專利名稱：基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統與方法
技術領域：
本發明屬于橋梁結構測量技術領域，涉及一種適于應用在基于無線傾角采集系統 的橋梁結構監測撓度測量系統與方法，具體地說是一種利用無線傳感技術進行結構傾角測 量、再進行計算獲得結構撓度值的測量系統和方法。
背景技術：
橋梁是現代交通運輸網絡中重要的組成部分，對其進行安全監測是十分必要的。 以前對橋梁監測多是進行目測，現在隨著科學技術的發展，越來越多的監測儀器用于橋梁 監測。通過對橋梁監測數據的分析，可以了解橋梁結構過去和現在的工作狀況，預測其未來 的狀況，而撓度是一個重要的監測參量。撓度是判定橋梁豎向剛度、結構承載力和結構整體 性最為重要的技術參數，是橋梁檢定、危橋改造和新橋驗收的重要指標。如果橋梁撓度超 過了規定的設計限度，橋梁隨時會有垮塌的危險，危及人民的生命安全，造成巨大的財產損 失。因此，對橋梁撓度的測量是相當必要的。近年來測量橋梁撓度的方法有許多，如采用測量機器人方法來測量、連通管光電 液位測量、利用GPS的精密定位技術測量、利用位移傳感器來測量等。上述方法中，測量機 器人方法來測量撓度，具有高智能、快速性、大量程和高精度等特點，但是成本比較高；連通 管光電液位測量撓度，雖然具有很高的精度，但實施過程復雜、實施周期長；而GPS的精密 定位技術實施起來，造價也昂貴。采用傾角測量橋梁撓度不需現場測量基準及不受日光、 雨、霧等影響，測量范圍較大，可實現一維/ 二維測量。傾角傳感器芯片是一種集成化的芯 片，其內部具有調制解調電路，利用該電路將采集到的信號轉換成電壓信號，通過微處理單 元將信號提取，轉化成實際的角度值。而隨著傳感技術、無線通信技術以及MEMS技術的發 展，無線傳感技術已開始向結構監測滲透并成為這方面研究的熱點。根據材料力學原理，以簡支橋梁圖1為例，由于梁的撓度與載荷成線性關系，服從 胡克彈性定律，系數與材料的剛度等特性有關。梁上每一個載荷引起的變形影響是彼此不 相關的，滿足疊加定律。因此可以將載荷分解，計算出每個載荷單獨作用的情況下引起的撓 度變形。在沒有外界載荷情況下，只考慮橋梁自身重力載荷作用時，載荷均勻分布在橋梁 的全長范圍內，設載荷集度為q(N/m)，橋梁全長為1。建立坐標系，可求得梁上任一點的轉 角方程為，O = W =—^(/3-6/x2+4X3)(1)
24EIEI為常數，表示梁的抗彎剛度，E為拉壓彈性模量，I為慣性矩。由式1可以求得 撓度曲線方程為W = -^il3 -Ilx2 +X3)(2)
24￡7利用上述基本公式，進行變換運算就可以獲得撓度值。上述公式僅考慮了橋梁自重的作用情況，顯然利用上述公式進行橋梁各種狀態下撓度測量，因未考慮外部荷載狀況，測量不準確。

發明內容
本發明提供了一種安裝簡便的基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統以及計算 精度高的基于無線傾角的橋梁結構撓度測量方法。本發明的技術方案如下測量撓度所采用的無線傾角傳感器及其采集系統結構如圖2所示一種基于無線 傾角的橋梁結構撓度測量系統，包括兩個無線傾角傳感器單元、一個無線數據單元和計算 機單元，計算機單元采用串口方式與無線數據單元相連接，并與無線傾角傳感器單元進行 無線通信。其中無線傾角傳感器單元包括通用的傾角MEMS芯片、傾角采集單元、無線收發 單元和能源模塊。無線數據單元采用帶有串口的通用無線模塊實現；計算機單元包括撓度 計算單元和數據顯示單元。兩個無線傾角傳感器節點預先加載了嵌入式采集程序。一種基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統的方法，首先由無線傾角傳感器單元 的傾角采集單元測量橋梁的傾角數據，傾角采集單元將測量所得的傾角數據轉換為可進行 串口通信的數據格式并通過無線收發單元傳輸至計算機單元，計算機單元采用撓度計算公 式計算出撓度，撓度計算公式如下以簡支橋梁為例，其中ρ為外部載荷，q為載荷集度，1為梁全長，EI為常數，表示 梁的抗彎剛度，E為拉壓彈性模量，I為慣性矩。如圖1示，由上述公式(1)、⑵可得
