基于加速度积分的桥梁振动位移的研究

[摘 要] 本文提出一种区别于传统挠度计、光学法等测量桥梁剪切方向振动位移的加速度测量方式，可在不阻断交通的情况下进行快速精确的测量。对传统测量方式对环境噪声的要求较低，仪器携带方便、操作简单。

[关键词] 有线测量；无线测量；加速度传感器；检测

[中图分类号] U441 [文献标识码] A

1 前言

我国境内多以混凝土桥梁为主，在使用中，由于载荷的变化、风载、水流、地壳运动等诸多环境激励，会使桥梁产生振动。其中剪切方向的振动最能体现桥梁使用情况。对剪切方向振幅的动态检测，能从一方面评价桥梁使用情况是否符合设计要求，又能快速发现危害桥梁健康的认为和自然因素。对桥梁验收及安全养护等工作提供重要依据。

2 背景技术

桥梁剪切振动位移的测量方法有多种。通过桥梁挠度仪测量较为常用，但是要求严格：（1）需要相对振动系统静止的一个固定系统，用来固定挠度仪，所需设备笨重，安装复杂，对固定系统稳定性要求非常高；（2）只能通过一次静力加载进行挠度测量，不能进行实时检测、获取连续数据进行分析；（3）对环境干扰（如水流、风载、周围大型机械振动等）十分敏感，环境存在的自然振动在检测结果中体现为噪声；（4）经常需要阻断交通或停止大型建筑日常服务活动，对生产生活造成一定影响。

另外也有使用激光全息和数字散斑法也能较为准确的测得桥梁剪切振动位移。但由于算法复杂、计算量大，不能得到实时位移信号，具体操作中多有不便。

本研究涉及一种基于加速度积分的桥梁振动位移测量技术，用于对桥梁等大型建筑的实时检测，可用于振动位移模态的获取。特别适用于环境复杂、不影响建筑服务需求的情况下使用，属于检测技术领域。

3 研究内容

针对上述问题，本研究的目的是提供一种便携的设备，可直接安装到正在使用的大型建筑，而且方便拆卸；可通过有线无线等方式将检测结果传回终端，进行实时监控，并可进行后续模态分析；可利用环境激励作为检测加载力，从而将噪声作为有用型号，且不需要停止建筑物日常工作，不影响生产生活。

为实现上述目的，本研究采取以下技术方案：

基于加速度积分的桥梁振动位移测量技术，其特点在于它是由加速度传感器、信号接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机组成。其中加速度传感器分有线和无线两种，有线加速度传感器不需要电源，由信号采集系统直接供电，中间省略信号传输系统；无线加速度传感器通过内部锂电池供电，通过无线信号接收系统接收后传输到信号采集系统，再有终端计算机进行处理。无线接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机都需要独立供电。终端计算机可使用笔记本电脑，完成相关计算，积分得到位移曲线。具体步骤如下：

