高速公路桥梁结构安全智慧感知设备及方法与流程

本发明涉及桥梁工程技术领域。更具体地说，本发明涉及一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备及方法。

背景技术：

传统的桥梁结构健康监测系统布设有大量的传感器，用来感知桥梁结构的裂缝、变形、环境温湿度、结构温湿度、车辆荷载等信息。桥梁结构的使用寿命通常为50-100年，而传感器受力于钢材，在长期工作过程中会受到环境、故障、未知输入、自身材料退化等因素的影响，钢结构的松弛致使采集的监测数据中不可避免的存在系统误差，严重影响了数据采集的精度和长期可靠性，降低了传感器的有效使用寿命。

国内外围绕提高传感器数据精度及可靠性，广泛采用多传感器数据融合校对。数据融合的技术着眼于多传感器之间的校对，能够减少偶然误差，但无法校准和消除系统误差，无法逆转长期系统误差造成的精度损失。为了保证传感器能准确反应结构的真实状态，对传感器进行自校准有重要意义。所谓自校准即在校准目标和特定校准程序未知情况下，采用内部及外部传感器推断监测目标值。采用自校准方法的目的在于消除显著、冗余和某些情况下无法进行校准的自动化应用，来保证长期自动化操作。自校准是结构健康监测系统不可或缺的重要组成部分，需要研究精确，高效和强健的自校准方法。

结构的挠度和空间倾角是桥梁刚度特性的重要指标。挠度和倾角的变化特征反映了结构的健康状态，因而是桥梁监测的重要指标。当前主要采用基于振弦或者光纤传感器的连通管对挠度进行监测；采用微机电传感器(mems)测量结构倾角，尚无采用超声方法进行倾角测量的传感器。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备及方法，其实现传感器自身的局部校准，消除系统误差，具有较高的精度及可靠性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，包括：

两个感知组件，所述感知组件包括底座、储液筒、液位观察管，所述储液筒内部收纳有液体，所述储液筒还设有通气孔，每个感知组件的储液筒、液位观察管连通，两个感知组件的储液筒通过通液管连通，两个感知组件均安装在桥梁的梁体上、且底座安装于同一初始高度，其中一个感知组件位于桥墩上方，另一个感知组件位于跨中；

两个超声波传感器组件，所述超声波传感器组件包括至少三个超声波探头，一个超声波传感器组件设置在一个感知组件的储液筒内部，一个超声波探头形成一个探测点，所述探测点位于所述储液筒底部，自下至上发射超声波；

传输组件，其包括光纤、光纤调制解调器，所述超声波探头的电缆连接光纤调制解调器，将超声波探头接收的振动频率进行声电光转化后通过光纤传输至云平台。

优选的是，所述超声波传感器组件包括三个超声波探头。

优选的是，还包括：

传感器组，其包括加速度计、速度计、挠度计、裂缝计、温度计、应变计、压力环，所述传感器组安装在桥梁的梁体、斜拉索、吊杆、桥塔和/或桥墩上。

高速公路桥梁结构安全智慧感知方法，包括：

步骤1)安装所述的高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，位于桥墩上方的感知组件为基准点，位于跨中的感知组件为观测点；

步骤2)当跨中下挠时，对于所述基准点、观测点，所述感知组件的储液筒内部的所有超声波探头逐次从底面向上发射超声波，经过液面反射后同时接收到超声波，形成超声矩阵，求矩，得到所述基准点、观测点的液位高度，作差，得到观测点与基准点的差值，即为跨中挠度。

优选的是，还包括：

步骤3)根据所述观测点的液位高度，获得所述超声波传感器组件的所有探测点的空间坐标，计算水面法线的空间角，即为跨中空间倾角。

优选的是，步骤3)中计算水面法线的空间角的方式为：

r＝r0+t(r1-r0)+s(r2-r0)，

其中，t、s为平面基矢量对，且满足-∞＜t,s＜∞，r0、r1、r2为三个超声波探头的探测点的空间坐标r(xj,yj,zj),j＝0,1,2，r为三个探测点形成的平面的任一点的空间坐标；

n(r-r0)＝0，n1(x-x0)+n2(y-y0)+n3(z-z0)＝0

其中，n为法向矢量；

根据水面任意两矢量的叉积求出水面法线方程：计算水面法线的空间角即为跨中空间倾角。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、本发明在校准目标和特定校准程序未知的情况下，采用自校准方法推断监测目标值，消除显著、冗余和某些情况下无法进行校准的自动化应用，来保证长期自动化操作，本发明的设备及方法将构成结构健康监测系统不可或缺的重要组成部分，能够提高传感器的精度和可靠性；

第二、本发明不同于常规基于振弦或者光纤的静力水准仪，本水准仪感知元件不处于受力状态，无长期蠕变、徐变及失效问题，长期使用不会降低传感器精度和稳定性，利用超声波探头阵列发射和接收在液体中传播的超声波，分辨率可达0.005mm，测量精度0.01mm，满足高精度水准监测需求；宽电压输入dc10-36v，正常功耗0.6w，低功耗，满足结构健康监测长期使用的环境要求；抗电磁及噪声干扰，不受严寒冰冻影响；采用本发明的方法能够有效降低传感器数据的相对误差，基本对传感器实现了自校准，有效提高了测量精度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的设备的一种技术方案的结构示意图；

图2为本发明图1示出的设备的内部构造示意图；

图3为本发明的设备的现场安装图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-3所示，本发明提供一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，包括：

