CN104236627A - 一种用于船撞桥墩结构的健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于船撞桥墩结构的健康监测系统，压电力传感器和加速度传感器装在被测桥墩内部，加速传感器粘贴在桥墩表面，压电力传感器采集撞击力产生的瞬态脉冲电压信号，经过电荷放大器放大后送入采集终端；加速度传感器采集撞击后的振动信息送采集终端；光纤光栅应变传感器采集撞击后的应变信息送光纤光栅解调仪；采集终端和光纤光栅解调仪通过通讯子系统与监控中心通讯，监控中心对采集数据实时在线处理、分析以及存储，对船撞桥墩后桥墩结构的健康状态做出评估与安全预警。系统可完成船撞桥墩船撞力、加速度和应变的同步监测；采用了嵌入式平台作为数据采集平台，在系统的硬件集成性和可靠性方面有了很大的改进，实现了数据实时监测。

Description

一种用于船撞桥墩结构的健康监测系统

技术领域

本发明涉及一种土木工程结构检测技术，特别涉及一种用于船撞桥墩结构的健康监测系统。

背景技术

自20世纪90年代以来，我国跨江、跨海桥梁等大型复杂交通工程建设迎来了一个持续发展阶段，跨越繁忙航道的桥梁迅速增多。另一方面，世界范围内船舶航运业蓬勃发展，航道通航密度逐年增大，船舶朝着大型化和快速化方向发展。于是，船舶与桥梁之间的矛盾日益突出，船撞风险越来越大，船撞桥墩造成的后果也更加严重。近几年，我国发生了多宗严重船撞事故。除少数船撞事件导致桥梁整体倒塌之外，大多数船撞事件往往导致不可见的结构损伤。这种损伤往往被结构的表面完整性所掩盖，可能危及桥梁安全。

传统的结构损伤检测手段通过直接测量结构的相关物理量，从而可以快速地实现对结构局部损伤的监测。但是作为局部的离线式检测方法，存在信息的滞后性。并且传统的无损检测仪器很难达到桥墩结构部位，从而无法实时快速的检测船撞桥墩后桥墩的健康状态。

基于现代智能结构发展的结构健康监测技术，集成了传感技术、信息处理与损伤识别技术等多学科知识，为实现船撞桥墩之后桥墩的健康状况评估提供了可能。如基于压电陶瓷智能材料的健康监测技术由于在混凝土结构监测方面的众多优势，已经取得了阶段性的成果。但由于缺少相应配套监测平台的开发，使得此项技术尚未用于船撞桥墩的工程应用中，只是停留在理论仿真和实验室试验阶段。

发明内容

本发明是针对现在船撞桥墩检测技术无法实现实时快速得到损伤数据的问题，提出了一种用于船撞桥墩结构的健康监测系统，该系统通过压电力传感器、加速度传感器和光纤光栅应变传感器可以实现对船撞桥墩的撞击力、加速度和应变等多物理量进行监测，同时通过系统的软件平台实现对船撞桥墩之后桥墩的健康状态评估和安全预警等功能。

本发明的技术方案为：一种用于船撞桥墩结构的健康监测系统，包括传感器子系统、数据采集子系统、通讯子系统以及监控中心，传感器子系统包括压电力传感器、加速度传感器和光纤光栅应变传感器，数据采集子系统包括电荷放大器、采集终端和光纤光栅解调仪，压电力传感器和加速度传感器装在被测桥墩内部，加速传感器粘贴在桥墩表面，压电力传感器采集撞击力产生的瞬态脉冲电压信号，经过电荷放大器放大后送入采集终端；加速度传感器采集撞击后的振动信息送采集终端；光纤光栅应变传感器采集撞击后的应变信息送光纤光栅解调仪；采集终端和光纤光栅解调仪通过通讯子系统与监控中心通讯，监控中心对采集数据实时在线处理、分析以及存储，对船撞桥墩后桥墩结构的健康状态做出评估与安全预警。

所述采集终端由NI CRIO-9075嵌入式平台和NI 9222数据采集卡组成，光纤光栅解调仪采用MOI光纤光栅解调仪Sm125。

所述撞击力产生的瞬态脉冲电压信号与撞击力F之间的关系式如下：

 

式中：U为脉冲峰值电压，g ₃₃为压电力传感器压电电压常数，t为压电陶瓷片厚度，A为压电陶瓷片的面积。

本发明的有益效果在于：本发明用于船撞桥墩结构的健康监测系统，将压电力传感器、加速度传感器和光纤光栅应变传感器进行了集成化处理，可完成船撞桥墩船撞力、加速度和应变的同步监测；采用了嵌入式平台作为数据采集平台，在系统的硬件集成性和可靠性方面有了很大的改进，实现了数据实时监测。