θ (3)
max — 24EI
, 5ql4Wmax=叫廠^^ (最大值在梁的中點取得)⑷
x=2 j ^AtA當只考慮外部載荷時，對橋的變形撓度進行分析。外部載荷一般是橋上行駛的車 輛等施加的，相對于由橋梁自重引起的撓度變形要小。就簡支梁式橋梁來言，跨中的撓度是 關鍵點。因此將模型簡化，將載荷集中到跨中，進行計算。外部載荷P作用于跨中，即χ = 1/2時，由外部載荷產生的撓度變形為公式5、6 ν = — (―X2)0<x<-
UEI 42
ρ , 3 9/2χ ο 2 l\I
ν = —(χ +--3/χ2-—)-<χ<1
UEI 442由疊加原理，橋自重和外部載荷產生的撓度曲線為公式(7)、(8)>- = —^(―-χ2)-^^(/3-2/Χ2+Χ3)
UEI 424ΕΙ2= -~L(χ3 + -3/χ2--)-(I3 -2&2 + χ3)，其中丄 < χ < /
12ΕΙ 44 24ΕΙ2在跨中處取最大值
(5)
(6)
(7) (8)
4
令
對式⑵、⑶進行求導得傾角方程， 在橋跨中兩側分別布設無線傾角傳感器節點，測得兩點的傾角值。代入式(10)、 (11)，即跨中兩側的轉角方程，得到未知量a、b的值再代入公式(7)、(8)，從而得到橋跨中 兩側的撓度方程，上述方法測量撓度稱為兩點法。可以從這個方法出發，利用最小二乘法， 擴展為多點測量。本發明的有益效果是選用基于MEMS技術的傳感器芯片來感應信號。無線數據單 元預留了串口。MEMS芯片、傾角數據采集和無線收發單元形成無線傾角傳感器。無線數據 單元與計算機相聯完成傾角數據的接收。只需測量兩點角度就可以推算出撓度值。計算機 程序運用本發明提出的算法計算和顯示撓度。基于本發明提出的撓度計算方法和無線傾角傳感器測量系統，無線傳感器節點易 于安裝拆除、節約布設導線的費用和節省安裝時間，且計算撓度準確等特點決定了其廣闊 的前景和實用價值。


圖1是本發明簡支橋梁力學模型示意圖。圖2是本發明的基于無線傾角傳感器的撓度測量系統。圖3是不同加載條件下的撓度曲線。圖4是本發明的無線傾角傳感器結構示意圖。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。本發明的無線傾角傳感器結構如圖4所示。傾角測量單元選用基于MEMS技術的 傳感器芯片來感應信號，傾角采集單元負責將MEMS芯片感應的傾角數據以串口模式發送 給無線收發模塊，無線收發模塊采用帶有串口的通用無線模塊實現，能量模塊采用市場通 用的鋰電池、鎳氫電池或太陽能電池實現。兩個無線傾角傳感器節點預先加載了嵌入式程 序，計算機上運行上述傾角推算撓度的算法程序。計算撓度算法實施如下ρ為外部載荷，q為載荷集度，1為梁全長，EI為常數，表示梁的抗彎剛度，E為拉壓 彈性模量，I為慣性矩，令
。由疊加原理，橋自重和外部載荷產生的撓度曲 線為公式7、8:
在跨中處取最大值
