CN106383014A - 一种桥梁支座变形的全自动监测系统及方法 - Google Patents

一种桥梁支座变形的全自动监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁支座变形的全自动监测系统及方法，其全自动监测系统包括数据采集仪、发送模块、变形监测服务器及多个MEMS倾角传感器，多个MEMS倾角传感器固定于桥梁支座的顶板、底板和中间结构；所述多个MEMS倾角传感器分别与数据采集仪连接，数据采集仪、发送模块、变形监测服务器依次连接；所述变形监测服务器根据多个MEMS倾角传感器检测的倾角数据和MEMS倾角传感器的计算长度解算出桥梁支座的倾斜变形数据。本发明采用MEMS倾角传感器测量桥梁支座各部分的倾斜变化，并依此解算出桥梁支座对应位置的变形，在保证低成本的同时，实现了桥梁支座监测的小型化，对桥梁支座的变形监测稳定、准确。

Description

一种桥梁支座变形的全自动监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及到桥梁监测领域，具体涉及到桥梁支座变形的监测系统和方法。
背景技术：
随着我国交通基础设施的大规模建设，我国建设了越来越多的桥梁结构，如跨江、跨河、跨海桥、市政桥梁、铁路桥梁、公路桥梁等等。随着服役时间的增长，且很多桥梁长期超载以及维修保养的不足，我国桥梁出现病害的现象与日俱增，尤其是作为连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件——桥梁支座出现了越来越多的病害，如支座脱空、支座偏位、变形过大、支座破裂、侧面鼓起波纹状凹凸等等。一旦桥梁支座出现病害，将会直接影响到桥梁上部结构的承载能力，进而威胁到桥上行人和车辆行车安全。因而，对桥梁，尤其是跨江、跨河、跨海等恶劣环境下桥梁以及长期超载运输和长期缺乏维养的桥梁，进行快速准确的桥梁支座变形监测具有十分重要的意义。
然而，当前我国无论是工程界还是学术界，对桥梁支座的老化和病害主要还是采取支座更换的方式。这种解决方式有以下的不足，一方面，对支座何时更换需要长期的监测数据支持，而我国在桥梁支座监测领域主要还是采取人工监测的方法，这难以保证监测数据的准确性和及时性；另一方面，部分桥梁支座病害严重，在进行支座更换前整个桥梁结构就已经出现了严重病变甚至倒塌，甚至已经产生了严重事故。另外，进行桥梁支座更换必然会对交通的正常运转带来不利影响。因而，对桥梁支座进行快速准确的监测，对所发现的潜在病害进行及时的预警和维修，这对保障桥梁结构的安全具有重要意义，对支座进行更加高效的维修和更为经济的更换也具有重要的指导作用。但是，当前我国对支座的监测主要还以人工为主，监测数据的及时性、准确性和连续性难以保证，而用于桥梁支座监测的先进传感设备的研究和应用还鲜有报道。
发明内容：
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提出一种桥梁支座变形的全自动监测系统及方法，采用MEMS倾角传感器测量桥梁支座各部分的倾斜变化，并依此解算出桥梁支座对应位置的变形，在保证低成本的同时，实现了桥梁支座监测的小型化，对桥梁支座的变形监测稳定、准确。
本发明监测系统采用以下技术方案来实现：一种桥梁支座变形的全自动监测系统，包括数据采集仪、发送模块、变形监测服务器及多个MEMS倾角传感器，多个MEMS倾角传感器固定于桥梁支座的顶板、底板和中间结构；所述多个MEMS倾角传感器分别与数据采集仪连接，数据采集仪、发送模块、变形监测服务器依次连接；所述变形监测服务器根据多个MEMS倾角传感器检测的倾角数据和MEMS倾角传感器的计算长度解算出桥梁支座的倾斜变形数据。
优选地，所述MEMS倾角传感器均匀布置在桥梁支座的顶板和底板上，用于检测桥梁支座顶板、底板的压弯变形。
优选地，所述MEMS倾角传感器用于监测支座中间结构的鼓起波纹状凹凸，MEMS倾角传感器布置于桥梁支座的中间结构的侧面，其顶端与桥梁支座顶板铰接，底端悬置。