附图说明

图1为本发明拓扑结构示意图；

图2为本发明软件系统功能图；

图3为本发明实施例示意俯视图；

图4为本发明实施例示意正视图；

图5为本发明实施例示意右视图；

图6为本发明的实验压电力传感器的结果图；

图7为本发明的实验加速度力传感器的结果图；

图8为本发明的实验光纤光栅应变传感器的结果图。

具体实施方式

如图1所示用于船撞桥墩结构的健康监测系统拓扑结构示意图，系统主要包括传感器子系统、数据采集子系统、通讯子系统以及监控中心。传感器子系统由压电力传感器、加速度传感器和光纤光栅应变传感器。数据采集子系统包括附属设备、采集终端和光纤光栅解调仪，采集终端由美国国家仪器公司生产的NI CRIO-9075嵌入式平台、NI 9222数据采集卡组成，光纤光栅解调仪采用MOI光纤光栅解调仪Sm125，附属设备由电荷放大器组成。监控中心为上位机控制终端。通讯子系统主要是指数据采集子系统与上位机控制终端之间的连接与数据传输，采用以太网建立TCP/IP协议的形式进行通讯。监控中心承担着系统的主要数据处理与分析功能，其功能可完成对数据的实时在线处理、分析以及存储，同时对船撞桥墩后桥墩结构的健康状态做出评估与安全预警等。

如图2所示软件系统功能图，系统软件部分的主控界面各模块功能如下：

压电监测模块实现对船撞桥墩的船撞力的监测，软件功能包括监测信号的采集、信号的在线处理与分析，并完成数据的存储。数据采样频率为10kHz。一旦船撞桥墩，船撞桥墩的撞击力会使压电力传感器产生瞬态脉冲信号，压电力传感器产生电荷信号，通过电荷放大器和NI9222数据采集卡将电荷信号转为电压信号并传输到计算机中。通过压电力传感器的灵敏度系数和产生的脉冲峰值电压，可以反推出撞击力。

                    

式中：U为脉冲峰值电压，g ₃₃为压电电压常数，其物理意义为在单位应力作用下产生的电场强度；t为压电陶瓷片厚度，A为压电陶瓷片的面积。

加速度监测模块实现对船撞桥墩后桥墩的振动信息的监测，软件功能包括监测信号的采集、信号的在线处理与分析，并完成数据的存储。数据采样频率为1000Hz。一旦船撞桥墩，桥墩会产生振动，加速度传感器产生电压信号，通过NI9222数据采集卡将电压信号传输到计算机中。

光纤光栅监测模块实现对船撞桥墩后桥墩的应变信息的监测，软件功能包括监测信号的采集、信号的在线处理与分析，并完成数据的存储。数据采样频率为10kHz。一旦船撞桥墩，桥墩会产生振动，光纤光栅应变传感器产生瞬态脉冲光信号，通过光纤光栅解调仪Sm125将光信号解调成电压信号并传输到计算机中。

图3、4、5为本发明中一个实施实例图。在实验室浇注桥墩的缩尺模型，把压电力传感器、光纤光栅应变传感器埋入到承台中，加速度传感器粘贴在桥墩表面。试验中，为了能够实现冲击力撞击桥墩模型来实现船撞力的模拟，因此制作钢框架和悬摆。悬摆底部焊接钢锤，在钢锤顶部放置力传感器。当把悬摆拉到一定高度松手使之自由滑落，重力势能转化为动能，从而产生冲击力撞击桥墩模型。当钢锤撞击桥墩模型时，数据采集平台记录压电力传感器、光纤光栅应变传感器和加速度传感器产生的瞬态脉冲信号。通过调整钢锤的高度和质量，得到不同工况下的船撞力、加速度和应变。图6为撞击后的撞击力结果、图7为加速度通过傅里叶变换后得到的桥墩频率结果、图8为光纤光栅应变结果。

Claims (3)

1.一种用于船撞桥墩结构的健康监测系统，其特征在于，包括传感器子系统、数据采集子系统、通讯子系统以及监控中心，传感器子系统包括压电力传感器、加速度传感器和光纤光栅应变传感器，数据采集子系统包括电荷放大器、采集终端和光纤光栅解调仪，压电力传感器和加速度传感器装在被测桥墩内部，加速传感器粘贴在桥墩表面，压电力传感器采集撞击力产生的瞬态脉冲电压信号，经过电荷放大器放大后送入采集终端；加速度传感器采集撞击后的振动信息送采集终端；光纤光栅应变传感器采集撞击后的应变信息送光纤光栅解调仪；采集终端和光纤光栅解调仪通过通讯子系统与监控中心通讯，监控中心对采集数据实时在线处理、分析以及存储，对船撞桥墩后桥墩结构的健康状态做出评估与安全预警。

2.根据权利要求1所述用于船撞桥墩结构的健康监测系统，其特征在于，所述采集终端由NI CRIO-9075嵌入式平台和NI 9222数据采集卡组成，光纤光栅解调仪采用MOI光纤光栅解调仪Sm125。

3.根据权利要求1所述用于船撞桥墩结构的健康监测系统，其特征在于，所述撞击力产生的瞬态脉冲电压信号与撞击力F之间的关系式如下：

 

式中：U为脉冲峰值电压，g ₃₃为压电力传感器压电电压常数，t为压电陶瓷片厚度，A为压电陶瓷片的面积。