橡胶支座位移监测方法及系统与流程

本发明涉及一种橡胶支座位移监测方法及系统，属于橡胶支座监测。

背景技术：

1、橡胶支座是连接桥梁和建筑等结构上部与下部之间的关键部件，主要实现对上部结构的连接、承载和减震等功能，因此支座的状态往往对桥梁和建筑结构安全有着举足轻重的影响。通过对支座的位移量进行监测，能够直接反映橡胶支座产品本身的健康状态，并据此对上部结构的安全性进行判定；也可以利用该数据分析系统(上部结构-橡胶支座)在地震来临时的表现；综合这些数据还可以给橡胶支座的设计改进提供大数据库支撑。

2、目前，橡胶支座的位移测量主要包括：(1)位移计测量法，该方法需要在隔震支座的两个方向分别布置顶杆位移计或激光位移计，布置难度较大，成本较高；(2)机器视觉测量法，该方法需要在隔震支座的两个方向布置摄像机，同样布置难度较大，并且图像数据分析计算量较大、功耗较高；而且两种方法都无法保证如地震等剧烈振动时测量的可靠性，例如cn202210991634.2，《一种隔震支座的位移测量装置及其位移测量方法》、cn201910098679.5，《一种隔震橡胶支座竖向载荷及水平位移的实时测试方法》和cn201910108820.5，《可检测位移的橡胶支座及其位移监测系统》。因此如何在保证橡胶支座的位移监测精度基础上实现低成本和高可靠性是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供的橡胶支座位移监测方法及系统，传感器的布置结构简单且成本低，通过加速度和位移同步测量准确的判定橡胶支座处于日常工作工况或地震工况，通过对橡胶支座工况的准确判定，保证日常工作工况下和地震工况下橡胶支座实时实际位移的计算可靠性和精准度，提高监测可靠性和有效性。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、橡胶支座位移监测方法，橡胶支座包括上钢板、下钢板和连接在上、下钢板之间的橡胶弹性体，在橡胶支座上安装对其横向、纵向、垂向位移和加速度进行实时测量的传感器组合、与传感器组合信号传输连接的监测终端和为监测终端及传感器组合供电的供电模块，其特征在于：传感器组合将实时测量数据传输至监测终端，监测终端根据实时测量数据判定橡胶支座的实时工况、计算橡胶支座的实时实际位移，并将实时测量数据、工况和实际位移进行数据库存储，将监测终端与外部终端、云服务器通信连接，通过外部终端查看橡胶支座的实时工况和实际位移，通过云服务器下载监测终端的存储数据。

4、优选的，所述的传感器组合包括对橡胶支座横向位移进行测量的横向位移感器、对橡胶支座的纵向位移进行测量的纵向位移传感器、对橡胶支座的垂向位移进行测量的垂向位移传感器和对橡胶支座横向、纵向和垂向的运动加速度进行测量的加速度传感器，监测终端根据各传感器的实时测量数据对橡胶支座的实时工况进行判定，橡胶支座处于日常工作工况时用横向、纵向和垂向位移传感器的实时测量数据计算橡胶支座的实时实际位移，橡胶支座处于地震工况时用加速度传感器的实时测量数据计算橡胶支座的实时实际位移。

5、优选的，所述的横向位移传感器、纵向位移传感器和垂向位移传感器均为超声波位移传感器，在橡胶支座上安装与横向位移传感器的声波发射方向垂直的横向对应发射板、与纵向位移传感器的声波发射方向垂直的纵向对应发射板和与垂向位移传感器的声波发射方向垂直的垂向对应发射板。

6、优选的，将所述的横向位移传感器、纵向位移传感器、垂向位移传感器和加速度传感器分别安装在上钢板底面上，下钢板作为垂向对应发射板，将横向对应发射板和纵向对应发射板分别安装在下钢板上。

7、优选的，所述的监测终端包括与各传感器信号传输连接的微控制单元、用于存储数据的存储单元和用于与外部终端及云服务器通信连接的通信模块，存储单元和通信模块分别与微控制单元连接，微控制单元接收各传感器的实时测量数据，对实时测量数据进行分析以判定橡胶支座的实时工况，并根据橡胶支座判定的实时工况和实时测量数据进行计算得到橡胶支座的实时实际位移。

8、优选的，在微控制单元中设定横向、纵向和垂向位移传感器的测量数据变化阀值δsth以及加速度传感器的测量数据阀值ath，当任意一个方向的位移测量变化绝对值大于该方向阈值δsth或任意一个方向的加速度测量绝对值大于该方向阈值ath时，则判定橡胶支座处于地震工况，否则判断橡胶支座处于日常工作工况，通过以下公式(1)判定橡胶支座处所实时工况：