优选地，所述MEMS倾角传感器用于监测桥梁支座顶板和桥梁支座底板的相对倾斜变形；MEMS倾角传感器的顶端与桥梁支座顶板铰接，MEMS倾角传感器的底端在桥梁支座底板上自由滑动。
优选地，所述MEMS倾角传感器包括依次连接的MEMS芯片、模数转换模块和MCU处理器，MEMS芯片所检测的数据经模数转换后输入到MCU处理器；MCU处理器对数据进行处理后，将结果输出给数据采集仪。
优选地，所述MEMS倾角传感器还包括RS485端口，所述MCU处理器对数据进行处理后，将结果经RS485端口输出给数据采集仪。
本发明监测方法采用以下技术方案来实现：桥梁支座变形的全自动监测方法，包括以下步骤：
S1、将多个MEMS倾角传感器安装在桥梁支座的顶板、底板及中间结构上；其中用于检测桥梁支座顶板、底板的压弯变形的MEMS倾角传感器，布置在桥梁支座的顶板和底板上；用于监测支座中间结构的鼓起波纹状凹凸的MEMS倾角传感器，布置于桥梁支座的中间结构的侧面，其顶端与桥梁支座顶板铰接，底端悬置；用于监测桥梁支座顶板和桥梁支座底板的相对倾斜变形的MEMS倾角传感器，顶端与桥梁支座顶板铰接，底端在桥梁支座底板上自由滑动；
S2、所述多个MEMS倾角传感器将检测的倾角数据传输给数据采集仪，数据采集仪将所述倾角数据发送给变形监测服务器；
S3、所述变形监测服务器根据多个MEMS倾角传感器所检测的倾角数据和MEMS倾角传感器的计算长度解算出桥梁支座的倾斜变形数据，并将倾斜变形数据与桥梁支座相关的规范标准或者实际使用规定进行自动对比，对超限数据进行及时的预警。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
本发明采用MEMS倾角传感器，通过它测量桥梁支座各部分的倾斜变化，进而通过倾斜角度和传感器计算长度解算出桥梁支座对应位置的变形。由于MEMS倾角传感器体积小、重量轻、成本低和可靠性高，因而本发明能保证低成本的同时，实现桥梁支座监测的小型化，对桥梁支座各部分进行长期稳定、准确的变形监测；同时相关数据全程自动采集、传输、分析、显示和预警，相对于目前人工监测技术在效率和质量上都有了显著提升。
附图说明：
图1是本发明桥梁支座变形的全自动监测系统拓扑图；
图2是MEMS倾角传感器内部结构示意图；
图3是MEMS倾角传感器在桥梁支座上的安装位置示意图(纵剖面图)；
图4是MEMS倾角传感器在桥梁支座上的安装位置示意图(横剖面图)；
图5是MEMS倾角传感器模拟桥梁支座竖向变形示意图；
图6是MEMS倾角传感器模拟桥梁支座水平变形示意图；
上述图中，1、MEMS倾角传感器；2、桥梁支座顶板；3、桥梁支座中间结构；4、桥梁支座底板。
具体实施方式：
下面将结合实施例和说明书附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明桥梁支座变形的全自动化监测系统基于MEMS技术，包括数据采集仪、发送模块、变形监测服务器及多个MEMS倾角传感器，多个MEMS倾角传感器通过电缆线分别与数据采集仪连接，数据采集仪、发送模块、变形监测服务器依次连接。发送模块可以为无线发送模块或有线发送模块。
MEMS倾角传感器的结构如图2所示，包括依次连接的MEMS芯片、缓存及模数转换模块、MCU处理器、RS485端口，RS485端口与电缆连接，MEMS芯片所检测的数据经模数转换后输入到MCU处理器；MCU处理器对数据进行处理后，将结果输出给RS485端口。为了提高数据检测的准确性，MEMS倾角传感器还可以增设与MCU处理器连接的温度传感器。为了便于检测系统的故障，方便对系统进行维修，MEMS倾角传感器还设有自检测端口，自检测端口与MCU处理器连接。MEMS倾角传感器由DC电源供电，DC电源经稳压电路与RS485端口连接。
