CN109780989A - 基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统，该系统包括冲刷传感石块、直线滑台、单轴磁传感器、无线控制系统及数据处理系统。冲刷传感石块用于设置于河床上。直线滑台用于设置于桥墩上，直线滑台上的滑块能够在竖直方向上移动。单轴磁传感器设置于直线滑台的滑块上。无线控制系统与单轴磁传感器电连接，数据处理系统与无线控制系统电连接。本发明还公开了一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测方法，利用上述系统，能够解决复杂水环境下桥梁冲刷监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷监测，不影响交通，且具有操作简单、性能稳定等突出优点。

Description

基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统及监测方法。

背景技术

桥梁冲刷的机理十分复杂，随着水文现象的变化，其对桥梁的破坏呈现突发性和偶然性，极易造成危及生命财产的破坏，桥梁服役期间的冲刷分析需要依靠测试手段，但目前还没有可靠的在线冲刷监测方法。磁测技术具有隐蔽性好、适应性强、不易受干扰等优点，目前逐渐应用到水下目标定位与导航、金属物探、水域探测、城市工程物探、考古及军事物探等方面。磁场梯度定位技术作为一种可穿透岩石、土体、淤泥和水流的非接触式监测技术，具有布设方便、测量简便、可在桥梁工程运营的同时进行监测、不影响交通等优点，是一项具有巨大前景的测试技术。

由于磁场梯度信号无法直接测量，通常采用差分的方式代替微分，即二个磁传感器的磁感应强度的差分。差分代替微分的前提条件是2个传感器之间的基线(基线，即2个磁传感器中心之间的距离)无限趋近于0，但是实际测量中，基线无法无限趋近于0，因此基线距离带来的系统误差无法完全消除。另外，磁传感器本身的测量误差及测量精度等都会对磁场梯度的测量带来误差，该测量误差会随着基线改变而被放大或缩小。如果被探测的磁性体的磁矩一定，那么对于近距离定位测量，基线越小，测距误差越小；而对于远距离定位测量，基线越小，测距误差越大。显然，对于磁矩一定的磁性体，当探测距离一定时，磁场梯度测量存在一个最优的基线。而桥墩冲刷过程中，探测距离是变化的，因此最优基线应是变动的。因此传统的磁场梯度定位技术应用于桥梁冲刷监测，监测得到的结果不可靠。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统及监测方法，以解决复杂水环境下桥梁充数监测和预警问题。

一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统，包括：

冲刷传感石块，用于设置于河床上；

直线滑台，用于设置于桥墩上，所述直线滑台上的滑块能够在竖直方向上移动；

单轴磁传感器，设置于所述直线滑台的滑块上；

无线控制系统，与所述单轴磁传感器电连接；及

数据处理系统，与所述无线控制系统电连接。

在其中一个实施例中，所述冲刷传感石块包括由内至外依次设置的永磁体、万向支架、隔震层、防渗层和混泥土外壳。

在其中一个实施例中，所述单轴磁传感器包括单轴磁力计、微处理器、无线通信模块和外壳，所述单轴磁力计、所述微处理器及所述无线通信模块均设置于所述外壳内，所述电源与所述单轴磁力计电连接，所述微处理器与所述单轴磁力计电连接，所述无线通信模块与所述微处理器电连接。

在其中一个实施例中，所述桥墩上选择参考点，所述直线滑台布置在所述参考点处，且所述直线滑台的有效行程的中心位于该参考点。

一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测方法，包括如下步骤：

设定单轴磁传感器在直线滑台的有效行程内扫描10次，每次完整地从一端扫描到有效行程的另外一端，则每1次均采样1001次，由于有效行程为1m，采样标距为0.001m，每次扫描的采样次数为1001次；

第i次扫描时，第j个采样点处测量的竖直方向的磁感应强度为B_i,j，磁感应强度单位取nT；

其中，i为扫描次数，1≤i≤10，j为每次扫描对应的采样点次序，1≤j≤1001，有效行程最底部为j＝1，有效行程最顶部为j＝1001；

以直线滑台有效行程的中心为原点o，也就是参考点，得到500个不同尺寸的基线，则第1个基线的尺寸L₁＝0.002，第k个基线的尺寸为L_k＝0.002k，第500个基线的尺寸为L₅₀₀＝1.000，1≤k≤500，则最小尺寸的基线为0.002m，最大尺寸的基线为1.000m；