两个感知组件，所述感知组件包括底座6、储液筒3、液位观察管4，底座6为安装部位，可采用预埋螺栓的方式，螺栓可选择m10-12mm，所述储液筒3内部收纳有液体，液体为去气纯水，通过真空泵抽气或煮沸去气放凉，可以考虑掺入防冻液或硫酸铜或硅油，所述储液筒3还设有通气孔2排气，通气孔2通过气管三通配有丝堵，与大气导通，每个感知组件的储液筒3、液位观察管4连通，两个感知组件的储液筒3通过通液管5连通，通过通液管5三通配有丝堵以免漏夜，两个感知组件的储液筒3内页面以上气压以及内部压力保持一致，管线中间应比两端低，有利于排气，液位观察管4方便技术人员观察液位，确保筒内液体充足，两个感知组件均安装在桥梁的梁体上、且底座6安装于同一初始高度，初始高度为桥梁建设初期时的同一水平高度，其中一个感知组件位于桥墩上方，桥墩可以认为是相对不会发生竖向位移的，定点，因此选择为基准点，另一个感知组件位于跨中，由于跨中在桥梁长期使用下可能发生下挠，因此选择为观测点；

两个超声波传感器组件，所述超声波传感器组件包括至少三个超声波探头，三个点形成一个面，三个探测点即可测量数据，多个探测点测量的数据更加准确，一个超声波传感器组件设置在一个感知组件的储液筒3内部，一个超声波探头形成一个探测点，所述探测点位于所述储液筒3底部，自下至上发射超声波；

传输组件，其包括光纤1、光纤调制解调器，所述超声波探头的电缆可进行焊接加长，连接光纤调制解调器的插口，将超声波探头接收的振动频率进行声电光转化后通过光纤1传输至云平台。

在上述技术方案中，不同于常规基于振弦或者光纤的静力水准仪，本水准仪感知元件不处于受力状态，无长期蠕变、徐变及失效问题，长期使用不会降低传感器精度和稳定性，利用超声波探头阵列发射和接收在液体中传播的超声波，分辨率可达0.005mm，测量精度0.01mm，满足高精度水准监测需求；宽电压输入dc10-36v，正常功耗0.6w，低功耗，满足结构健康监测长期使用的环境要求；抗电磁及噪声干扰，不受严寒冰冻影响；采用本发明能够有效降低传感器数据的相对误差，基本对传感器实现了自校准，有效提高了测量精度。

在另一种技术方案中，所述超声波传感器组件包括三个超声波探头。三个探测点即可形成一个面，采用三个超声波探头便可获得超声矩阵，测量效果好、平衡成本。

在另一种技术方案中，还包括：

传感器组，其包括加速度计、速度计、挠度计、裂缝计、温度计、应变计、压力环，所述传感器组安装在桥梁的梁体、斜拉索、吊杆、桥塔和/或桥墩上。加速度计、速度计、挠度计、应变计为整体受力量，裂缝计、压力环为局部受力量，温度计为环境量，能够多方位检测桥梁结构。

高速公路桥梁结构安全智慧感知方法，包括：

步骤1)安装所述的高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，位于桥墩上方的感知组件为基准点，位于跨中的感知组件为观测点，观测点的数量可以为一个或多个，并行测量，彼此不受影响；

步骤2)当跨中下挠时，观测点的储液筒3内液位上升，通过水位测量可获得主梁跨中下挠量值，对于所述基准点、观测点，所述感知组件的储液筒3内部的所有超声波探头逐次从底面向上发射超声波，每个超声波探头的超声波到达水面，经过液面反射后同时接收到超声波，形成超声矩阵，

超声波探头之间变形参照关系外参数据jacobi矩阵，基于参数修正值，准确得出超声波探头的标定值，只要超声波探头系统在实时标定与测量期间保持输出/输入特性不变，超声波探头系统的测量精度就取决于实时标定的精度，其他任何时间特性的漂移带来的不稳定性不会引入误差，对超声矩阵进行解调分析求矩，得到所述基准点、观测点的液位高度h2、h1，作差，δ＝h1-h2,得到观测点与基准点的差值，即为跨中挠度。

在上述技术方案中，采用本发明的方法能够有效降低超声波探头数据的相对误差，基于对超声波探头实现了自校准，有效提高了测量精度。

在另一种技术方案中，还包括：

步骤3)根据所述观测点的液位高度，获得所述超声波传感器组件的所有探测点的空间坐标，计算水面法线的空间角。

在另一种技术方案中，步骤3)中计算水面法线的空间角的方式为：

r＝r0+t(r1-r0)+s(r2-r0)，

其中，t、s为平面基矢量对，且满足-∞＜t,s＜∞，r0、r1、r2为三个超声波探头的探测点的空间坐标r(xj,yj,zj),j＝0,1,2，r为三个探测点形成的平面的任一点的空间坐标；

n(r-r0)＝0，n1(x-x0)+n2(y-y0)+n3(z-z0)＝0

其中，n为法向矢量；

根据水面任意两矢量的叉积求出水面法线方程：计算水面法线的空间角即为跨中空间倾角。

将解调后的数据通过通讯光纤1或者4g无线方式将数据传递给云平台。结构自校准通过如下三种方法实现：

1)同一传感器不同时间上的自校准。传感器受其固有特性影响，在一天、一个月、一个季节、一年甚至连续数年的时间跨度内的数据将呈现规律性，通过时间上的最小二乘拟合，将求出其趋势项，从而作为自校准依据，对异常点值或者异常趋势进行判断和修正。

2)同一位置冗余传感器或者对称位置传感器空间上的自校准。同一位置或对称位置上的传感器数据点和趋势呈对称性，对异常点值或者异常趋势进行判断和修正。

3)同一构件上不同传感器的数据项和突变点呈现规律性，利用各自的数据曲线斜率项作为趋势项对异常点值或者异常趋势进行判断和修正。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。