CN112362272A - 一种用于桥梁频率信号强化识别的测量车系统 - Google Patents

Abstract

一种用于桥梁频率信号强化识别的测量车系统，特征是，设计为：测量车系统包括两部分：测量车本身及其两个振动信号放大器，第一振动信号放大器、第二振动信号放大器；其中，振动信号放大器由竖向刚臂、柔性悬臂、刚性质量块三部分构成，形成单自由度的弹簧‑质量系统；第一振动信号放大器抑制了整个测量系统中测量车车体频率的干扰，同时第二振动信号放大器放大整个测量系统中桥梁频率幅值；如此，从根本上做到提高信噪比，提高桥梁频率指纹参数的识别效果；其中，牵引车本身作为牵引设备提供系统动力，拉动测量车系统行驶过待测桥梁，测量车产生的振动信号被固定于车厢上第二振动信号放大器的竖向加速度传感器记录，输出测量系统的测量信号。

Description

一种用于桥梁频率信号强化识别的测量车系统

技术领域

本发明属于桥梁安全检测监测领域。

背景技术

截止2019年底，我国公路桥梁已建成达87.83万座，中小跨径桥梁占比90％以上。随着服役时间的增长，受环境不利因素、日益增长的车辆荷载及超载影响，桥梁结构出现不同程度的损伤，给正常交通运行和人身安全带来极大的隐患。数据表明：目前我国在役桥梁40％服役超20年，技术等级为三、四类的带病桥梁达30％，15％的桥梁(约10万座)为危桥，平均服役时间仅为23.8年，远低于发达国家的52.5年，难以满足我国经济发展需求。对于中小跨径桥梁，由于其量大面广且维护投入相对较少，如何实现快速、经济且准确的状态评估与安全诊断是我国基础设施管理中亟待解决的关键问题。

传统的桥梁检测技术要求将传感器固定于桥梁之上，通过信号采集、数据分析提取桥梁频率、振型等指纹参数诊断桥梁健康状态，这类方法称之为直接测量法。该类方法具有监测数据海量、需封路作业影响交通、成本昂贵、效率低等问题，检测周期为6～10年，无法及时排查病害和维修加固。

最接近现有技术：

近年来，基于过桥车辆响应的桥梁间接测量方法被广泛推崇应用于桥梁检测监测中，其由发明人杨永斌院士首创。随后，成功研发了测量车系统，将传感器安装在测量车上，记录其过桥时的车体振动信号，通过数据分析识别桥梁频率、振型等指纹参数，进而判断桥梁健康状态。该方法无需封路和驻足作业，可实现对群桥的连续快速测试，具有快速、经济、易于操作、机动性强等特点，受到世界各地学者的青睐，有望实现对中小跨径桥梁健康状态的快速测试与安全诊断。

然而，由于间接测量方法要求传感器固定于车辆之上，测试信号中势必包含车体频率，干扰桥梁频率等信息的识别。同时，由于路面不平顺的存在，行驶车辆响应中不可避免包含诸多干扰，亦会影响桥梁频率等模态参数的识别。如何有效降低车体本身和路面不平顺的干扰影响，提高测量车振动信号中桥梁频率响应成分占比是保障桥梁间接测量法有效性和灵敏度的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，给出一种用于桥梁频率强化识别的测量车信号调节机构和调节方法，用于改良现有测量车系统：在现有测量车上附加两套简易信号放大器并构建调节系统，可有效降低车体频率的干扰的同时又放大桥梁频率幅值，进而提高桥梁频率等指纹参数的识别效果，提高信噪比，最终强化桥梁间接测量法的功效。