参见图3、4，本发明将MEMS倾角传感器1固定于桥梁支座的顶板2、底板4和中间结构3位置。例如，在支座的顶板和底板安装时，均匀布置一定数量的MEMS倾角传感器，传感器与顶板、底板接触良好，此时传感器用于监测顶板、底板的压弯变形。在支座的中间部位安装时，在中间结构的侧面布置一定数量传感器，传感器竖向紧贴在支座中间结构的侧面，并且传感器顶端和支座顶板铰接，传感器底端悬置，此时传感器用于监测支座中间结构的鼓起波纹状凹凸；还可将传感器的两端分别连接支座的顶板(传感器顶端与支座顶板铰接)和底板(传感器底端可在支座底板上自由滑动)，此时传感器用于监测顶板和底板的相对倾斜变形。当桥梁支座中间结构为圆形时，若干个MEMS传感器呈环形分布于圆形中间结构的侧面，如图4所示；由于桥梁支座中间结构可以为方形，此时若干个MEMS传感器分布于中间结构的四个侧面。
所有MEMS倾角传感器1末端经电缆线连接到数据采集仪，数据采集仪将收集的倾角数据传送给无线发送模块，之后数据通过无线网络传递至变形监测服务器，变形监测服务器根据倾角数据和MEMS传感器计算长度解算出桥梁支座的倾斜变形数据，并与桥梁支座相关的规范标准或者实际使用规定进行自动对比，对超限数据进行及时的预警。
本发明安装前，检查桥梁支座变形监测所需的设备是否齐全，设备的数量和长度是否合适，确认所有设备在运输过程中没有损坏或者丢失；尽可能选择无雪、无雨的适宜天气下进行安装，对于新建桥梁，在不影响桥梁施工的前提下，尽可能在支座施工完成后接着安装。安装时，按预先的设计方案，在桥梁支座的顶板、底板和中间部位安装MEMS倾角传感器；这里要说明的是，MEMS倾角传感器因安装位置不一样以及测试要求不一样，在外形和固定方式上存在差别。
安装好MEMS倾角传感器后，用电缆线连接MEMS倾角传感器和数据采集仪，条件允许的情况下，MEMS倾角传感器与数据采集仪通过无线网络(例如ZIGBEE)进行数据联系；然后连接数据采集仪和无线发送模块，之后将数据无线发送至变形监测服务器(也可以采用铺设电缆或者光缆对数据进行有线传输)。
调试所有设备，确保设备正常运行；系统安装调试完成后，MEMS倾角传感器将采集的数据经过数据采集仪、无线(或有线)发送模块传递到变形监测服务器。如图5，桥梁支座在竖向发生变形，例如桥梁支座顶板或底板倾斜时，将产生倾斜角度a1，MEMS倾角传感器将感应到上述倾斜角度a1，并将其通过电缆线传输给数据采集仪，最终经发送模块传递到变形监测服务器。如图6，桥梁支座在水平方向发生变形时，将产生倾斜角度a2，MEMS倾角传感器将倾斜角度a2传输给数据采集仪。变形监测服务器对相关数据，包括所测量的倾斜角度、MEMS传感器的计算长度等进行如下计算：
Si＝Li*sin(ai)
Si为第i个MEMS倾角传感器测得的所在位置处的支座变形量，Li为第i个MEMS倾角传感器的计算长度，ai为第i个MEMS倾角传感器测得的所在位置处的支座倾斜角度，i为1到N的整数，N为布置在桥梁支座上的MEMS倾角传感器的总数量。其中，MEMS传感器的计算长度根据传感器的结构形式、MEMS芯片的安装位置、实际需要测量的桥梁支座变形大小等来确定；例如当需要监测很大范围内的支座变形时，MEMS倾角传感器须尽可能做成均匀的细杆状(在允许的情况下，长度越长越好)，MEMS芯片能良好的适应桥梁支座变形，所取的计算长度可以等于或稍小于MEMS倾角传感器本身的长度；而若只需要监测小范围内的支座变形时，MEMS倾角传感器则可以制作的更为短小，所取的计算长度也可以远小于传感器本身的长度。前述对结构交接处差异沉降值的求解为常规的数学正弦函数关系式。
之后变形监测服务器对所有支座的变形量进行自动分析统计，当出现所计算的桥梁支座变形超过相关规范标准或者实际使用所设定的限值时，变形监测服务器启动报警模式，并将超限预警信息以电话、短信、邮件等形式及时通知桥梁相关的管理员和技术人员。
