测，就难以及时发现并消除桥梁整体结构的危险隐患，如果桥梁的局部损 伤或自身的承受能力不够，势必会直接影响到桥梁在日后的安全使用，甚至造 成灾难性的重大事故。因此，根据各个类型桥梁的结构特点及其重要性，迫切 需要建立和开发一种能够对桥梁结构进行实时健康监测和安全评价及预警预报 系统，实现对该桥结构承载能力、运营状况和疲劳状态的长期监测和评估。 桥梁结构健康监测与安全评估系统是指对运营阶段的桥梁结构和周围工作 环境采取实时监测，实时监测所得到的信息经过处理分析后，评估大桥在受到 振动影响后的健康状况，为大桥的进一步运营和维修提供科学根据，增强大桥 的可靠性和稳定性。实现武汉天兴洲长江大桥结构健康监测，对于验证和进一 步改进大型斜拉桥的规范和设计，提高大桥检测、维护与管理效率，促进我国 大型桥梁结构的研究与发展具有重要意义桥梁研究工作者相继展开了桥梁在 线健康监测系统的研究，我国自9 0 年代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。 桥梁的安全监测是保证桥梁安全施工和运营的重要手段，很早以前人们就 逐渐意识到桥梁安全监测的重要性，但是早期的桥梁管理缺乏科学系统的方法， 相对比较落后，往往对桥梁特别是大型桥梁的安全状况缺乏全面的把握和了解， 信息得不到及时反馈，所以在应用上受到一定的限制，对桥梁安全隐患不能及 时发现并采取应对策略，其直接影响到人民群众的生命财产安全 3 0 - 3 3 】。研究表 明，安全牢固、经久耐用的大型桥梁都是那些采用较好的监测技术、科学的管 理方法、及时维修的桥梁【3 4 3 6 1 。因此，桥梁结构安全监测对确保桥梁施工和运 营安全，及时对桥梁进行维护养护并延长使用寿命具有极其重要的实际意义。 表1 列出了世界上大规模的桥梁健康监测系统所使用传感器的统计情况。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 表1 1桥梁健康监测系统中的传感器列表 青马汀九 江阴明石柜石汲水g r e a t南备赞h a m 4 2 传感器 桥桥桥桥岛桥门桥b e i t 濑户桥 - 0 9 9 2 风速仪67942t4 温度计1 1 57 52 2 40 动态地秤666 加速度计 1 76 781 02 33t2 72 位移计2 2 76 2_6 倾角仪 2 + 1 水平仪905 电子测距器 1 1 6 磁弹性测力 2 4 仪 速度计 1 2 6 p s 总数1 0 0 0 1 3 存在的问题及发展方向 桥梁健康监测系统在一定程度上提供了一些结构健康状态的信息，在相关 理论研究以及工程完成都取得了一定成绩，但还存在许多不足之处： ( 1 ) 对动态传感器信号的采集不够理想，系统布线复杂，可靠性差。 ( 2 ) 分析和处理功能不全，难以给出整体结构的明确结论。许多系统只对 检测数据的个体进行逐个的分析和处理，而不能考虑其对整个结构的影响。 ( 3 ) 无法给出实时的，定量的检测结果。大多数系统主要功能是数据采集， 收到的数据往往要用其他手段来处理，对桥梁结构健康状态的评估具有一定的 滞后性。 ( 4 ) 数据采集与处理系统的可扩展性和可重用性差，增加了科研单位的设 计成本和研发时间。 桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而是综合了现 代传感器技术、信号测试分析与处理技术、数据传输通讯技术及结构分析预测 理论等多个领域知识，经过大量现场应用实践的积累研制而成的系统产品，可 以测试、存储、分析并提供运营中桥梁结构状态的多种信息，对整个结构状态 进行连续的、实时的、在线的健康状态监测和评估，对结构的安全性做出实时、 6 武汉理1 ：入学硕士学位论文 准确的评价，极大地延拓传统人工检测内容，实现预测维修，提高养护维修的 管理水平，保障桥梁结构的可靠性、安全性和耐久性，避免潜在的灾难性事件 发生【3 j 7 枷】。随着国民经济的快速发展，对桥梁结构设施实施健康监测，对于保 证其正常运营、预防因结构灾害而造成重大公共安全事故的发生其意义重大。 构建桥梁健康监测系统的关键问题同时也是最难解决的问题是：根据安装在桥 梁上的传感器系统采集到的桥梁静态与动态数据来分析评估桥梁的健康状况 1 4 1 - 4 4 o 桥梁健康监测系统的基本构成：健康监测系统就是在桥梁和大型建筑结构 上选择关键监测点固定布置一系列传感器 4 5 - 4 7 1 ，拾取加速度、速度、位移、应 变、温度等各类反映结构状态的信号并进行测量记录，提取桥梁结构在正常运 营状况下的有效特征参数，对特征参数进行统计特性分析，评定出结构的状态， 评估其健康状况 4 8 - s 们，一旦出现影响安全运营的信号特征即时报警，从而提前 采取措施预防事故的发生。