对于第k个基线，冲刷传感石块在参考点处竖直方向的磁感应强度分别为B_i，501-k，B_i，501+k；

对于第k个基线，得到10个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度，其中，第i个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度B′_ik为：

其中，B′_ik单位为nT/m；

对于第k个基线，计算10个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度的平均值μ_k和均方差δ_k分别为：

对于500个基线，得到500个平均值μ_k和500个均方差δ_k，均方差δ_k最小值对应的基线即为最优基线L，此基线对应的平均值μ_k即为冲刷传感石块在参考点处竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度最优取值B′；

冲刷传感石块至参考点的距离r可表示为：

式中，m为冲刷传感石块的磁矩，单位为A.m²，在桥墩前侧抛掷冲刷传感石块前测定其磁矩，r为冲刷传感石块至参考点的距离，单位为m；

冲刷传感石块至桥面的竖向垂直距离d为

d＝s+r₁＝s+rcosθ (5)

式中，d、s和r₁单位为m，s为参考点至桥面的距离，r₁为冲刷传感器石块所在水平面至参考点的垂直距离，θ为冲刷传感石块至参考点之间的直线与铅垂线的夹角；

由于冲刷传感石块至参考点的距离较远但冲刷传感石块距离桥墩较近，θ趋近于0度，近似认为冲刷传感器石块所在水平面至参考点的垂直距离r₁也为r，式(5)近似为

d≈s+rcos0＝s+r (6)

再根据式(1)-式(4)计算任意时刻冲刷传感石块至参考点之间的距离r，再根据任意时刻参考点至桥面的距离s，由式(6)得到根据任意时刻冲刷传感石块至桥面的竖向距离d的变化，也就是冲刷深度的变化，进行桥墩冲刷预警。

上述基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统及监测方法，单轴磁传感器在参考点处的直线滑台上移动并采样测得冲刷传感器石块激发的磁场，通过直线滑台的移动，单轴磁传感器采样，得到单轴磁传感器的不同尺寸的基线，计算磁场梯度的最优基线，测得冲刷传感石块在参考点处的磁场梯度。根据磁场梯度计算冲刷传感石块至参考点处的距离，再结合参考点至桥面的距离，得到任意时刻冲刷传感石块至桥面的距离，与冲刷传感石块至桥面的初始距离比较，得到桥墩的冲刷深度。与极限冲刷深度对比，进行桥墩冲刷的安全预警，解决复杂水环境下桥梁冲刷监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷监测，不影响交通，且具有操作简单、性能稳定等突出优点。

附图说明

图1为一实施方式中基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统的结构示意图；

图2为图1中冲刷传感石块的结构示意图；

图3为图1中单轴磁传感器的结构示意图；

图4为直线滑台、冲刷传感石块及桥面的几何位置图；

图5为直线滑台、单轴磁传感器的采样点和基线的几何位置图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统，包括冲刷传感石块3、直线滑台4、单轴磁传感器5、无线控制系统6及数据处理系统7。

请一并参阅图2，冲刷传感石块3用来发射磁场，冲刷传感石块3的数量为一个，设置于桥墩1前侧的河床2上。具体地，冲刷传感石块3包括永磁体14、万向支架15、隔震层16、防渗层17和混泥土外壳18，永磁体14、万向支架15、隔震层16、防渗层17和混泥土外壳18由内至外依次设置。其中，永磁体14为汝铁硼永磁体，隔震层16为高阻尼橡胶隔震层，混泥土外壳18为高耐久轻质混泥土外壳。关于永磁体14与万向支架15的几个关系及配置，见文献(江胜华，武立群，侯建国，何英明。基于磁性标签石块的桥墩局部冲刷监测方法，重庆大学学报，2016，39(1)：88-97)。

在桥墩1距离水面2米处，选取一个参考点，考虑到水位变化，不同时间的参考点设置位置不同，记录参考点至桥面8的距离。直线滑台4设置于桥墩1上，且在参考点处布置，直线滑台4沿着竖直方向布置，直线滑台4上的滑块在竖直方向上移动。具体地，直线滑台4为高速直线滑台4，直线滑台4的有效行程为1m，直线滑台4的有效行程的中心位于参考点处。