在桥梁支座实际监测过程中，由于需要需额外增加新的MEMS倾角传感器时，只要在新增加的传感器内设置一个不同于已有传感器的编码(识别码)即可，传感器的扩容十分方便。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化(例如将MEMS倾角传感器、电缆线、数据采集仪和发送模块整合为一个数据采集发送端)，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，包括数据采集仪、发送模块、变形监测服务器及多个MEMS倾角传感器，多个MEMS倾角传感器固定于桥梁支座的顶板、底板和中间结构；所述多个MEMS倾角传感器分别与数据采集仪连接，数据采集仪、发送模块、变形监测服务器依次连接；所述变形监测服务器根据多个MEMS倾角传感器检测的倾角数据和MEMS倾角传感器的计算长度解算出桥梁支座的倾斜变形数据。
2.根据权利要求1所述的桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，所述MEMS倾角传感器均匀布置在桥梁支座的顶板和底板上，用于检测桥梁支座顶板、底板的压弯变形。
3.根据权利要求1所述的桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，所述MEMS倾角传感器用于监测支座中间结构的鼓起波纹状凹凸，MEMS倾角传感器布置于桥梁支座的中间结构的侧面，其顶端与桥梁支座顶板铰接，底端悬置。
4.根据权利要求1所述的桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，所述MEMS倾角传感器用于监测桥梁支座顶板和桥梁支座底板的相对倾斜变形；MEMS倾角传感器的顶端与桥梁支座顶板铰接，MEMS倾角传感器的底端在桥梁支座底板上自由滑动。
5.根据权利要求1所述的桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，所述MEMS倾角传感器包括依次连接的MEMS芯片、模数转换模块和MCU处理器，MEMS芯片所检测的数据经模数转换后输入到MCU处理器；MCU处理器对数据进行处理后，将结果输出给数据采集仪。
6.根据权利要求5所述的桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，所述MEMS倾角传感器还包括RS485端口，所述MCU处理器对数据进行处理后，将结果经RS485端口输出给数据采集仪。
7.根据权利要求5所述的桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，所述MEMS倾角传感器还包括与MCU处理器连接的温度传感器。
8.根据权利要求1所述的桥梁支座变形的全自动监测系统，其特征在于，所述MEMS倾角传感器通过电缆线与数据采集仪连接。
9.基于权利要求1所述桥梁支座变形的全自动监测系统的桥梁支座变形的全自动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将多个MEMS倾角传感器安装在桥梁支座的顶板、底板及中间结构上；其中用于检测桥梁支座顶板、底板的压弯变形的MEMS倾角传感器，布置在桥梁支座的顶板和底板上；用于监测支座中间结构的鼓起波纹状凹凸的MEMS倾角传感器，布置于桥梁支座的中间结构的侧面，其顶端与桥梁支座顶板铰接，底端悬置；用于监测桥梁支座顶板和桥梁支座底板的相对倾斜变形的MEMS倾角传感器，顶端与桥梁支座顶板铰接，底端在桥梁支座底板上自由滑动；
S2、所述多个MEMS倾角传感器将检测的倾角数据传输给数据采集仪，数据采集仪将所述倾角数据发送给变形监测服务器；
S3、所述变形监测服务器根据多个MEMS倾角传感器所检测的倾角数据和MEMS倾角传感器的计算长度解算出桥梁支座的倾斜变形数据，并将倾斜变形数据与桥梁支座相关的规范标准或者实际使用规定进行自动对比，对超限数据进行及时的预警。
10.根据权利要求9所述的桥梁支座变形的全自动监测方法，其特征在于，所述MEMS倾角传感器的计算长度根据MEMS倾角传感器的结构形式、MEMS芯片的安装位置、实际需要测量的桥梁支座变形大小来确定。
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