基于双基点标定法的桥梁挠度远程监测系统和监测方法与流程

本发明涉及桥梁健康监测技术领域，尤其涉及一种基于双基点标定法的桥梁挠度远程监测系统和监测方法。

背景技术：

桥梁挠度是衡量桥梁寿命与健康状况的重要参数。目前,在桥梁的挠度监测方面，国内外学者做了大量研究,主要的监测方法有以下几种：

(1)水准仪法：

通常是人工使用、经纬仪、百分表等仪器测量桥梁的挠度,但是这类方法难以准确反映车辆通行所产生的动载作用下桥梁的安全状态,无法满足长期挠度自动化监测的需要。动态测量是对桥梁挠度进行实时、在线监测,可准确反映桥梁实时变形状态,能及时发现桥梁结构的事故先兆,避免突发性灾难事故保证桥梁运营安全。

(2)基于倾角方式的挠度测量法：

该方法主要是通过测量倾角的传感器采集桥梁主梁的倾角，然后通过相应的函数计算，间接估计出桥梁的挠度。该方法为桥面作业，需中断交通，需要人工辅助，只能测量静态挠度线形，不能用于长期监测。

激光准直感光法：

该方法用一束准直激光射向桥梁被侧点上的低感光度照相底片，当荷载通过时，感光底片相对激光束振动，底片上留下桥梁振动的痕迹，测量底片上痕迹，即可得到桥梁动态位移。该方法操作简单，但是由于光的发散性，当距离过远时光斑较大，误差较大。而且易受振动干扰。

基于gps的挠度测量法：

该方法是将一台接收机安装在不动点(如岸边的强制归心点)上，另一台接收机架设在桥梁变形较大的点(一般为跨中)，两台接收机同步观测及接收4颗及以上卫星的信号，通过特定的软件系统计算得到变形点相对基准点的位置得到梁的挠度值。gps法的函数关系过于复杂，误差源多，定位结果受卫星时钟钟差、接收机时钟钟差、电离层延迟和多路径误差等干扰较大，实用性不强。

(5)测量机器人挠度测量法：

该方法首先在桥上安装合作目标——棱镜，然后利用测量机器人在加载后分别获取合作目标的几何信息，最后计算出相应的位移值。该方法成本高，操作复杂，不适合常规使用。

综上所述，现有的挠度测量技术存在诸多不足之处，提出新型的挠度测量方法与装置具有很大现实意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双基点标定法的桥梁挠度远程监测系统，通过采用连接管连通储液箱、双基点定标模块和挠度测量子模块，并通过数据同步采集器同步采集双基点定标模块和挠度测量子模块的对应压力传感器压力值，挠度测量子模块的数量根据桥梁长度设置，工控机根据预设方法实时监测各个测点的挠度值，并通过3g模块传输给远程监控系统，结构更加简单，降低系统成本。

本发明还要解决的技术问题是提供一种基于双基点标定法的桥梁远程监测方法，通过数据同步采集器实时同步采集各个测点和双基点定标模块的压力传感器的压力值，并分步计算各个压力传感器的压力值、某一时刻第i个测点因桥梁挠曲引起的液位变化压力，并结合某一时刻第i个测点距储液箱液面的高度和双基点定标模块中两个压力传感器之间的竖向距离l计算获得第i个测点的桥梁挠度值，提高测量精度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于双基点标定法的桥梁挠度远程监测系统，包括储液箱、连通管、双基点定标模块、挠度测量子模块、数据总线、数据同步采集器、工控机和3g通信模块，所述储液箱和双基点定标模块固定安装在桥墩上，挠度测量子模块安装在桥梁的下表面、且沿桥梁长度均布i个，i为1-100，连通管包括相互连通的竖向段和水平段，且竖向段顶端的储液箱高度高于水平段20-40cm，储液箱与大气连通，水平段延伸方向与桥梁长度方向相同，所述双基点定标模块安装在连通管的竖向段，连通管的水平段与均布在桥梁下表面的挠度测量子模块连通，所述数据同步采集器通过数据总线分别连接双基点定标模块和所有挠度测量子模块的数据端，3g通信模块通过数据线连接工控机信号端，工控机通过数据线与数据同步采集器通信。

所述双基点定标模块包括上部压力传感器和下部压力传感器，上部压力传感器和下部压力传感器的信号端通过数据总线与数据同步采集器通信，上部压力传感器与下部压力传感器之间的竖向距离为l。

所述挠度测量子模块包括球阀、第一储液管、第二储液管、第一压力传感器和第二压力传感器，第一储液管和第二储液管分别安装在球阀两端、且水平设置，第一储液管位于左侧，第一储液管和第二储液管外端分别设置第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器分别用于检测第一储液管和第二储液管内的液体压力，第二储液管侧壁上设有连通管接口。