9、

10、

11、

12、sta＝max{stax,stay,staz}      (1)

13、其中si(n)为第n个时刻的i方向的位移传感器测量值，ai(n)为第n个时刻的i方向的加速度测量值(i为x、y或z，x表示横向、y表示纵向和z表示垂向)；stai表征第n个时刻的i方向的实时工况，当sta＝0时判定橡胶支座处于日常工作工况，当sta＝1时判定橡胶支座处于地震工况。

14、优选的，所述的横向对应反射板与下钢板的夹角为θ1，纵向对应反射板与下钢板的夹角为θ2，根据判定的橡胶支座实时工况和实时测量数据，用以下公式(2)计算橡胶支座的实时实际位移；

15、

16、

17、

18、其中sz(n)为第n个时刻垂向位移传感器测量值，sz(0)为初始时刻垂向位移传感器测量值，sx(n)为第n个时刻横向位移传感器测量值，sx(0)为初始时刻横向位移传感器测量值，sy(n)为第n个时刻垂向位移传感器测量值，sz(0)初始时刻垂向位移传感器测量值，x(n)第n个时刻橡胶支座的横向实际位移，y(n)为第n个时刻橡胶支座的纵向实际位移，z(n)为第n个时刻橡胶支座的垂向实际位移，dt为时间的微分，ax、ay和az分别为支座横向、纵向及垂向加速度的测量值。

19、采用以上所述的橡胶支座位移监测方法的橡胶支座位移监测系统，其特征在于：包括装在橡胶支座上的传感器组合、装在橡胶支座上且与传感器组合信号传输连接的监测终端、装在橡胶支座上为传感器组合及监测终端供电的供电模块、外部终端和云服务器，监测终端分别与外部终端、云服务器通信连接。

20、优选的，所述的传感器组合包括分别装在上钢板上的横向位移传感器、纵向位移传感器、垂向位移传感器和加速度传感器，监测终端包括与各传感器信号传输连接的微控制单元、用于存储数据的存储单元和用于与外部终端及云服务器通信连接的通信模块，存储单元和通信模块分别与微控制单元连接。

21、优选的，所述的下钢板上安装与横向位移传感器的声波发射方向垂直的横向对应发射板、与纵向位移传感器的声波发射方向垂直的纵向对应发射板，下钢板与垂向位移位传感器的声波发射方向垂直，上钢板四周安装向外伸出的防撞板。

22、发明的有益效果是：

23、本发明的橡胶支座位移监测方法中在橡胶支座上安装对其横向、纵向和垂向位移和加速度进行实时测量的传感器组合，并将实时测量数据传输至监测终端，监测终端根据实时测量数据判定橡胶支座所处的实时工况，并计算出橡胶支座的实时实际位移，将实时工况和实际位移信息传输至外部终端并显示，实现对橡胶支座的位移和工况的实时监测，传感器组合即可测量橡胶支座各向的实时位移又可以测量各向的实时加速度，通过加速度和位移同步测量准确的判定橡胶支座处于日常工作工况或地震工况，通过对橡胶支座工况的准确判定，保证日常工作工况下和地震工况下橡胶支座实时实际位移的计算可靠性和精准度，以保证如地震等剧烈振动时对橡胶支座位移监测的可靠性。

24、传感器组合包括位移传感器和加速度传感器，根据各传感器的实时测量数据对橡胶支座的实时工况进行判定，并根据橡胶支座判定的实时工况和实时测量数据进行计算得到橡胶支座的实时实际位移，当判定橡胶支座处于日常工作工况时用横向、纵向和垂向位移传感器的实时测量数据计算橡胶支座的实时实际位移，橡胶支座处于地震工况时用加速度传感器的实时测量数据计算橡胶支座的实时实际位移，由判定的实时工况确定实时实际位移计算的方式，保证计算出的实时实际位移的可靠性和准确性，提高监测可靠性和有效性。

25、传感器组合中的横向、纵向和垂向传感器均为超声波位移传感器并分别安装在上钢板底面，并在橡胶支座的下钢板上设置与超声波位移传感器的声波发射方向垂直的对应反射板，在日常工作工况下根据对应反射板与下钢板间的夹角并运用三角函数关系对橡胶支座各向的实际位移进行计算，加速器传感器安装在上钢板底面，在地震工况下根据将加速度测量值对时间进行二次积分计算橡胶支座各向的位移；传感器的布置结构简单且成本低，橡胶支座在不同工况下各向位移计算的方式并不相同，保证在不同工况下对橡胶支座各向位移计算的准确性，提高对橡胶支座位移监测的可靠性。