基于加速度積分的橋梁振動位移的研究

[摘 要] 本文提出一種區別于傳統撓度計、光學法等測量橋梁剪切方向振動位移的加速度測量方式，可在不阻斷交通的情況下進行快速精確的測量。對傳統測量方式對環境噪聲的要求較低，儀器攜帶方便、操作簡單。

[關鍵詞] 有線測量；無線測量；加速度傳感器；檢測

[中圖分類號] U441 [文獻標識碼] A

1 前言

我國境內多以混凝土橋梁為主，在使用中，由于載荷的變化、風載、水流、地殼運動等諸多環境激勵，會使橋梁產生振動。其中剪切方向的振動最能體現橋梁使用情況。對剪切方向振幅的動態檢測，能從一方面評價橋梁使用情況是否符合設計要求，又能快速發現危害橋梁健康的認為和自然因素。對橋梁驗收及安全養護等工作提供重要依據。

2 背景技術

橋梁剪切振動位移的測量方法有多種。通過橋梁撓度儀測量較為常用，但是要求嚴格：（1）需要相對振動系統靜止的一個固定系統，用來固定撓度儀，所需設備笨重，安裝復雜，對固定系統穩定性要求非常高；（2）只能通過一次靜力加載進行撓度測量，不能進行實時檢測、獲取連續數據進行分析；（3）對環境干擾（如水流、風載、周圍大型機械振動等）十分敏感，環境存在的自然振動在檢測結果中體現為噪聲；（4）經常需要阻斷交通或停止大型建筑日常服務活動，對生產生活造成一定影響。

另外也有使用激光全息和數字散斑法也能較為準確的測得橋梁剪切振動位移。但由于算法復雜、計算量大，不能得到實時位移信號，具體操作中多有不便。

本研究涉及一種基于加速度積分的橋梁振動位移測量技術，用于對橋梁等大型建筑的實時檢測，可用于振動位移模態的獲取。特別適用于環境復雜、不影響建筑服務需求的情況下使用，屬于檢測技術領域。

3 研究內容

針對上述問題，本研究的目的是提供一種便攜的設備，可直接安裝到正在使用的大型建筑，而且方便拆卸；可通過有線無線等方式將檢測結果傳回終端，進行實時監控，并可進行后續模態分析；可利用環境激勵作為檢測加載力，從而將噪聲作為有用型號，且不需要停止建筑物日常工作，不影響生產生活。

為實現上述目的，本研究采取以下技術方案：

基于加速度積分的橋梁振動位移測量技術，其特點在于它是由加速度傳感器、信號接收系統、濾波系統、信號采集系統和終端計算機組成。其中加速度傳感器分有線和無線兩種，有線加速度傳感器不需要電源，由信號采集系統直接供電，中間省略信號傳輸系統；無線加速度傳感器通過內部鋰電池供電，通過無線信號接收系統接收后傳輸到信號采集系統，再有終端計算機進行處理。無線接收系統、濾波系統、信號采集系統和終端計算機都需要獨立供電。終端計算機可使用筆記本電腦，完成相關計算，積分得到位移曲線。具體步驟如下：

（1）根據權利要求1中所述的設備要求，加速度傳感器由有線高頻低頻傳感器或無限高頻低頻傳感器組成，分別用于得到高頻加速度和低頻加速度信號。

（2）采用橋梁上過往車輛的不規則激勵，同時可能包括風載、水流等其他不規則環境激勵。無需設計額外激勵方式。

（3）高頻濾波系統用于從高頻加速度傳感器中得到高頻信號，低頻濾波系統用于從高頻加速度傳感器中得到低頻頻信號。

（4）在計算機終端，使用MATLAB分別對高頻低頻加速度信號進行積分得到高頻加速度位移和低頻加速度位移。

（5）將高頻位移和低頻位移相加得到最終橋梁振動位移。

本研究由于采取以上技術研究，其具有以下優點：

（1）傳感器體積小，攜帶方便，可通過傳感器上預留的安裝孔，用螺桿固定在橋梁上，保證穩定的同時又達到拆裝簡便的目的。

（2）對兩個不同頻率加速度傳感器采集的信號，頻率范圍覆蓋大，實現了橋梁位移檢測的準確性和全面性。

（3）檢測過程使用環境中所有可引起橋梁振動的激勵，既排除這些激勵的影響，排除環境誤差，又省去額外激勵方式，節省檢測成本。

（4）可通過無限傳輸方式將數據傳輸到終端，可遠離檢測現場，保證檢測人員安全。

（5）采用多通道信號接收系統，可同時獲取多達12通道的加速度信號，按每2通道獲得一組位移信號計算，可同時獲得6個位移結果。

（6）檢測過程采用橋梁“固有”振動，所以不需要阻斷交通，不影響橋梁正常工作。

（7）采用MATLAB模塊進行數據編程，方法簡單，便于實現。

4 具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本研究的進行詳細的描述。

如圖1所示，本研究包括有線測量和無線測量兩種方式。其中有線連接方式線纜需要帶屏蔽層且不能過長，否則會導致信號衰減過大且受到外界輻射干擾；大跨度測量推薦采用無線方式，且可以通過設置無線信號中繼站延長測試距離。無線加速度傳感器內部使用可更換鋰電源，以增加設備續航能力和耐久能力。

如圖2所示，加速度傳感器由低端安裝螺母固定到橋梁上，必須保證與大橋是剛性連接，不能發生相對位移。頂端是輸出接頭或無線天線，最好選用大增益天線，在電磁環境復雜地區選用定向增益天線最佳。

如圖3所示，是兩路信號處理方式，分別對高低頻率進行處理，最后得到位移。這樣的目的是消除高低頻率間的相互影響，增加位移結果準確性。

5 方案總結

一種基于加速度積分的橋梁振動位移測量技術，其特點在于它是由加速度傳感器、信號接收系統、濾波系統、信號采集系統和終端計算機組成。其中加速度傳感器分有線和無線兩種，有線加速度傳感器不需要電源，有信號采集系統直接供電，中間省略信號傳輸系統；無線加速度傳感器通過內部鋰電池供電，通過無線信號接收系統接收后傳輸到信號采集系統，再有終端計算機進行處理。無線接收系統、濾波系統、信號采集系統和終端計算機都需要獨立供電。終端計算機可使用筆記本電腦，完成相關計算，積分得到位移曲線。具體步驟如下：

（1）加速度傳感器由有線高頻低頻傳感器或無限高頻低頻傳感器組成，分別用于得到高頻加速度和低頻加速度信號。

（2）采用橋梁上過往車輛的不規則激勵，同時可能包括風載、水流等其他不規則環境激勵。無需設計額外激勵方式。

（3）高頻濾波系統用于從高頻加速度傳感器中得到高頻信號，低頻濾波系統用于從高頻加速度傳感器中得到低頻頻信號。

（4）在計算機終端，使用MATLAB分別對高頻低頻加速度信號進行積分得到高頻加速度位移和低頻加速度位移。

（5）將高頻位移和低頻位移相加得到最終橋梁振動位移。

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