所述储液箱和连通管内充满防冻液。

所述第一储液管和第二储液管为铝合金管。

为解决上述技术问题，本发明还采取的技术方案是：一种基于双基点标定发的桥梁挠度远程监测方法，包括如下步骤：

s1，同步采集双基点定标模块和挠度测量子模块中压力传感器的压力值，双基点定标模块中的压力传感器分为上部压力传感器和下部压力传感器，上部压力传感器的压力值设定为p1t，下部压力传感器的压力值设定为p2t，挠度测量子模块中的任意压力传感器的压力值设定为pi，pi＝ρghi(i＝1.2.3...n)，其中ρ为防冻液密度，g为测点处的重力加速度；

s2，计算t时刻第i个测点挠度测量子模块中液位变化压力，设定pit为t时刻第i个测点因桥梁挠曲引起的液位变化压力，挠度测量子模块中的第二压力传感器测量的压力数据包含桥梁挠曲引起的液位变化压力与车辆经过桥梁引起桥梁振动使防冻液振动对第二压力传感器产生的冲击压力两部分,记为p′it，挠度测量子模块中的第一压力传感器测量的压力仅包含车辆经过桥梁引起桥梁振动，进而使防冻液振动对第一压力传感器产生的冲击压力p″it，pit＝p′it-p″it(i＝3.4.5...n)；

s3，计算t时刻第i个测点距离储液箱液面的高度差，设定为hit，

s4，计算t时刻第i个测点的桥梁挠度值，双基点定标模块中设置上部压力传感器和下部压力传感器，上部压力传感器与下部压力传感器之间的竖向距离为l，桥梁挠度值设定为δhit，

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该系统通过采用连接管连通储液箱、双基点定标模块和挠度测量子模块，并通过数据同步采集器分别采集双基点定标模块和挠度测量子模块的对应压力传感器压力值，挠度测量子模块的数量根据桥梁长度设置，工控机根据预设方法实时监测各个测点的挠度值，并通过3g模块传输给远程监控系统，结构更加简单，降低系统成本；采用双基点标定法，能有效解决储液箱液面振动变化的干扰，提高测量精度；采用防冻液代替传统的连通管中的水作为填充液体，防冻液具有耐低温、不易挥发、不易变质等优点，环境适应性强；采用现代网络通讯通信技术,自动化程度高,实现了桥梁挠度的远程在线监测；采用挠度测量子模块，可依据桥梁长度进行挠度测量子模块的增减，使系统具有广泛的适应性。

采用上述技术方案还产生的有益效果在于：通过数据同步采集器实时采集各个测点和双基点定标模块的压力传感器的压力值，并分步计算各个压力传感器的压力值、某一时刻第i个测点因桥梁挠曲引起的液位变化压力，并结合某一时刻第i个测点距储液箱液面的高度和双基点定标模块中两个压力传感器之间的竖向距离l计算获得第i个测点的桥梁挠度值，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明的系统原理图；

图2是本发明的挠度测量子模块结构示意图；

其中：1、储液箱，2、防冻液，3、双基点定标模块，4、连通管，5、挠度测量子模块，6、数据总线，7、数据同步采集器，8、工控机，9、3g通信模块，10、第一压力传感器，11、固定垫圈，12、m3螺钉孔，13、第一储液管，14、球阀，15、接口，16、第二储液管，17、第二压力传感器。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种基于双基点标定法的桥梁挠度远程监测系统，包括储液箱1、连通管4、双基点定标模块3、挠度测量子模块5、数据总线6、数据同步采集器7、工控机8和3g通信模块9，所述储液箱1和双基点定标模块3固定安装在桥墩上，挠度测量子模块5安装在桥梁的下表面、且沿桥梁长度均布i个，i为1-100，连通管4包括相互连通的竖向段和水平段，且竖向段顶端的储液箱高度高于水平段20-40cm，水平段延伸方向与桥梁长度方向相同，所述双基点定标模块3安装在连通管4的竖向段，连通管4的水平段与均布在桥梁下表面的挠度测量子模块5连通，所述数据同步采集器7通过数据总线6分别连接双基点定标模块3和所有挠度测量子模块5的数据端，3g通信模块9通过数据线连接工控机8信号端，工控机8通过数据线与数据同步采集器7通信。

所述双基点定标模块3包括上部压力传感器和下部压力传感器，上部压力传感器和下部压力传感器的信号端通过数据总线6与数据同步采集器7通信，上部压力传感器与下部压力传感器之间的竖向距离为l。

参见附图2，所述挠度测量子模块5包括球阀14、第一储液管13、第二储液管16、第一压力传感器10和第二压力传感器17，第一储液管13和第二储液管16分别安装在球阀14两端、且水平设置，第一储液管13位于左侧，第一储液管13和第二储液管16外端分别设置第一压力传感器10和第二压力传感器17，第一压力传感器10和第二压力传感器17分别用于检测第一储液管13和第二储液管16内的液体压力，第二储液管16侧壁上设有连通管4接口15。

