大型桥梁结构健康监测系统数据采集系统分析

大型桥梁结构健康监测系统数据采集系统分析

由于传统传感器元件的长期稳定性和长期耐久性受到限制，因此无法对桥梁结构进行在线健康监测。近年来，随着智能材料和结构体系的提出，具有良好耐用性的先进传感器元件迅速发展，并将桥梁结构的长期健康监测带到了现实。与传统的桥梁检测方法相比,大跨度桥梁结构的健康监测系统的传感器种类多、数量大、信号传输与存储的实时性要求高,这对数据采集系统的软硬件相应提出了很高的要求;与试验室的采集系统相比,试验室模型试验所用的传感器种类较单一、数量较少、环境噪声水平较低。因此,桥梁结构健康监测系统的数据采集子系统与传统桥梁检测时的数据采集和试验室模型试验的数据采集具有较大的差别。桥梁结构的健康监测系统主要包括:(1)传感器子系统;(2)数据采集子系统;(3)数据处理和结构分析子系统;(4)远程综合管理子系统。上述监测系统的各部分相互联系、紧密结合、协同工作,共同构成一个有机的整体,每一部分不可或缺,其中数据采集子系统搭起了传感器子系统和数据处理分析子系统的桥梁。本文着重对数据采集子系统的设计和实现进行研究。首先分析桥梁结构健康监测系统中传感器子系统的构成、特性和对数据采集系统的要求;然后,分析数据采集系统硬件设备和软件平台的选择原则,给出适宜桥梁结构健康监测的数据采集硬件设备和软件环境;最后,给出了建立网络数据采集系统的实现技术。1传感器网络系统的特征分析1.1桥梁环境和荷载监测大型桥梁结构的受力状态以及所处的外部环境均较复杂,要求健康监测系统的传感器子系统能够较全面地获取桥梁结构的环境荷载、局部性态、整体性态等信息。桥梁结构所需要监测的内容及其对应的传感器主要有:(1)外部环境及荷载监测:监测和记录能够对桥梁结构的受力状态、安全性、耐久性、完整性等产生影响的外部因素及其时间历程。主要包括风、温度、湿度和车辆等,监测上述环境和荷载的传感器主要有:①机械电磁式或超声式风速仪,主要监测风荷载;②热电偶、热电阻式温度计或光纤光栅温度传感器,主要监测温度;③电子动态地秤,记录车辆荷载;④湿度计,监测空气湿度。(2)桥梁形状的几何监测:监测桥梁整体结构以及各重要部位的静态位移、基础沉降、倾斜,桥梁的整体线型变化等,以保证桥梁结构在服役期内的适用性。监测上述变量的传感器主要有:位移计(LVDT)、倾角仪、电子测距仪、GPS等。(3)桥梁局部性态和整体性态变量监测:监测桥梁构件以及整体结构在上述外部荷载作用下的响应。这类传感器主要有:①监测应变的电阻应变计、振弦式应变计、光纤光栅应变传感器等;②监测结构加速度的压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、压电加速度传感器等;③监测索力的普通压力传感器、磁通量传感器、加速度传感器等。上述三个方面的监测内容基本上概括了桥梁服役过程中的安全性、耐久性、适用性评估等需要的外部荷载和结构响应。1.2传感器的性能分析数据采集系统的设计与传感器的输出信号和监测变量的特征有关,具体包括以下3个方面:(1)数字信号的调节传感器的输出信号特征直接决定了数据采集设备的选择。可直接或间接输出模拟电压信号的传感器有:倾角仪、磁通量传感器、压力传感器、集成式压电加速度传感器、电容式加速度传感器、压阻式加速度传感器、振弦式应变计、电阻应变计、位移计、湿度计、电子动态地秤、热电偶、热电阻式温度计、风速仪等。其中部分模拟信号需要进行调理:①低电压信号(如集成式压电加速度传感器等)的隔离、放大、滤波及去噪等;②热电偶信号的隔离、放大、冷端补偿等;③电阻式应变计信号的激励电压、全桥和半桥设置、隔离、放大、滤波及去噪等。可输出数字信号的传感器有:倾角仪、风速仪、磁通量传感器、GPS等。这类传感器通常内置A/D转换模块,其信号输出方式通常为遵循标准传输协议的数字信号,如串口协议RS232、RS485等。最后,由于光纤光栅传感器输出光信号,因此该类型传感器由光纤光栅解调设备解调后可输出不同类型的数字信号,通过计算机标准接口,如RS232串口、网卡接口、并口等进入计算机。(2)系统数据的选取传感器输出信息量直接影响到数据采集系统传输方式的选择。传感器子系统总信息量取决于两个因素:一是系统中传感器总数,决定了和计算机直接相连的数据传输设备和传输方式的选择;二是单个传感器的采样频率,其中产生连续模拟信号的传感器的采样频率取决于数据本身的动态特征和数据分析处理系统对数据的要求;产生数字信号的传感器采样频率通常已设定好,只需采集设备获取信号并传输即可。(3)数据采集方案和传输方式的选择,有利于防止信号失真传感器的空间分布情况也决定了数据采集方案和传输方式的选择。