专利名称：基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统与方法
技术领域：
本发明属于桥梁结构测量技术领域，涉及一种适于应用在基于无线倾角采集系统 的桥梁结构监测挠度测量系统与方法，具体地说是一种利用无线传感技术进行结构倾角测 量、再进行计算获得结构挠度值的测量系统和方法。
背景技术：
桥梁是现代交通运输网络中重要的组成部分，对其进行安全监测是十分必要的。 以前对桥梁监测多是进行目测，现在随着科学技术的发展，越来越多的监测仪器用于桥梁 监测。通过对桥梁监测数据的分析，可以了解桥梁结构过去和现在的工作状况，预测其未来 的状况，而挠度是一个重要的监测参量。挠度是判定桥梁竖向刚度、结构承载力和结构整体 性最为重要的技术参数，是桥梁检定、危桥改造和新桥验收的重要指标。如果桥梁挠度超 过了规定的设计限度，桥梁随时会有垮塌的危险，危及人民的生命安全，造成巨大的财产损 失。因此，对桥梁挠度的测量是相当必要的。近年来测量桥梁挠度的方法有许多，如采用测量机器人方法来测量、连通管光电 液位测量、利用GPS的精密定位技术测量、利用位移传感器来测量等。上述方法中，测量机 器人方法来测量挠度，具有高智能、快速性、大量程和高精度等特点，但是成本比较高；连通 管光电液位测量挠度，虽然具有很高的精度，但实施过程复杂、实施周期长；而GPS的精密 定位技术实施起来，造价也昂贵。采用倾角测量桥梁挠度不需现场测量基准及不受日光、 雨、雾等影响，测量范围较大，可实现一维/ 二维测量。倾角传感器芯片是一种集成化的芯 片，其内部具有调制解调电路，利用该电路将采集到的信号转换成电压信号，通过微处理单 元将信号提取，转化成实际的角度值。而随着传感技术、无线通信技术以及MEMS技术的发 展，无线传感技术已开始向结构监测渗透并成为这方面研究的热点。根据材料力学原理，以简支桥梁图1为例，由于梁的挠度与载荷成线性关系，服从 胡克弹性定律，系数与材料的刚度等特性有关。梁上每一个载荷引起的变形影响是彼此不 相关的，满足叠加定律。因此可以将载荷分解，计算出每个载荷单独作用的情况下引起的挠 度变形。在没有外界载荷情况下，只考虑桥梁自身重力载荷作用时，载荷均勻分布在桥梁 的全长范围内，设载荷集度为q(N/m)，桥梁全长为1。建立坐标系，可求得梁上任一点的转 角方程为，O = W =—^(/3-6/x2+4X3)(1)
24EIEI为常数，表示梁的抗弯刚度，E为拉压弹性模量，I为惯性矩。由式1可以求得 挠度曲线方程为W = -^il3 -Ilx2 +X3)(2)
24￡7利用上述基本公式，进行变换运算就可以获得挠度值。上述公式仅考虑了桥梁自重的作用情况，显然利用上述公式进行桥梁各种状态下挠度测量，因未考虑外部荷载状况，测量不准确。
发明内容
本发明提供了一种安装简便的基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统以及计算 精度高的基于无线倾角的桥梁结构挠度测量方法。本发明的技术方案如下测量挠度所采用的无线倾角传感器及其采集系统结构如图2所示一种基于无线 倾角的桥梁结构挠度测量系统，包括两个无线倾角传感器单元、一个无线数据单元和计算 机单元，计算机单元采用串口方式与无线数据单元相连接，并与无线倾角传感器单元进行 无线通信。其中无线倾角传感器单元包括通用的倾角MEMS芯片、倾角采集单元、无线收发 单元和能源模块。无线数据单元采用带有串口的通用无线模块实现；计算机单元包括挠度 计算单元和数据显示单元。两个无线倾角传感器节点预先加载了嵌入式采集程序。一种基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统的方法，首先由无线倾角传感器单元 的倾角采集单元测量桥梁的倾角数据，倾角采集单元将测量所得的倾角数据转换为可进行 串口通信的数据格式并通过无线收发单元传输至计算机单元，计算机单元采用挠度计算公 式计算出挠度，挠度计算公式如下以简支桥梁为例，其中ρ为外部载荷，q为载荷集度，1为梁全长，EI为常数，表示 梁的抗弯刚度，E为拉压弹性模量，I为惯性矩。如图1示，由上述公式(1)、⑵可得
