多倾角传感器非同步采集后同步处理的桥梁挠度测量方法与流程

本发明属于倾角传感器测量技术领域，涉及一种多倾角传感器非同步采集后同步处理的桥梁挠度测量方法。

背景技术：

倾角传感器又称倾斜传感器、测角仪或坡度传感器。倾角传感器的理论基础是牛顿第二定律。当传感器在侧面和垂直方向上没有加速度，那么作用在它上面的只有重力加速度，重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的角度就是倾斜角度。

倾角传感器作为电子仪器，其采集方式是利用数据通信，一般分为同步通信与异步通信，这两种不同的通讯方式导致了传感器的采集数据有同步采集与非同步采集两种方式。

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，如图1所示，一次通信只传送一帧信息。采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输。

异步通信是一种很常用的通信方式，如图2所示，异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。异步通信的好处是通信设备简单、便宜。

若多个倾角传感器传输能实现同步通信，能测量出结构同一时刻下，多个传感器的测量值，进而通过积分的方法获得变形值。同步通信需要依赖于时钟信号，这就存在一个问题，这个时钟信号是谁来发起呢？在同步通信中，往往需要设置时钟信号读数模块，这样才能让传感器等时间间距采集数据，但是这样的设置让传感器硬件的成本增加，传感器需要处理大量的时序数据，大大降低了测量的效率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种多倾角传感器非同步采集后同步处理的桥梁挠度测量方法，通过对多传感器非同步采集的数据利用合适的插值方式，将多传感器非同步的数据处理成间接的同步数据，以此计算桥梁的变形。

本发明采用如下技术方案实现：

多倾角传感器非同步采集后同步处理的桥梁挠度测量方法，包括如下步骤：

s1、桥梁上布置多个倾角传感器，与采集仪器相连接，设置倾角传感器采集频率；

s2、桥梁结构在荷载作用下，发生挠度变形均值比较稳定的动态变形，利用多倾角传感器测量桥梁结构动态变形的变化值，得到每个倾角传感器的非同步采集数据；

s3、采用软件方式对多个倾角传感器非同步采集数据实现插值同步；

s4、基于插值同步后的数据通过挠度换算，得出桥梁结构挠度曲线。

优选地，步骤s2中非同步采集数据包括：倾角测量值θi及采集时间ti。

优选地，步骤s3中通过插值同步间接获得每个倾角传感器采集时起始的时间相同、采集的时间间距相等数据。

进一步地，插值同步是根据已知时刻与该时刻的倾角值，通过特定的插值方式，得出每个倾角传感器在同一时刻下的倾角测量值。

优选地，根据不同精度需求选取不同的插值方式。

优选地，步骤s3包括：

对每个倾角传感器倾角测量值θi采取合适的插值方式进行拟合，获得每个倾角传感器测量值与时间的函数关系式：θi＝f(ti)，i＝1～n，n为布置的倾角传感器数量。

优选地，步骤s4包括：

s41、选取某个时刻t，计算该时刻下每个倾角传感器的倾角测量值，θi＝f(t)，此时获得每个倾角传感器在该时刻下的测量值θi(t)；

s42、利用分段积分叠加法yi＝∑litanθi(t)，li为每一分段的长度，将插值获得的倾角测量值换算成竖向变形值，得到t时刻下桥梁的挠度变形。

相比其他的倾角传感器同步采集方式，本发明具有以下有益效果：

(1)将多倾角传感器非同步采集得到的数据，使用的适当的方式转换成同一时间的数据，即间接地实现同步采集，以此方式获得的倾角值来计算桥梁结构的变形时，能有效地提高测量的效率和降低仪器的成本。

(2)实现多倾角传感器数据的同步采集，可以通过设置硬件的采集模式来实现，但需要在制作倾角传感器时，内部嵌入相关程序，实现成本较高。本发明利用软件处理，通过插值的方式来间接地实现测量数据的同步，实现成本低，且效率较高。

(3)当多倾角传感器使用非同步采集获得桥梁结构的挠度变形时，桥梁结构的动态瞬时挠度曲线离散性大，基本不符合实际桥梁的变形曲线。本发明通过软件对非同步采集数据进行同步处理后得到的桥梁动态瞬时挠度曲线符合桥梁的变形形状，能够合理地测量出桥梁结构的动态瞬时变形，比没有同步处理时的更为合理。

附图说明

图1为同步通信示意图；

图2为异步通信示意图；

图3为本发明一个实施例中多倾角传感器非同步采集后同步处理的桥梁挠度测量方法流程图；

图4为本发明一个实施例中未同步处理的倾角法测量的动态瞬时挠度曲线图；

图5为本发明一个实施例中插值同步原理示意图；

图6为本发明一个实施例中插值同步处理后倾角法测量的动态瞬时挠度曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式并不限于此。

由于某些类型倾角传感器在采集数据时采样时钟不一致，不等间距时间采集数据，导致多个倾角传感器同时采集桥梁结构变化时并非同一时刻采集。利用倾角传感器测量桥梁挠度变形时，将由于采集时间不相同造成的非同步采集获得的数据处理成采集时间相同数据，以此间接地实现同步采集数据计算桥梁的变形。本发明提供一种基于插值同步的方式，将倾角传感器多点非同步采集后进行同步处理计算桥梁的变形。