进一步的，给出桥梁健康监测应用。

振动信号放大器单体，其设计思想：将振动信号放大器、测量车、桥梁三者形成耦 合系统，放大器参数可被调节以改变放大器自振频率：当放大器频率调谐至接近或者等于测量车频率时，测量车过桥振动引起的放大器惯性力恰与测量车振动方向相反，能够抑制测量车振动信号中的车体频率分量响应，进而增大测量车信号中桥梁频率相对于车体频率的幅值差，提高信噪比，有利于桥梁频率的识别；当放大器频率调谐至接近或者等于桥梁频率时，由桥梁振动传递至测量车再传递至放大器中的桥梁频率分量响应会由于“共振”原理而被放大，亦能提高信噪比，有利于强化桥梁频率的识别。

本发明系统设计思想：基于上述振动信号放大器单体，通过改装测量车，同时安装两套振动信号放大器单体，一方面抑制测量车自身车体频率的干扰，同时另一方面又放大桥梁频率幅值，进而从根本上做到提高信噪比，提高桥梁频率等指纹参数的识别效果。

一种用于桥梁频率信号强化识别的测量车系统，特征是，设计为：

测量车系统主要包括两部分：测量车本身及其两个振动信号放大器，第一振动信号放大器、第二振动信号放大器；测量车本身可设计为单轴双轮，亦可双轴四轮等，车厢为刚性块，用于固定“振动信号放大器”装置；

其中，振动信号放大器由竖向刚臂、柔性悬臂、刚性质量块三部分构成，形成单自由度的弹簧-质量系统；

所述竖向刚臂的底端固定于测量车轮轴的正上方，确保仅使测量车的竖向振动信号向上传递至放大器；

所述柔性悬臂可设计为细长梁或薄板，由轻质柔性材料制造而成，截面属性沿纵向保持不变，即悬臂的挠曲刚度E_aI_a沿长度方向为常数；柔性悬臂的内侧端通过机械措施与竖向刚臂的上端形成固结约束；

悬臂的外侧端固定集中质量刚性块，可由铁质材料制成，其质量记为m_a；竖向刚臂与柔性悬臂固结点至悬臂外端质量块位置为柔性悬臂的有效长度，记为l_a，其可根据测试需求通过机械措施进行调整；

在第二振动信号放大器中，还包括竖向加速度传感器，加速度传感器固定于刚性质量块之上，用于记录第二放大器的振动信号；

第一振动信号放大器抑制了整个测量系统中测量车车体频率的干扰，同时第二振动信号放大器放大整个测量系统中桥梁频率幅值；如此，从根本上做到提高信噪比，提高桥梁频率指纹参数的识别效果；

其中，牵引车本身作为牵引设备提供系统动力，拉动测量车系统行驶过待测桥梁，测量车产生的振动信号被固定于车厢上第二振动信号放大器的竖向加速度传感器记录，输出测量系统的测量信号。

本申请“测量车振动信号放大器”更像是“信号调节器”，一方面具有抑制作用，另一方面具有放大作用，最终识别效果的“放大”，所以本申请将“信号调节器”又称之谓“振动信号放大器”。

附图说明

图1实施例1给出的测量车振动信号放大器设计概念及场景图

图2实施例1振动信号放大器的测量车系统三维示意图

图3振动信号放大器装置构造示意图

图4基于本发明的简化力学模型：测量车-振动放大器-桥梁系统

图5基于实施例1的振动信号放大器相对于测量车的频率响应函数

图6基于本发明实施例1：当ω_a＝ω_v时的测量车加速度信号频谱图

图7基于本发明实施例1：当ω_a＝1.2ω_b2时的放大器加速度信号频谱图

图8本发明实施例1：当ω_a＝1.2ω_b3时的放大器加速度信号频谱图

图9实施例2同时设置两个信号放大器时的测量车系统结构示意图

图10基于本发明实施例2：同时设置ω_a＝ω_v和ω_a＝1.2ω_b2两个信号放大器时的放大器加速度信号频谱图

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

实施例1

本发明技术方案中“振动信号放大器”单体，也可命名为“车用测量识别信号调节机构”。

为实现本发明技术方案目的，本发明通过一个设计案例给出了测量车振动信号放大器的设计思路。需说明的是，测量车振动信号放大器的设计方案有多种多样，凡是采用本发明原理或核心思想的均视为本发明保护对象。