（1）根据权利要求1中所述的设备要求，加速度传感器由有线高频低频传感器或无限高频低频传感器组成，分别用于得到高频加速度和低频加速度信号。

（2）采用桥梁上过往车辆的不规则激励，同时可能包括风载、水流等其他不规则环境激励。无需设计额外激励方式。

（3）高频滤波系统用于从高频加速度传感器中得到高频信号，低频滤波系统用于从高频加速度传感器中得到低频频信号。

（4）在计算机终端，使用MATLAB分别对高频低频加速度信号进行积分得到高频加速度位移和低频加速度位移。

（5）将高频位移和低频位移相加得到最终桥梁振动位移。

本研究由于采取以上技术研究，其具有以下优点：

（1）传感器体积小，携带方便，可通过传感器上预留的安装孔，用螺杆固定在桥梁上，保证稳定的同时又达到拆装简便的目的。

（2）对两个不同频率加速度传感器采集的信号，频率范围覆盖大，实现了桥梁位移检测的准确性和全面性。

（3）检测过程使用环境中所有可引起桥梁振动的激励，既排除这些激励的影响，排除环境误差，又省去额外激励方式，节省检测成本。

（4）可通过无限传输方式将数据传输到终端，可远离检测现场，保证检测人员安全。

（5）采用多通道信号接收系统，可同时获取多达12通道的加速度信号，按每2通道获得一组位移信号计算，可同时获得6个位移结果。

（6）检测过程采用桥梁“固有”振动，所以不需要阻断交通，不影响桥梁正常工作。

（7）采用MATLAB模块进行数据编程，方法简单，便于实现。

4 具体实施方式

下面结合附图和实施例对本研究的进行详细的描述。

如图1所示，本研究包括有线测量和无线测量两种方式。其中有线连接方式线缆需要带屏蔽层且不能过长，否则会导致信号衰减过大且受到外界辐射干扰；大跨度测量推荐采用无线方式，且可以通过设置无线信号中继站延长测试距离。无线加速度传感器内部使用可更换锂电源，以增加设备续航能力和耐久能力。

如图2所示，加速度传感器由低端安装螺母固定到桥梁上，必须保证与大桥是刚性连接，不能发生相对位移。顶端是输出接头或无线天线，最好选用大增益天线，在电磁环境复杂地区选用定向增益天线最佳。

如图3所示，是两路信号处理方式，分别对高低频率进行处理，最后得到位移。这样的目的是消除高低频率间的相互影响，增加位移结果准确性。

5 方案总结

一种基于加速度积分的桥梁振动位移测量技术，其特点在于它是由加速度传感器、信号接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机组成。其中加速度传感器分有线和无线两种，有线加速度传感器不需要电源，有信号采集系统直接供电，中间省略信号传输系统；无线加速度传感器通过内部锂电池供电，通过无线信号接收系统接收后传输到信号采集系统，再有终端计算机进行处理。无线接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机都需要独立供电。终端计算机可使用笔记本电脑，完成相关计算，积分得到位移曲线。具体步骤如下：

（1）加速度传感器由有线高频低频传感器或无限高频低频传感器组成，分别用于得到高频加速度和低频加速度信号。

（2）采用桥梁上过往车辆的不规则激励，同时可能包括风载、水流等其他不规则环境激励。无需设计额外激励方式。

（3）高频滤波系统用于从高频加速度传感器中得到高频信号，低频滤波系统用于从高频加速度传感器中得到低频频信号。

（4）在计算机终端，使用MATLAB分别对高频低频加速度信号进行积分得到高频加速度位移和低频加速度位移。

（5）将高频位移和低频位移相加得到最终桥梁振动位移。

参考文献：

[1]刘继承，徐庆华，查建新.用加速度传感器测量振动位移的方法[J].现代雷达，2007（5）：69-71.

[2]陆兆峰，秦昊，陈禾，林立，张颖.压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究[J].仪表技术与传感器，2007（7）：7-9.

[3]赵福彬.浅议桥梁检测[J].民营科技，2011（1）：178.

[4]王金辉，王桃芳，周娟玉.桥梁结构安全检测方法[J].中国水运，2011（6）：192-193.

[5]沈松，应怀樵，雷速华，赵增欣.用锤击法和变时基技术进行黄河铁路桥的模态试验分析[J].振动工程学报，2000（9）：492-495.

[6]范术娟，赵维刚.桥梁动位移测试的数字处理方法研究[J].国防交通工程与技术，2011（1）：15-18.

[7]徐亚力.桥梁挠度测量方法的探讨[J].铁道建筑，1996（6）：32-33.

[8]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用2版.西安电子科技大学出版社，2OO4：103-112.

[9]吴思育，杨桂霞.采用电涡流传感器测量机构位移参量的研究[J].机械工程师，1994（6）：32-33.

[10] 佘伟强.高速公路桥面系施工技术及质量控制[J].中国市场，2011（19）.

[11]Ki—Tae Park The determination of bridge displacement usingmeasured acceleration[J].Engineering Structures，2005（27）：371-378.