θ (3)
max — 24EI
, 5ql4Wmax=叫厂^^ (最大值在梁的中点取得)⑷
x=2 j ^AtA当只考虑外部载荷时，对桥的变形挠度进行分析。外部载荷一般是桥上行驶的车 辆等施加的，相对于由桥梁自重引起的挠度变形要小。就简支梁式桥梁来言，跨中的挠度是 关键点。因此将模型简化，将载荷集中到跨中，进行计算。外部载荷P作用于跨中，即χ = 1/2时，由外部载荷产生的挠度变形为公式5、6 ν = — (―X2)0<x<-
UEI 42
ρ , 3 9/2χ ο 2 l\I
ν = —(χ +--3/χ2-—)-<χ<1
UEI 442由叠加原理，桥自重和外部载荷产生的挠度曲线为公式(7)、(8)>- = —^(―-χ2)-^^(/3-2/Χ2+Χ3)
UEI 424ΕΙ2= -~L(χ3 + -3/χ2--)-(I3 -2&2 + χ3)，其中丄 < χ < /
12ΕΙ 44 24ΕΙ2在跨中处取最大值
(5)
(6)
(7) (8)
4
令
对式⑵、⑶进行求导得倾角方程， 在桥跨中两侧分别布设无线倾角传感器节点，测得两点的倾角值。代入式(10)、 (11)，即跨中两侧的转角方程，得到未知量a、b的值再代入公式(7)、(8)，从而得到桥跨中 两侧的挠度方程，上述方法测量挠度称为两点法。可以从这个方法出发，利用最小二乘法， 扩展为多点测量。本发明的有益效果是选用基于MEMS技术的传感器芯片来感应信号。无线数据单 元预留了串口。MEMS芯片、倾角数据采集和无线收发单元形成无线倾角传感器。无线数据 单元与计算机相联完成倾角数据的接收。只需测量两点角度就可以推算出挠度值。计算机 程序运用本发明提出的算法计算和显示挠度。基于本发明提出的挠度计算方法和无线倾角传感器测量系统，无线传感器节点易 于安装拆除、节约布设导线的费用和节省安装时间，且计算挠度准确等特点决定了其广阔 的前景和实用价值。
图1是本发明简支桥梁力学模型示意图。图2是本发明的基于无线倾角传感器的挠度测量系统。图3是不同加载条件下的挠度曲线。图4是本发明的无线倾角传感器结构示意图。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。本发明的无线倾角传感器结构如图4所示。倾角测量单元选用基于MEMS技术的 传感器芯片来感应信号，倾角采集单元负责将MEMS芯片感应的倾角数据以串口模式发送 给无线收发模块，无线收发模块采用带有串口的通用无线模块实现，能量模块采用市场通 用的锂电池、镍氢电池或太阳能电池实现。两个无线倾角传感器节点预先加载了嵌入式程 序，计算机上运行上述倾角推算挠度的算法程序。计算挠度算法实施如下ρ为外部载荷，q为载荷集度，1为梁全长，EI为常数，表示梁的抗弯刚度，E为拉压 弹性模量，I为惯性矩，令
。由叠加原理，桥自重和外部载荷产生的挠度曲 线为公式7、8:
在跨中处取最大值