如图1所示，识别信号调节机构包括竖向刚臂、柔性悬臂、刚性质量块，其中：

所述竖向刚臂作为支架和传递信号用，支持于上部构件，其底端固定于测量车轮轴的正上方，确保仅感应和传递测量车的竖向振动信号；

所述柔性悬臂为弹性杆件，一端为固定点，用于连接竖向刚臂上部，其另一端为自由端，用于连接刚性质量块；

刚性质量块之上可以固定加速度传感器，用于记录刚性质量块的竖向振动加速度信号。

本申请机构设计成单自由度的弹簧-质量系统，应用于测量信号识别系统作为振动信号放大器。所述柔性悬臂，其两个连接端点之间的距离决定竖向振动信号放大的程度，以此通过改变距离以调整放大器调节参数。如果调节距离使得本申请弹簧-质量系统的固有频率接近测量车固有的频率，则其抵消(抑制)测量信号识别系统中测量车自身振动引起的“噪音”信号。如果调节距离使得本申请弹簧-质量系统的固有频率接近桥梁的固有(模态)频率，因“共振”最大化放大和感应到桥梁信号幅值部分，强化对桥梁频率的识别。

应用时，在现有测量车上附加一上述车用测量识别信号调节机构，将之视为简易信号放大器并构建调节系统，可有效降低车体振动信号频率的干扰，或者放大了桥梁频率幅值，进而提高桥梁频率等指纹参数的识别效果，最终强化桥梁间接测量法的功效。

如图2、图3所示，给出了“振动信号放大器”单体具体实施例。

柔性悬臂2上设置的齿条5用于与竖向刚臂上部设置的齿轮7咬合，所述齿轮7的齿轮中心轴8与外部的旋转控制钮6同轴，外部设置有圆形刻度盘9用于记载和识读齿轮中心轴8的旋转方向和角度，方便使用者精细操作。

本实施例柔性悬臂可设计为细长梁或薄板，由轻质柔性材料制造而成，截面属性沿纵向保持不变，即悬臂的挠曲刚度E_aI_a沿长度方向为常数；柔性悬臂的内侧端通过竖向刚臂1、齿条5、齿轮7、齿轮中心轴8等组成的机构形成固结约束；悬臂的外侧自由端固定集中质量刚性块，可由铁质材料制成，其质量记为m_a；竖向刚臂与柔性悬臂固结点至悬臂外端质量块位置为柔性悬臂的有效长度，记为l_a，其可根据测试需求通过本实施例机械措施进行调整；刚性块处安装竖向加速度传感器，用于记录放大器的振动信号。

竖向刚臂1的底端通过螺栓10固定于测量车轮轴正上方的车厢，以使仅测量车的竖向振动信号向上传递至放大器。

举例而非限制，图3本实施例给出了通过齿轮机构实现调节有效长度：

齿轮机构由齿条5、齿轮7和旋转控制钮6三部分构成；齿条的下底面与所述与柔性悬臂的上表面紧密贴合；竖向刚臂上端内开圆柱形孔，孔直径略大于齿轮最大外围直径d，孔深度略大于齿轮厚度，使齿轮恰好嵌入刚臂上端圆柱形孔中；齿轮通过齿轮中心轴8固定于竖向刚臂圆柱形孔内，使其仅能绕轴转动，中心轴外端套一圆形刻度盘9，刻度盘沿圆周等分60份，每一刻度代表πd/60；中心轴外端连接旋转控制钮，通过旋转控制钮调整柔性悬臂的有效长度。