大跨度桥梁结构的跨度通常从几百米到几千米,为减少传输信号所受的干扰,防止信号出现衰减失真等情况,必须选择适当的数据采集方案和传输方式。综上所述,传感器的上述特征在对数据采集设备的分辨率、采样频率、精度、触发、同步采样、时钟频率、通道数等方面提出了要求。2数据采集系统的设计2.1系统方案设计数据采集系统设计通常包括以下几方面内容:(1)系统分析确定任务:对要监测的对象、要解决的问题进行调查分析,确定系统的任务、技术指标等;(2)系统总体设计:考虑系统硬件和软件的特点,对部分既可用硬件也可用软件实现的功能(必须滤波、去噪等)进行分配;(3)系统硬件和软件的设计。数据采集系统的硬件设计通常遵循的原则为:①满足正常使用原则;②较高性价比原则。数据采集系统的软件设计通常遵循的原则为:①选择正确开发语言或平台;②良好的运行稳定性;③良好的操作性。2.2数据采集系统的硬件设计2.2.1梁桥智能健康监测系统数据采集形式三种基本系统形式可供桥梁数据采集系统设计选择,即:(1)基于PLC的顺序逻辑控制系统;(2)基于DCS的大型控制系统;(3)基于PC的DA&C(数据采集和控制)系统。其中基于PC的DA&C系统硬件价格低、易使用、开放性强、通讯能力强、开发成本低廉,在中小型的非专属测控系统中得到了广泛的应用。因此,该形式的数据采集系统通常被用于桥梁结构的智能健康监测系统中。其基本形式主要有以下两种:(1)基于板卡的集中式数据采集系统:其基本方式是采用数据采集卡进行数据采集。其优点是成本低,速度快,缺点是可靠性一般,同时布线费用较高。(2)基于分布式的数据采集系统:基本方式是采用基于现场总线如RS485(非严格)、CAN总线、ProfiBUS、LonWorks总线等。优点是易维护、布线简单、可靠性高,缺点是采样速度低、成本较高。可见,在上述两种系统中,如果只采用一种方式或者不能满足采集需要或者可能造成系统资源不必要的浪费。因此,在具体进行数集设备设计时应遵循与传感器信号特征相匹配的设计原则。对静态信号,采用基于分布式的数据采集系统;对于动态信号,采用基于板卡的集中式数据采集系统。这样,整个数据采集系统由两者相结合而成,能够相互补充,充分发挥各自优势。硬件系统的总体框图如图1所示。2.2.2城市桥梁结构采集卡的性能正如前述,对于加速度传感器测量的动态信号,应采用基于板卡的集中式数据采集系统来满足信号采集和传输的要求。数据采集卡是通过计算机内部的局部总线或系统总线来传输大量数据信息的。ISA、PCI总线数据采集卡的传输率通常可以满足在非严格场合的要求。然而,相对于严格的工业现场数据采集的需要,基于PCI总线的数据采集卡仍然有很多缺点,如机箱内部的噪声电平较高,插槽数目不多,机箱内无屏蔽等。而最新的PXI规范增加了专用定时和同步线、有关环境和EMC的测试要求等。另外还存在VME、VXI等高性能总线技术,由于其价格昂贵、规范严谨而全面,常用于要求极其严格的工业场合,因此在桥梁结构的数据采集系统中通常无必要采用。综上所述,在动态信号采集过程中,通常可以有基于ISA,、PCI总线和基于PXI总线两种数据采集系统可供选择,具体可根据现场环境、系统功能要求、实施经费等因素进一步决定。2.2.3lonford现场总线基于分布式的数据输入/输出数据采集系统不仅可以节省大量的电缆布线,而且系统易维护并可提高整体可靠性;该类系统中,数据采集和传输设备通常依赖于现场总线设备,常见的现场总线标准有较为通用的RS485总线,用于电力、冶金、机械等行业的ProfiBUS总线,用于工业测控系统的CAN总线和LonWorks总线等。RS485总线,其连接简单,成本较低,系统可靠性高。其抗干扰能力强、传送距离远。LonWorks现场总线,它采用LonTalk通讯协议,每个节点都有信息处理和控制功能,其支持如双绞线、光纤、红外光波、电力线、电话线等多种通讯介质,最大传输距离为2700m,与RS485总线相比,LonWorks网络容易扩充和修改,容错和检错能力可由软硬件同时完成。针对桥梁结构数据采集系统的特点,上述两种现场总线标准可供选用。由于支持RS485总线设备常见、价格较低、使用简单,因此,静态传感器信号的传输通常选用RS485总线网络即可;在技术、经费等条件允许的情况下,可选用LonWorks或其他类型的现场总线和设备来采集和传输静态传感器信号。上述两种形式的数据采集系统基本上可以满足所有类型传感器的数据采集和传输的需要,但是在具体设备的选择时还应考虑如模拟信号的输入范围、被采集信号的分辨率、模拟输入信号传输所需的通道数等因素,若存在非标准信号,还需要考虑采用前端信号调理设备。