请一并参阅图3，单轴磁传感器5设置于直线滑台4的滑块上，单轴磁传感器5在直线滑台4上移动。由于直线滑台4上沿着竖直方向布置，单轴磁传感器5在竖直方向上移动。具体地，单轴磁传感器5为高精度单轴磁传感器5，单轴磁传感器5包括单轴磁力计9、微处理器10、无线通信模块11、电源12和外壳13，单轴磁力计9、微处理器10及无线通信模块11均设置于外壳13内，电源12与单轴磁力计9电连接，微处理器10与单轴磁力计9电连接，无线通信模块11与微处理器10电连接。外壳13为工程塑料外壳。

单轴磁传感器5的测量方向为竖直向上，单轴磁传感器5的采样标距取0.001m。其中，单轴磁传感器5的采样标距的含义为，每二次采样之间随着滑块移动的距离，单位为m，滑台的移动速度的单位为m/s。单轴磁传感器5的采样标距的计算方式为，滑台的移动速度除以单轴磁传感器5设置的采样频率。滑台的移动速度根据滑台的性能调整设置，单轴磁传感器5设置的采样频率根据单轴磁传感器5的性能调整设置，使得采样标距取0.001m即可。

无线控制系统6与单轴磁传感器5电连接，无线控制系统6用于控制单轴磁传感器5的运行。数据处理系统7与无线控制系统6电连接，数据处理系统7用于处理无线控制系统6传输过来的数据。

请一并参阅图4及图5，本发明还提供一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测方法，为实现该监测方法，其采用上述基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统。该监测方法具体包括如下步骤：

设定单轴磁传感器5在直线滑台4的有效行程内扫描10次，每次完整地从一端扫描到有效行程的另外一端，则每1次均采样1001次，由于有效行程为1m，采样标距为0.001m，每次扫描的采样次数为1001次。

第i次扫描时，第j个采样点处测量的竖直方向的磁感应强度为B_i,j，磁感应强度单位取nT。

其中，i为扫描次数，1≤i≤10，j为每次扫描对应的采样点次序，1≤j≤1001，在有效行程最底部时j＝1，在有效行程最顶部时j＝1001。

以直线滑台4有效行程的中心为原点o，也就是参考点，得到500个不同尺寸的基线，则第1个基线的尺寸L₁＝0.002，第k个基线的尺寸为L_k＝0.002k。第500个基线的尺寸为L₅₀₀＝1.000，1≤k≤500，则最小尺寸的基线为0.002m，最大尺寸的基线为1.000m；

对于第k个基线，冲刷传感石块3在参考点处竖直方向的磁感应强度分别为B_i，501-k，B_i，501+k。

对于第k个基线，得到10个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度，其中，第i个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度B′_ik为：

式中，B′_ik单位为nT/m。

对于第k个基线，计算10个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度的平均值μ_k和均方差δ_k分别为：

对于500个基线，得到500个平均值μ_k和500个均方差δ_k，均方差δ_k最小值对应的基线即为最优基线L，此基线对应的平均值μ_k即为冲刷传感石块3在参考点处竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度最优取值B′；

冲刷传感石块3至参考点的距离r可表示为：

式中，m为冲刷传感石块3的磁矩，单位为A.m²，在桥墩1前侧抛掷冲刷传感石块3前测定其磁矩；r为冲刷传感石块3至参考点的距离，单位为m；

冲刷传感石块3至桥面8的竖向垂直距离d为

d＝s+r₁＝s+rcosθ (5)

式中，d、s和r₁单位为m，s为参考点至桥面8的距离，r₁为冲刷传感器石块所在水平面至参考点的垂直距离，θ为冲刷传感石块3至参考点之间的直线与铅垂线的夹角；

由于冲刷传感石块3至参考点的距离较远但冲刷传感石块3距离桥墩1较近，因此θ趋近于0度，近似认为冲刷传感器石块所在水平面至参考点的垂直距离r₁也为r，式(5)近似为

d≈s+rcos0＝s+r (6)

再根据式(1)-式(4)计算任意时刻冲刷传感石块3至参考点之间的距离r，再根据任意时刻参考点至桥面8的距离s，由式(6)得到根据任意时刻冲刷传感石块3至桥面8的竖向距离d的变化，也就是冲刷深度的变化，进行桥墩1冲刷预警。