以下将分别通过理论推导和数值算例证明本发明振动信号放大器单体的有效性。

理论验证：以下将通过推导测量车和放大器单体的振动响应解析解表达式揭示放 大器的作用机理，进一步阐明放大器的功效。

测量车-放大器组成的测量车系统可简化为如图4所示的单自由度弹簧质量模型。桥梁简化表示为欧拉-伯努利简支梁模型，EI表示桥梁的竖向挠曲刚度,

表示桥梁的单位长度质量，u表示桥梁的竖向位移响应；

测量车模型的物理量：y_v表示测量车的竖向位移响应，u_c表示测量车车轮与桥梁路面接触点的竖向位移，m_v表示测量车的质量，k_v表示测量车的弹簧刚度，v表示车体的运行速度；

放大器模型的物理量：y_a表示放大器的竖向位移响应(图3(a)中刚性质量块3及其传感器4测试的振动位移)，m_a表示放大器的集中质量(图3(a)中的刚性块质量)，k_a为放大器的竖向弹簧刚度，可根据柔性悬臂参数计算得到：

k_a亦可通过力-位移挠度试验测试获得或标定。

放大器的竖向振动方程可表示为：

由于放大器刚性块的质量m_a远小于测量车本身质量m_v，即m_a＜＜m_v，为获得系统响应解析解表达式，此处暂忽略放大器施加于测量车上的惯性力和重力，因此测量车本身的竖向振动方程可近似表示为：

基于欧拉-伯努利原理可得简支梁桥的竖向振动微分方程，即

式中，g为重力加速度，δ为迪克拉函数。

利用振型叠加法和伽辽金法，可推导得到桥梁的竖向位移响应u(x,t)的解析表达式：

式中，

桥梁频率，其它参数表示为

令式(5)中的x＝vt，并代入式(3)可得车体位移响应y_v(t)，进一步对时间t进行两次求导可得车体加速度响应

的解析表达式：

式中，

为车体频率，ω_bln＝ω_bn-Ω_n为桥梁左移频率，ω_brn＝ω_bn+Ω_n为桥梁右移频率，其它参数的表达式为：

将车体响应y_v(t)代入式(2)可求得放大器位移响应y_a(t)，进一步对时间t进行两次求导可得放大器的加速度响应

式中，

为放大器频率，B_an的表达式为

B_an＝-1-A_vnB_vn+A_dnB_dn+A_blnB_bln-A_brnB_brn, (10)

上式中的参数B_vn,B_dn,B_bln,B_brn具有相同的表达形式，即

式中β_i表示各频率(车体频率、桥梁左移频率和桥梁右移频率)与放大器频率ω_a的比值，分别表示为β_v＝ω_v/ω_a,β_bln＝ω_bln/ω_a，β_bln＝ω_brn/ω_a。

对比式(7)和式(9)可得放大器与测量车之间各频率响应成分(车体频率、桥梁左移频率、桥梁右移频率)的响应传递关系或频率响应函数，即

图5展示了频率响应函数值与频率比β_i的关系图。当频率比

时，频率响应函数值大于1，意味着放大器中的频率响应(幅值)大于测量车中的频率响应(幅值)，即放大器对测量车振动信号具有放大作用；同时发现，当β_i＝1时，频率响应函数值趋于无穷大，即出现共振现象，其包含三方面意思：

(1)当放大器频率ω_a调谐至接近桥梁频率ω_bn时，放大器中的桥梁频率幅值会被放大，有利于桥梁频率的识别；

(2)当放大器频率ω_a调谐至等于车体频率ω_v时，车体响应中的车体频率幅值会被抑制，亦有利于桥梁频率的识别；

(3)当同时设置两个信号放大器，其一调谐至接近桥梁频率，另一调谐至等于车体频率，二者可协同作用，既能削减车体频率这一干扰因素，又能增强桥梁频率幅值，确保获得更优的桥梁频率识别效果。