對式7、8進行求導得傾角方程 V2 在橋跨中兩側分別布設無線傾角傳感器節點，測得兩點的傾角值。代入(10)或 (11)式，即跨中兩側的轉角方程，得到未知量a、b的值再代入公式(7)、(8)，從而得到橋跨 中兩側的撓度方程。可以從這個方法出發，利用最小二乘法，擴展為多點測量。對于本發明 的系統與算法，在長度為1. 44m的單跨橋梁模型上進行了實驗測試，無線傾角傳感器放到 橋梁模型上然后上電，監聽信道，與無線數據單元相連的計算機構成網絡。無線傾角傳感器 采集數據，借助無線數據單元通過串口將接收的數據發送到計算機，計算機程序讀取串口 數據，數據處理后，顯示撓度曲線。在梁自身均布荷載作用情況下，對橋梁撓度進行測量，在 梁的跨中位置加載lkg、2kg、3kg砝碼，分別用提出的兩點法測得相應的橋梁撓度。不同加 載條件下的撓度曲線如圖3所示。同時使用激光位移計測得了相應的撓度，與兩點法測得 的撓度進行比較，如表1所示。A為兩點法，B為激光位移計法。將激光位移計測得的相應 的撓度作為近似真值。表1撓度測量對比和分析 A為無線傾角法，B為激光位移計法。從上述實驗數據可以看出，使用無線傾角傳感器測得的撓度具有較好的精確度。 在空載和加載實驗中，測得撓度的相對誤差均小于3%。可以驗證本發明提出的撓度測量系 統與算法的正確性。
權利要求
一種基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統，其特征在于，該基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統包括兩個無線傾角傳感器單元、一個無線數據單元和計算機單元，計算機單元采用串口方式與無線數據單元相連接，并與無線傾角傳感器單元進行無線通信；其中無線傾角傳感器單元包括通用的傾角MEMS芯片、傾角采集單元、無線收發單元和能源模塊；無線數據單元采用帶有串口的通用無線模塊；計算機單元包括撓度計算單元和數據顯示單元。
2.根據權利要求1所述的基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統，其特征在于能源 模塊采用鋰電池、鎳氫電池或太陽能電池。
3.使用權利要求1或2所述基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統的方法，其特征在于橋自重和外部載荷產生的撓度曲線為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，求導得傾角方程為 .121;/=(3義2-丁)《 + (6&2-/3-4義3)辦其中0《義《|(10)Q/2/；/ =(-3x2-j + 6&)a + (-/3+6/x2-4x3)6 其中|《x《/(11)在橋跨中兩側分別布設無線傾角傳感器節點，測得兩點的傾角值，代入式(10)、(11)， 得到未知量a、b的值再代入公式(7)、(8)，從而得到橋跨中兩側的撓度方程；從這個方法出 發，利用最小二乘法，擴展為多點測量；其中P為外部載荷，q為載荷集度，1為梁全長，EI為常數，表示梁的抗彎剛度，E為拉 壓彈性模量，I為慣性矩。
全文摘要
本發明公開了一種基于無線傾角的橋梁結構撓度測量系統及方法，屬于橋梁結構測量技術領域。其特征是測量系統由兩個無線傾角傳感器、一個無線數據單元通過串口與PC機相連共同組成，其中由基于MEMS技術的傾角單元、傾角采集單元、無線收發單元以及能源模塊共同組成。在考慮橋梁結構自重和外部載荷共同作用下，構建橋梁撓度曲線公式，對撓度公式求導得到傾角公式，再根據實際測量傾角計算得到上述公式的未知參數，進而獲得撓度值。本發明克服了傳統有線測量系統及方法存在的不足，具有測試精度高、穩定性好、實時性強、計算準確等特點，所述方法也適合測量類似梁結構撓度變形，具有很好的應用前景。
文檔編號G08C17/02GK101915650SQ20101023671
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者喻言, 歐進萍 申請人:大連理工大學