显而易见，每一次冲刷监测时，由于冲刷深度改变导致参考点至冲刷传感石块3的距离不同，从而按照上述方法得到的磁场梯度测量的最优基线L是不同的。

上述基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统及监测方法，单轴磁传感器5在参考点处的直线滑台4上移动并采样测得冲刷传感器石块3激发的磁场，通过直线滑台4的移动，单轴磁传感器5采样，得到单轴磁传感器5的不同尺寸的基线，计算磁场梯度的最优基线，测得冲刷传感石块3在参考点处的磁场梯度。根据磁场梯度计算冲刷传感石块3至参考点处的距离，再结合参考点至桥面8的距离，得到任意时刻冲刷传感石块3至桥面8的距离，与冲刷传感石块3至桥面8的初始距离比较，得到桥墩1的冲刷深度。与极限冲刷深度对比，进行桥墩1冲刷的安全预警，解决复杂水环境下桥梁冲刷监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷监测，不影响交通，且具有操作简单、性能稳定等突出优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统，其特征在于，包括：

冲刷传感石块，用于设置于河床上；

直线滑台，用于设置于桥墩上，所述直线滑台上的滑块能够在竖直方向上移动；

单轴磁传感器，设置于所述直线滑台的滑块上；

无线控制系统，与所述单轴磁传感器电连接；及

数据处理系统，与所述无线控制系统电连接。

2.根据权利要求1所述的基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统，其特征在于，所述冲刷传感石块包括由内至外依次设置的永磁体、万向支架、隔震层、防渗层和混泥土外壳。

3.根据权利要求1所述的基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统，其特征在于，所述单轴磁传感器包括单轴磁力计、微处理器、无线通信模块和外壳，所述单轴磁力计、所述微处理器及所述无线通信模块均设置于所述外壳内，所述电源与所述单轴磁力计电连接，所述微处理器与所述单轴磁力计电连接，所述无线通信模块与所述微处理器电连接。

4.根据权利要求1所述的基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统，其特征在于，所述桥墩上选择参考点，所述直线滑台布置在所述参考点处，且所述直线滑台的有效行程的中心位于该参考点。

5.一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

设定单轴磁传感器在直线滑台的有效行程内扫描10次，每次完整地从一端扫描到有效行程的另外一端，则每1次均采样1001次，由于有效行程为1m，采样标距为0.001m，每次扫描的采样次数为1001次；

第i次扫描时，第j个采样点处测量的竖直方向的磁感应强度为B_i,j，磁感应强度单位取nT；

其中，i为扫描次数，1≤i≤10，j为每次扫描对应的采样点次序，1≤j≤1001，有效行程最底部为j＝1，有效行程最顶部为j＝1001；

以直线滑台有效行程的中心为原点o，也就是参考点，得到500个不同尺寸的基线，则第1个基线的尺寸L₁＝0.002，第k个基线的尺寸为L_k＝0.002k，第500个基线的尺寸为L₅₀₀＝1.000，1≤k≤500，则最小尺寸的基线为0.002m，最大尺寸的基线为1.000m；

对于第k个基线，冲刷传感石块在参考点处竖直方向的磁感应强度分别为B_i，501-k，B_i，501+k；

对于第k个基线，得到10个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度，其中，第i个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度B′_ik为：

其中，B′_ik单位为nT/m；

对于第k个基线，计算10个竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度的平均值μ_k和均方差δ_k分别为：

对于500个基线，得到500个平均值μ_k和500个均方差δ_k，均方差δ_k最小值对应的基线即为最优基线L，此基线对应的平均值μ_k即为冲刷传感石块在参考点处竖直方向的磁感应强沿着竖直方向的梯度最优取值B′；

冲刷传感石块至参考点的距离r可表示为：

式中，m为冲刷传感石块的磁矩，单位为A.m²，在桥墩前侧抛掷冲刷传感石块前测定其磁矩，r为冲刷传感石块至参考点的距离，单位为m；

冲刷传感石块至桥面的竖向垂直距离d为

d＝s+r₁＝s+rcosθ (5)

式中，d、s和r₁单位为m，s为参考点至桥面的距离，r₁为冲刷传感器石块所在水平面至参考点的垂直距离，θ为冲刷传感石块至参考点之间的直线与铅垂线的夹角；

由于冲刷传感石块至参考点的距离较远但冲刷传感石块距离桥墩较近，θ趋近于0度，近似认为冲刷传感器石块所在水平面至参考点的垂直距离r₁也为r，式(5)近似为

d≈s+rcos0＝s+r (6)

再根据式(1)-式(4)计算任意时刻冲刷传感石块至参考点之间的距离r，再根据任意时刻参考点至桥面的距离s，由式(6)得到根据任意时刻冲刷传感石块至桥面的竖向距离d的变化，也就是冲刷深度的变化，进行桥墩冲刷预警。