所述储液箱1和连通管4内充满防冻液。

所述第一储液管13和第二储液管16为铝合金管。

在具体应用过程中，该系统通过采用连接管连通储液箱、双基点定标模块和挠度测量子模块，并通过数据同步采集器同步采集双基点定标模块和挠度测量子模块的对应压力传感器压力值，挠度测量子模块的数量根据桥梁长度设置，工控机根据预设方法实时监测各个测点的挠度值，并通过3g模块传输给远程监控系统，结构更加简单，降低系统成本；采用双基点标定法，能有效解决储液箱液面振动变化的干扰，提高测量精度；采用防冻液代替传统的连通管中的水作为填充液体，防冻液具有耐低温、不易挥发、不易变质等优点，环境适应性强；采用现代网络通讯通信技术,自动化程度高,实现了桥梁挠度的远程在线监测；采用挠度测量子模块，可依据桥梁长度进行挠度测量子模块的增减，使系统具有广泛的适应性。

本发明还公开了一种利用如权利要求1所述的桥梁挠度远程监测系统实现桥梁挠度远程监测的方法，包括如下步骤：

s1，同步采集双基点定标模块3和挠度测量子模块中压力传感器的压力值，双基点定标模块3中的压力传感器分为上部压力传感器和下部压力传感器，上部压力传感器的压力值设定为p1t，下部压力传感器的压力值设定为p2t，挠度测量子模块5中的任意压力传感器的压力值设定为pi，pi＝ρghi(i＝1.2.3...n)，其中ρ为防冻液密度，g为测点处的重力加速度；

s2，计算t时刻第i个测点挠度测量子模块5中液位变化压力，设定pit为t时刻第i个测点因桥梁挠曲引起的液位变化压力，挠度测量子模块5中的第二压力传感器17测量的压力数据包含桥梁挠曲引起的液位变化压力与车辆经过桥梁引起桥梁振动使防冻液振动对第二压力传感器17产生的冲击压力两部分,记为p′it，挠度测量子模块5中的第一压力传感器10测量的压力仅包含车辆经过桥梁引起桥梁振动，进而使防冻液振动对第一压力传感器10产生的冲击压力p″it，pit＝p′it-p″it(i＝3.4.5...n)；

s3，计算t时刻第i个测点距离储液箱液面的高度差，设定为hit，

s4，计算t时刻第i个测点的桥梁挠度值，双基点定标模块3中设置上部压力传感器和下部压力传感器，上部压力传感器与下部压力传感器之间的竖向距离为l，桥梁挠度值设定为δhit，

在具体应用过程中，在桥梁的各个测点处安装挠度测量子模块5，挠度测量子模块5通过铺设在桥梁上的连通管4与储液箱1、双基点标定模块3连通,整个连通管4内充满防冻液2，当安装本系统后，打开挠度测量子模块5中的球阀14，储液箱1中防冻液2通过连通管4经第二储液管16、球阀14流进第一储液管13，待挠度测量子模块5充满防冻液2且不含气泡后，关闭球阀14，此时第一储液管13中防冻液2与外界隔绝，即第一压力传感器10测量的是第一储液管13中密闭防冻液的压力，而第二储液管16中防冻液2通过连通管最终连通至储液箱与外界大气相通，即第二压力传感器17测量的是第二储液管16中防冻液的压力，进入工作状态后，当t时刻车辆经过桥梁使桥梁发生挠曲变形时，测点处的液位发生变化，第i个挠度测量子模块5中的第二压力传感器17测量的压力数据包含桥梁挠曲引起的液位变化压力与车辆经过桥梁引起桥梁振动，进而使防冻液振动对压力传感器产生的冲击压力两部分,记为p′it，而第一压力传感器10测量第一储液管13中防冻液的压力仅包含车辆经过桥梁引起桥梁振动，进而使防冻液振动对压力传感器产生的冲击压力p″it。且此时基上部压力传感器和下部压力传感器所测的的压力值为p1t、p2t。挠度测量子模块5将数据通过数据总线6传输给工控机8。工控机8通过下述算法计算得到桥梁真实挠度变化数据：

pi＝ρghi(i＝1.2.3...n)

pit＝p′it-p″it(i＝3.4.5...n)

其中，pi为第i个压力传感器所测压力值；ρ为防冻液2密度；g为测点处的重力加速度；pit为t时刻第i个测点因桥梁挠曲引起的液位变化压力；p′it为t时刻第i个测点因桥梁挠曲引起的液位变化压力与车辆经过桥梁引起桥梁振动，进而使防冻液振动对压力传感器产生的冲击压力两部分；p″it为t时刻第i个测点因车辆经过桥梁引起桥梁振动，进而使防冻液振动对压力传感器产生的冲击压力；hit为t时刻第i个测点距储液箱液面的高度；p1t,p2t为t时刻双基点压力标定系统4中两压力传感器所测的压力值(记为基准点1与基准点2，基准点1位于基准点2正上方l处)；δhit为t时刻第i个挠度测量子模块5得的桥梁挠度值。

工控机6将计算的桥梁真实挠度变化数据通过3g模块9远程传输给监控中心，实现桥梁动态挠度的远程在线监测，该方法通过数据同步采集器实时采集各个测点和双基点定标模块的压力传感器的压力值，并分步计算各个压力传感器的压力值、某一时刻第i个测点因桥梁挠曲引起的液位变化压力，并结合某一时刻第i个测点距储液箱液面的高度和双基点定标模块中两个压力传感器之间的竖向距离l计算获得第i个测点的桥梁挠度值，提高测量精度。