CN109612559B - 基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法 - Google Patents

基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法，包括在桥梁各个车道正下方沿纵向方向标记1列4个截面位置；在标记位置安装分布式长标距光纤光栅传感器；将每列前三个和后三个截面采集到的长标距弯曲应变做组内二阶差分；对两条长标距应变曲率曲线上相应的峰值时间进行统计，用传感器距离除以相对应峰值时间差得到车辆速度；对每条长标距应变曲率曲线上的峰值间距时间进行统计，得到的车辆速度得到车辆轴距；统计长标距应变曲率曲线上峰值的幅值，得到车辆轴重。本发明在车辆动态称重中使用传感器数量较少，同时耐久性更强，精度高，适用于简支梁和连续梁结构桥梁，可实现低成本大范围应用，来辅助公路交通管理。

Description

基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法
技术领域
本发明涉及车辆称重方法领域，具体是一种基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法。
背景技术
因为长期往复的上部车辆荷载作用会引起桥梁性能的逐步下降，对车辆荷载的监测可以帮助日常对桥梁性能走向进行预测。为了测量上部车辆的轴重，目前现有的技术包括静态称重技术和动态称重技术。尽管目前静态称重技术已经十分精准，但在测量时十分费时、成本昂贵。而动态称重系统可以在车辆正常运营状态下测量，相较静态称重技术优势明显。
目前动态称重系统可以大致分为两类：路面式动态称重系统和桥梁式动态称重系统。在路面式动态称重系统中，称重传感器单元被埋入桥梁铺装层内，通过监测车桥接触力变化来反推经过车辆的车重。但所用的传感器造价较高，难以大规模应用，且系统耐久性有限。相较于路面式动态式称重系统，桥梁式动态称重系统核心思想是将桥梁结构视为一个衡器，以此来对上部车辆荷载进行衡量，有许多优点，例如对路面无损伤、在安装和维护时无需封闭道路。尽管它拥有不少优秀的属性，但仍然有一些不足。首先，它在动态称重前需要预先测得车辆轴距和车速信息，这就需要引入额外的监测设备，增加整个系统的成本，限制其应用。另外，桥梁动态称重监测通常选用桥梁应变响应作为指标来估计车重。然而，传统应变片比较脆弱，易因结构开裂失效，也易受外部电磁干扰和化学侵蚀。因此，系统寿命和精度不能得到保证。
发明内容
发明目的：基于上述的问题，本发明专利提供一种基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法，通过仅在现场布置少量传感器，即可实现对上部车辆车速、轴距、轴重的动态测量，适用于简支梁和连续梁结构桥梁。
技术方案：本发明的一种基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法，包括以下步骤：
S1：在桥梁各个车道正下方沿纵向方向标记1列4个截面位置，沿纵向根据结构表面状况挑选四个截面1-4，截面间相对距离为l12、l23、l34；
S2：在标记位置安装分布式长标距光纤光栅传感器来采集各个车道下车辆经过时桥梁的长标距应变；
S3：将每列前三个和后三个截面采集到的长标距弯曲应变做组内二阶差分，得到两组长标距应变曲率曲线；
S4：对两条长标距应变曲率曲线上相应的峰值出现时刻进行统计，用传感器距离除以相对应峰值时间差得到车辆速度；
S5：对每条长标距应变曲率曲线上的峰值相对间距时间进行统计，乘以步骤得到的车辆速度得到车辆轴距，具体由下式确定：
Figure BDA0001927167310000021
其中Aij为车轴i与车轴j间的轴距；
S6：统计长标距应变曲率曲线上峰值的幅值，得到车辆轴重.
步骤S2中，将标距长度为lg的分布式长标距光纤光栅传感器1-4粘在步骤S1选定的截面1-4处，通过光纤熔接机将一列四个传感器串联在一起组成传感器序列i，并连接到光纤解调仪的输入端持续记录桥梁长标距应变响应。
步骤3中，将通过传感器序列i中传感器1-4得到的长标距应变相应S1-S4，分为S1-S3和S2-S4两组，并按l12×S3+l23×S1-(l12+l23)×S2和l23×S4+l34×S2-(l23+l34)×S2进行二阶差分，得到两组长标距应变曲率曲线Q1，Q2。
步骤S4包括：
S4.1：统计长标距应变曲率曲线Q1与Q2上峰值出现时刻t11,t12,…,t1N与t21,t22,…,t2N，其中N为车辆总轴数；
S4.2：通过得到的两组峰值时刻，车辆车速v由下式确定：
Figure BDA0001927167310000022
步骤S6包括：
S6.1：在系统运行前，先通过一已知轴重Pt的测试车辆跑过桥梁，记录相应长标距应变时程，带入步骤3)并统计相对应长标距应变曲率曲线峰值高度ht；
S6.2：统计长标距应变曲率曲线Q1与Q2上各个峰值的高度h11,h12,…,h1N与h21,h22,…,h2N；
S6.2：车辆的轴重由下式确定：
Figure BDA0001927167310000031
其中Pi为车辆第i轴轴重。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