桥梁的健康监测系统由四部分组成，即传感系统、 信号调理与采集系统、数据通讯传输系统和健康监测分析软件。 1 4 本文的主要内容 在桥梁健康监测工作中，数据采集与处理是整个监测系统中重要的环节。 与传统的桥梁检测方法相比，大跨度桥梁健康监测系统传感器种类多、数量大、 信号传输与存储的实时性要求高，这对数据采集和与处理系统提出了很高的要 求。运用现有的振动信号采集技术，结合桥梁的结构特点，研究适用于桥梁的 振动信号采集技术和方法。应用数据库技术来管理监测到的历史信息、监测信 息和分析结果等的全部数据。应用可视化技术将分析后的数据和评估结果，用 最直观的方式显示给用户。应用可视化技术实现桥梁的三维模型，利用i n t e m e t 网络作为传输媒介和w e b 服务器，来实现对桥梁状态的实时远程监测。全文共分 5 章，各章主要内容如下： 第1 章绪论。首先介绍课题的研究背景及其意义。接着介绍了国内外桥梁 健康监测的研究现状，以及桥梁监测所面临的问题和发展方向。 第2 章桥梁振动信号数据采集系统的硬件集成设计。本章介绍了桥梁健康 监测系统的设计准则和内容；研究桥梁振动信号数据采集系统的硬件部分，针 7 武汉理j 二人学硕士学位论文 对健康监测系统中数据采集与处理，选择合适的传感器以及传感器布点，研究 和设计基于光纤传输数据的桥梁振动信号数据采集与分析的设计方案。 第3 章桥梁振动信号的数据采集软件设计。本章介绍基于l a b v i e w 开发 环境的软件开发平台，接着介绍了虚拟仪器在振动信号测量中的应用，以及相 关的振动采集模块的软件设计，最后将采集系统的程序得以具体实现。 第4 章桥梁振动信号数据存储的设计。本章针对桥梁振动信号数据存储技 术的实现，分别从数据库访问技术、数据库表的设计、桥梁振动信息的存储频 率和信号数据存储的软件实现进行了介绍。处理后的数据经过数据安全预警系 统后存储到数据库里面以供调用。 第5 章结论与展望。对全文进行总结，并在理论研究与计算机仿真的基础 上，指出存在的不足问题，并提出需要完善的方面，最后对桥梁健康监测系统 中振动信号采集与软件设计的发展前景进行展望。 8 武汉理t 大学硕十学位论文 第2 章桥梁振动信号数据采集系统的硬件集成设计 大型桥梁振动信号安全监测系统的实现，振动信号数据的采集是硬件设计 的关键部分。采集系统的硬件需要有比较灵敏的感觉神经，能及时准确的采集 到桥梁振动的相关信息，这其中就需要传感器技术、计算机应用技术、网络技 术、智能控制技术、信号处理技术等多学科的融合。 2 1 总体设计准则 桥梁的长期振动信号监测系统是为桥梁管理服务的，其目的是逐步减少定 期封桥检测的时间周期，降低桥梁的维修和养护费用。初步设计该桥长期健康 监测系统硬件设计的基本原则如下： ( 1 ) 良好的性价比 在系统的整个设计中，主要的成本是集中在硬件上，而成本是产品争取市 场的关键因素，所以在硬件的选择上，既要考虑高的性能要求，又要考虑价格 因素，尽可能的降低价格，从而达到比较好的性价比。 ( 2 ) 安全性和可靠性 桥梁的一些设备大多安装在户外，所以硬件的选择要考虑周围环境对设备 的影响，硬件设备必须能在环境干扰的情况下仍能正常工作。同时设备自身应 该有一些保护设计，这样才能保证工作的安全性和可靠性。 ( 3 ) 较强抗干扰能力 为很多桥梁设备是电子设备，所以这就涉及到一定的干扰问题，硬件设备 应该具备较强的抗干扰能力，例如对一些电磁干扰进行屏蔽，对先关的电子元 器件要进行隔离等。 ( 4 ) 完备的扩展功能 应当为系统今后功能扩展、升级留有接口，并有利于系统的推广应用。 软件设计的基本原则： ( 1 ) 结构合理 整个程序的结构应采用模块化设计，有利于程序的进一步修改完善。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 使用方便，操作性能好，具备良好的人机界面。 ( 3 ) 具有一定的保护措施和容错功能。 软件系统可能会受到一些不确定的干扰出现错误，这时就需要有检测的相 关程序，为了在系统发生故障的时候，能及时找到故障发生的部位，所以还需 要检测状态程序和诊断的程序。数据的存储是关键，当出现突然断电的情况下， 也能存储好数据，防止数据丢失。 ( 4 ) 提高程序的执行速度，尽量减小占用系统的内存。 ( 5 ) 给出必要的程序说明，便于后期程序维护。 传感器是一种以一定精确度把测量( 主要是非电量) 按照一定规律转换为 与之有确定关系、便于测量和传输的信号测量装置。由于电信号易于传输和处 理，因此一般概念上的传感器是指将非电量转换成电信号输出的装置。传感器 的性能好坏直接影响系统性能。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能 把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意 义。