多倾角传感器非同步采集后同步处理的桥梁挠度测量方法，如图3所示，包括如下步骤：

s1、利用多倾角传感器测量桥梁结构的竖向挠度变形。

桥梁上布置n个倾角传感器，与采集仪器相连接，设置传感器采集频率。

s2、桥梁结构在荷载作用下，发生挠度变形均值比较稳定的动态变形，利用多倾角传感器测量桥梁结构动态变形的变化值，得到每个倾角传感器倾角测量值θi及采集时间ti。

s3、对每个倾角传感器倾角测量值θi采取合适的插值方式进行拟合，获得每个倾角传感器测量值与时间的函数关系式：θi＝f(ti)，(i＝1～n)。

s4、选取某个时刻t，计算该时刻下每个倾角传感器的倾角测量值，θi＝f(t)，此时获得每个倾角传感器在该时刻下的测量值θi(t)。

s5、利用分段积分叠加法yi＝∑litanθi(t)，li为每一分段的长度，将插值获得的倾角测量值换算成竖向变形值，得到t时刻下桥梁的挠度变形。

本实施例中，在桥梁上安装4个倾角传感器。试验开始时，先静置2分钟记录每个倾角传感器读数。将2分钟内每个倾角传感器读数的均值作为各自的初始值，然后在简支梁跨中位置进行重物加载。试验重物一次加载，待简支梁稳定后，记录每个倾角传感器2分钟内的读数。在简支梁静止加载状态下，在跨中位置给予一个瞬间的竖向力，使简支梁在弹性变形阶段内发生竖向的自由振动，记录每个倾角传感器由加载后静止状态下至振动后恢复静止状态的时间段的读数。

在加载后静止状态下，将记录时间内读数的均值作为测量数据，得出各测点加载后静止状态挠度值，以此作为简支梁加载后的静态挠度。

在简支梁振动时，按照采集仪上4个传感器同时显示出来的倾角值，直接进行挠度的换算，作为动态测试结果，取其中4次测试与静止状态的曲线进行对比，其结果如图4所示。由图4可看出，动态测试结果中动态瞬时挠度曲线离散性大，基本不符合实际试验梁的变形曲线。

测试时获得的每个倾角传感器某时刻的时间及倾角值数据如表1所示，由表1倾角传感器实测数据可以看出，传感器使用20hz的采样频率进行采集时，采集仪1秒钟能返回20个倾角测量值，但是从毫秒级别的时间数据可以看出，同一个倾角传感器20个测量值的采集时间间距是不等的；同时由于多个倾角传感器测量时，多个倾角传感器同时响应的起始时间不同，导致直接利用采集仪上同时显示的倾角值换算成挠度时，每个倾角传感器数据之间存在时间的差距。

上述动态挠度测试结果，单次测试中倾角的测量值并非桥梁结构同一状态下的实际测量值，即没有实现同步测量，因此测量的动态瞬时挠度曲线不符合实际变化。这是因为每个倾角传感器有其自身的时钟，当使用总线型采集仪获得实际倾角读数时，由于指令传送的时间及每个倾角传感器接受指令后响应的快慢，造成获得的倾角读数并非都是同一时刻的数值，这是倾角传感器硬件上的问题而无法实现同步采集。

表1倾角传感器实测数据

注：1、时间的显示为绝对时间，单位为时：分：秒：毫秒。

2、倾角为传感器显示的绝对角度，单位为度。

为了实现测试中多倾角传感器数据的同步采集，一方面可以通过设置硬件的采集模式来实现，但需要在制作倾角传感器时，内部嵌入相关程序，实现成本较高。另一方面，可以利用软件处理来实现，本发明通过插值的方式间接地实现测量数据的同步，插值同步具体是根据已知时刻与该时刻下的倾角值，通过特定的插值方式，得出每个倾角传感器在同一时刻下的倾角测量值，此方法实现成本低、效率高。

图5所示为倾角值插值同步原理示意图，测点1与测点2分别代表倾角传感器1与倾角传感器2，实线为倾角传感器实际采集的倾角值拟合出来的倾角值时程曲线图，同一个倾角传感器自身的采集时间间距不相等，多个倾角传感器之间采集时间也不相等，这就造成了测点1与测点2数据实际采集数据的不同步。本实施例中，通过对各个测点实际采集点拟合得出的曲线，插入时间相同、时间间距相等的时刻点，从而获得相应时刻点的倾角值。通过这种方式，实现多个倾角传感器数据的同步采集。

根据插值同步原理，对每个倾角传感器采集的数据进行相同方式的数据处理，实现非同步采集数据的同步处理，插值同步处理后的数据如表2所示。插值方式有许多种，例如线性插值、拉格朗日插值与牛顿插值等。可以根据不同精度需求选取不同的插值方式，为了简便，一般选取线性插值

通过插值同步，使得每个倾角传感器采集时起始的时间相同，采集的时间间距相等。根据插值同步后的倾角值变化数据，通过挠度换算，得出桥梁结构挠度曲线。取其中4次测试与静止状态时的结果进行对比，其结果如图6所示。

表2倾角传感器插值同步数据

注：1、时间单位为时：分：秒：毫秒

2、倾角为传感器显示的绝对角度，单位为度

由图6可知，当使用插值同步来间接地实现采集的同步时，由其得到的测试结果的动态瞬时挠度曲线比没有同步处理时的更为合理，动态瞬时挠度曲线基本符合加载后简支梁做自由振动时的变形形状。曲线的右侧支座点的位移没有闭合，这是由于测角的累积误差所导致的。综上试验结果可以看出，通过对多倾角传感器非同步采集数据进行同步处理的桥梁挠度测量方法，能够合理地测量出桥梁结构的动态瞬时挠度变形。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。