另外,采集后的数据传输通常可由传感器的信号线和现场总线等直接完成。但是在距离稍远不便于布线的一定范围内(如5～20km),无线网(WirelessNetwork)有着其他数据传输不可替代的作用,在无线通信技术中,基于跳频技术的计算机无线网具有抗干扰能力强、易于实现码分多址、安全保密、无须申请频率资源等特点,近年来在计算机联网的各个领域都得到了广泛地应用。2.3平台架构及应用构造一个数据采集系统,基本硬件系统确定后,就需要进行数据采集软件的开发,软件是数据采集系统的关键,选择正确的软件系统可以最大限度发挥硬件的性能。通常情况下有多种程序开发语言或软件开发平台可供选择。通常越低级的语言开发出的数据采集系统效率越高,但开发技术复杂,通用性较差。利用高级语言或软件开发平台进行数采软件开发通常较为简单易学,程序通用性高、数据处理方式简单,但程序效率较低,常用于非严格场合。从低级到高级的开发工具主要有:汇编语言、BASIC语言、C语言、VisualC++开发平台、LabWindows/CVI开发平台、LabVIEW开发平台。VisualC++是数据采集系统常用的软件开发平台。LabWindows/CVI是一个完全的标准C开发环境,用于开发数据采集应用软件。而LabVIEW是另外一种更易用的数据采集系统开发平台,是世界上第一个采用图形化编程技术的面向设备的编译型程序开发系统。LabWindows/CVI和LabVIEW为专门的数据采集开发平台,目前广泛用于中小型数据采集系统开发,其完全可以满足桥梁结构的数据采集软件开发工作。此外,当前产生于测控领域的虚拟仪器技术正是将高性能模块化硬件作为系统平台,与灵活的软件技术结合在一起,建立起强大的基于计算机的数据采集解决方案。这种技术克服了传统数据采集不够灵活等一些缺点。通常情况下,数据采集系统的开发平台可选择LabVIEW;在系统传感器数量较多、系统稍复杂的情况下可以采用LabWindows/CVI进行开发。基于虚拟仪器技术的数据采集软件系统框图如图2所示。3基于网络编程的远程监视和控制由于互联网的迅速发展,智能健康监测系统与网络通讯技术相结合从而发展成为具有远程硬件管理、远程数据管理等功能的新一代网络化智能健康监测系统。两者的结合可以将所有传感器数据的管理和使用工作、部分现场的非实时的数据分析工作和部分结构安全评价工作在远程的计算机终端进行。这种结构系统更加有利于提高数据对象信息应用的时效性,科研人员和工程技术人员即使不在控制现场,也可以通过网络随时了解现场的控制系统运行情况和系统参数的实时变化,并可根据具体情况通过网络在客户计算机上对在控制现场运行于服务器计算机的控制系统发出命令,及时调整现场控制系统运行状况,从而达到远程控制的目的。这在桥梁结构健康监测工作中具有重要的现实意义。远程监视和控制需要依赖于上述数采软件的网络编程支持。首先,在VisualC++中,可通过3种方法进行网络通信编程:(1)直接使用WinsockAPI;(2)使用WinSock控件;(3)使用MFC(MicrosoftFoundationClassLibrary)中提供的CSocket和CAsyncSocket类中的成员函数。以上3种方法完全可以满足实时的网络数据采集需要。其次,LabWindows/CVI在网络通讯和数据交换方面提供了4个函数库:动态数据交换库、TCP库、ActiveX自动化库和DataSocket库。最后,LabVIEW提供了3种网络通讯方法:(1)TCP和UDP编程;(2)DataSocket通讯;(3)RemotePanels技术。上述3种技术中,第1种编程较为复杂,第3种不适于大量数据的远程传输,而第2种DataSocket通讯方式可以保证网上的实时高速数据交换。另外,在网络访问模式方面,有两种主要模式可供选择,一是Client/Server模式,这种模式客户机需要安装专门的软件,面向特定的用户,客户机维护升级不方便;另外一种是Browser/Server模式,这种模式无需在每台计算机上安装专门的软件,面向不特定的用户,客户机无需维护和升级。通过以上分析可知,目前主流的数据采集开发平台均提供了强大的网络开发工具,使得基于因特网或高速局域网的桥梁数据采集系统的远程监视和控制方案成为可能。通过网络可以保证远程实时访问现场服务器,随时了解现场的监测系统运行情况和系统参数的实时变化。4运营监测系统在该桥上的实现山东滨州黄河公路大桥是一座3塔4跨斜拉桥,是国道205线跨越黄河的一座大型桥梁。该桥全长768m,桥面宽32.8m,是目前黄河