传感器一般处于测控系统的两个部分：一是位于输入端，与被测对象接触， 采集系统监测信息；另一是位于输出端，采集输出量的变化并将之送回反馈通 道，实现控制量的调节。 考虑桥梁的结构受力特点和健康监测的要求，以公路铁路两用桥作为主要 监测对象，初步拟定长期实时监测项目为桥梁结构的荷载监测、桥梁结构的应 力监测和桥梁结构的温度分布监测。 2 2 桥梁健康监测系统的结构设计 2 2 1 桥梁健康监测系统的总体结构框架 桥梁健康监测系统主要由传感器及数据采集传输系统、振动信号数据处理 与分析系统、数据存储系统组成。上述各部分共同构成一个有机的整体，每一 部分都不可缺少。其中数据分析和处理系统是完成桥梁健康监测目标的关键环 节。桥梁监测系统的结构框图如图2 1 所示。 1 0 武汉理：l ：人学硕士学位论文 桥梁健康监测系统 传感器及数据采集 传输系统 加 速 度 传 感 器 速 度 传 感 器 位 移 传 感 器 其 他 信 号 数 据 传 输 及 相 关 仪 表 振动信号数据处理与 分析系统 桥梁振动信号数据 存储系统 通 讯 接 口 数 据 库 服 务 器 数 据 采 集 处 理 软 件 图2 1 桥梁监测系统的结构框图 2 3 桥梁振动信号数据采集系统的硬件设计 2 3 1 传感器的选型 数 据 库 表 数 据 存 储 软 件 传感器的选择需遵循的原则有：遵循整体需要的原则，高可靠性的原则， 较高性价比的原则。力传感器是指对力学量敏感的一类器件或装置。这类传感 器应用广泛、影响面宽，不仅可以测量力，也可用于测量加速度、位移、振动、 扭矩、流量、负荷、密度、温度等其他物理量。对于振动信号的检测，可以使 用力传感器。力传感器有应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电 式传感器。 ( 1 ) 应变式传感器 、 应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量转 换为弹性体的应变值；另一个是应变片，它作为转换元件将应变转换为电阻的 武汉理上人学硕士学位论文 变化。金属应变片除直接用于测量机械、仪器及工程结构等的应变外，还可与 某种形式的弹性敏感元件组成其他物理量的测试传感器，如测量加速度 ( 2 ) 电感式传感器 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现非电量测量的一种装置， 用于测量位移、振动、压力、应变等物理量。 ( 3 ) 电容式传感器 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就 是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易 实现非接触测量等突出的优点。随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和 分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容 式传感器。因此它广泛应用于压力、位移、加速度的测量。 ( 4 ) 压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器。它以某些电介质的压电效应为基 础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现对非电量测量的目 的。压电式传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学的 测量，不适用于测量频率太低的被测量，更不能测量静态量。目前，压电式传 感器多用于加速度和动态力或压力的测量。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝 对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精 度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器， 则需自行设计制作传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的 频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换， 所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。 振动传感器的型号、性能选择，是振动传感器获得精确测量结果的前提。 振动传感器的选型受很