对式7、8进行求导得倾角方程 V2 在桥跨中两侧分别布设无线倾角传感器节点，测得两点的倾角值。代入(10)或 (11)式，即跨中两侧的转角方程，得到未知量a、b的值再代入公式(7)、(8)，从而得到桥跨 中两侧的挠度方程。可以从这个方法出发，利用最小二乘法，扩展为多点测量。对于本发明 的系统与算法，在长度为1. 44m的单跨桥梁模型上进行了实验测试，无线倾角传感器放到 桥梁模型上然后上电，监听信道，与无线数据单元相连的计算机构成网络。无线倾角传感器 采集数据，借助无线数据单元通过串口将接收的数据发送到计算机，计算机程序读取串口 数据，数据处理后，显示挠度曲线。在梁自身均布荷载作用情况下，对桥梁挠度进行测量，在 梁的跨中位置加载lkg、2kg、3kg砝码，分别用提出的两点法测得相应的桥梁挠度。不同加 载条件下的挠度曲线如图3所示。同时使用激光位移计测得了相应的挠度，与两点法测得 的挠度进行比较，如表1所示。A为两点法，B为激光位移计法。将激光位移计测得的相应 的挠度作为近似真值。表1挠度测量对比和分析 A为无线倾角法，B为激光位移计法。从上述实验数据可以看出，使用无线倾角传感器测得的挠度具有较好的精确度。 在空载和加载实验中，测得挠度的相对误差均小于3%。可以验证本发明提出的挠度测量系 统与算法的正确性。
权利要求
一种基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统，其特征在于，该基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统包括两个无线倾角传感器单元、一个无线数据单元和计算机单元，计算机单元采用串口方式与无线数据单元相连接，并与无线倾角传感器单元进行无线通信；其中无线倾角传感器单元包括通用的倾角MEMS芯片、倾角采集单元、无线收发单元和能源模块；无线数据单元采用带有串口的通用无线模块；计算机单元包括挠度计算单元和数据显示单元。
2.根据权利要求1所述的基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统，其特征在于能源 模块采用锂电池、镍氢电池或太阳能电池。
3.使用权利要求1或2所述基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统的方法，其特征在于桥自重和外部载荷产生的挠度曲线为y =-Ilx2 +X2)(7)UEI 424ΕΙ2>-=^(χ3+·^-3/Χ2-亡)-^^(/3-2/Χ2+Χ3)，其中丄《χ《/(8)\2ΕΓ 44 24ΕΙ2令☆=α 'iL·=b，求导得倾角方程为 .121;/=(3义2-丁)《 + (6&2-/3-4义3)办其中0《义《|(10)Q/2/；/ =(-3x2-j + 6&)a + (-/3+6/x2-4x3)6 其中|《x《/(11)在桥跨中两侧分别布设无线倾角传感器节点，测得两点的倾角值，代入式(10)、(11)， 得到未知量a、b的值再代入公式(7)、(8)，从而得到桥跨中两侧的挠度方程；从这个方法出 发，利用最小二乘法，扩展为多点测量；其中P为外部载荷，q为载荷集度，1为梁全长，EI为常数，表示梁的抗弯刚度，E为拉 压弹性模量，I为惯性矩。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线倾角的桥梁结构挠度测量系统及方法，属于桥梁结构测量技术领域。其特征是测量系统由两个无线倾角传感器、一个无线数据单元通过串口与PC机相连共同组成，其中由基于MEMS技术的倾角单元、倾角采集单元、无线收发单元以及能源模块共同组成。在考虑桥梁结构自重和外部载荷共同作用下，构建桥梁挠度曲线公式，对挠度公式求导得到倾角公式，再根据实际测量倾角计算得到上述公式的未知参数，进而获得挠度值。本发明克服了传统有线测量系统及方法存在的不足，具有测试精度高、稳定性好、实时性强、计算准确等特点，所述方法也适合测量类似梁结构挠度变形，具有很好的应用前景。
文档编号G08C17/02GK101915650SQ20101023671
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者喻言, 欧进萍 申请人:大连理工大学