本发明在车辆动态称重中使用传感器数量较少，同时耐久性更强，精度高，适用于简支梁和连续梁结构桥梁，可实现低成本大范围应用，来辅助公路交通管理。
附图说明
图1是本发明的基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法的步骤流程示意图；
图2是车辆荷载作用下桥梁示意图；
图3是分布式长标距光纤光栅传感器布置示意图；
图4是计算得到的长标距应变曲率曲线示意图；
图5是本发明方法在一简支梁桥实际应用中测得的长标距应变和相应的长标距曲率曲线；
图6是本发明方法在一连续梁桥实际应用中测得的长标距应变和相应的长标距曲率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，对于一个车辆荷载作用下的桥梁，本发明以下步骤：
S1：在桥梁各个车道正下方沿纵向方向根据结构表面状况标记1列4个截面位置，如图2所示1-4截面，截面间相对距离为l12、l23、l34，根据车道总数量标记相应数量截面数，此处为方便叙述，仅从针对单一车道进行介绍；
S2：将标距长度为lg的分布式长标距光纤光栅传感器1-4粘在相对应截面1-4处，通过光纤熔接机将一列四个传感器串联在一起组成传感器序列，连接到光纤解调仪的输入端，来持续采集各个车道下车辆经过时桥梁的长标距应变，如图3所示；
S3：如图4所示，将通过传感器序列i中传感器1-4得到的长标距应变相应S1-S4，分为S1-S3和S2-S4两组，并按l12×S3+l23×S1-(l12+l23)×S2和l23×S4+l34×S2-(l23+l34)×S2进行二阶差分，得到两组长标距应变曲率曲线Q1，Q2；
S4：在方法运行前，先通过一已知轴重Pt的测试车辆跑过桥梁，记录相应长标距应变时程，通过步骤S3得到长标距应变响应，并统计相对应长标距应变曲率曲线峰值高度ht；
S5：统计长标距应变曲率曲线Q1与Q2上峰值出现时刻t11,t12,…,t1N与t21,t22,…,t2N，其中N为车辆总轴数，通过得到的两组峰值时刻，车辆车速v由下式确定：
Figure BDA0001927167310000041
S6：对每条长标距应变曲率曲线上的峰值相对间距时间进行统计，乘以步骤得到的车辆速度得到车辆轴距，车辆轴距由下式确定：
Figure BDA0001927167310000042
其中Aij为车轴i与车轴j间的轴距。
S7：统计长标距应变曲率曲线Q1与Q2上各个峰值的高度h11,h12,…,h1N与h21,h22,…,h2N，结合步骤S4中校准由测试车辆得到的长标距应变曲率曲线峰值ht，桥梁上部通过车辆的轴重由下式确定：
Figure BDA0001927167310000043
其中Pi为车辆第i轴轴重。
该方法不仅适用于示例中展现的简支桥梁，也适用于连续梁桥梁等不同结构形式桥梁，如图5-6所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁式动态称重方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在桥梁各个车道正下方沿纵向方向标记1列4个截面位置，沿纵向根据结构表面状况挑选四个截面1-4，截面间相对距离为l12、l23、l34；
S2：在标记位置安装分布式长标距光纤光栅传感器来采集各个车道下车辆经过时桥梁的长标距应变；具体的，将标距长度为lg的分布式长标距光纤光栅传感器1-4粘在步骤S1选定的截面1-4处，通过光纤熔接机将一列四个传感器串联在一起组成传感器序列i，并连接到光纤解调仪的输入端持续记录桥梁长标距应变响应；
S3：将每列前三个和后三个截面采集到的长标距弯曲应变做组内二阶差分，得到两组长标距应变曲率曲线；具体的，将通过传感器序列i中传感器1-4得到的长标距应变相应S1-S4，分为S1-S3和S2-S4两组，并按l12×S3+l23×S1-(l12+l23)×S2和l23×S4+l34×S2-(l23+l34)×S2进行二阶差分，得到两组长标距应变曲率曲线Q1，Q2；
S4：对两条长标距应变曲率曲线上相应的峰值出现时刻进行统计，用传感器距离除以相对应峰值时间差得到车辆速度；具体步骤为：
S4.1：统计长标距应变曲率曲线Q1与Q2上峰值出现时刻t11,t12,…,t1N与t21,t22,…,t2N，其中N为车辆总轴数；
S4.2：通过得到的两组峰值时刻，车辆车速v由下式确定：
Figure FDA0002654474770000011
S5：对每条长标距应变曲率曲线上的峰值相对间距时间进行统计，乘以步骤得到的车辆速度得到车辆轴距，具体由下式确定：
Figure FDA0002654474770000012
其中Aij为车轴i与车轴j间的轴距；
S6：统计长标距应变曲率曲线上峰值的幅值，得到车辆轴重；具体步骤为：
S6.1：在系统运行前，先通过一已知轴重Pt的测试车辆跑过桥梁，记录相应长标距应变时程，带入步骤3)并统计相对应长标距应变曲率曲线峰值高度ht；
S6.2：统计长标距应变曲率曲线Q1与Q2上各个峰值的高度h11,h12,…,h1N与h21,h22,…,h2N；
S6.2：车辆的轴重由下式确定：
Figure FDA0002654474770000021
其中Pi为车辆第i轴轴重。
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