由以上理论推导与分析可得：本发明设计的测量车振动信号放大器具备增大桥梁频率响应，或者抑制车体频率响应的功能，进而极大增强桥梁频率的识别效果。

以下将采用有限元方法，模拟测量车-放大器测试系统驶过真实桥梁，同时考虑路 面不平顺和牵引车的影响，进一步验证本发明实施例振动信号放大器的有效性。由上可知，信号放大器的频率可根据测试需求通过改变柔性悬臂长度进行调节，进而改变车体与放大器频率比β_v或桥梁与放大器频率比β_bn。

首先，将放大器频率ω_a调谐至测量车频率ω_v，即ω_a＝ω_v。图6表示为测量车加速度信号的频谱图，图6中“SC”表示柔性悬臂，即考虑放大器的作用，“RC”表示刚性悬臂，即不考虑放大器的作用。对比两条数据线可发现：当考虑放大器作用时(ω_a＝ω_v)，车体频率幅值被大幅削减，使得桥梁频率与车体频率的幅值差值增大，增强桥梁频率的可辨识度，进而提高桥梁频率的识别效果。

然后，将放大器频率ω_a调谐至接近桥梁第2阶频率ω_b2，此时取ω_a＝1.2ω_b2。放大器加速度信号的频谱图见图7。对比两条数据线可发现：当考虑放大器作用时(ω_a＝1.2ω_b2)，桥梁第2阶频率ω_b2的幅值大幅增大，增强了ω_b2的辨识度，进而提高了桥梁第2阶频率ω_b2的识别效果。

如图8所示，进一步，将放大器频率ω_a调谐至接近桥梁第3阶频率ω_b3，此时取ω_a＝1.2ω_b3。放大器加速度信号的频谱图见图8。对比两条数据线可发现：当考虑放大器作用时(ω_a＝1.2ω_b3)，桥梁第3阶频率ω_b3的幅值同样明显增大，增强了ω_b3的辨识度，进而提高了桥梁第3阶频率ω_b3的识别效果。

由上述数值结果及分析同样证明：本发明设计的测量车振动信号放大器具备增大 桥梁频率响应，抑制车体频率响应的功能，进而极大增强桥梁频率的识别效果。

实施例2

基于实施例1给出的车用测量识别信号调节机构，本实施例进一步公开一种用于桥梁频率强化识别的测量车系统，应用于监测桥梁健康。

本实施例为优选的推荐实施例。

如图9，设计有车用测量识别信号调节机构，两套，同时固定安装于测量车。

一种用于桥梁频率信号强化识别的测量车系统，作为实施例整个测量系统可以由三大部分组成：测量车、牵引车、两个振动信号放大器单体。

本发明思想将两个振动信号放大器、测量车、桥梁三者形成耦合测量系统。

其中，牵引车提供系统动力，拉动测量车行驶过待测桥梁；这部分不是本发明创新方案关键的组成部分，可以将之合并视为测量车的组成部分。

其中，测量车本身可设计为单轴双轮，亦可双轴四轮等，车厢为刚性块，用于固定两个“振动信号放大器”单体装置；测量车本身为整个测量系统的组成部分，运行中它本身不可避免存在振动，由此形成了测量系统中不可忽视的振动噪源；抑制测量车体引起的频率噪源必然大大提高测量系统的信噪比。

其中，桥梁作为被测对象，显化桥梁在测量信号中的分量和幅值差，也必然大大提高测量系统的信噪比。

其中，振动信号放大器单体结构和调节机制相同于实施例1公开的车用测量识别信号调节机构结构，即由竖向刚臂、柔性悬臂、刚性质量块三部分构成，形成单自由度的弹簧-质量系统；所述竖向刚臂的底端固定于测量车轮轴的正上方，确保仅使测量车的竖向振动信号向上传递至放大器；所述柔性悬臂可设计为细长梁或薄板，由轻质柔性材料制造而成，截面属性沿纵向保持不变，即悬臂的挠曲刚度E_aI_a沿长度方向为常数；柔性悬臂的内侧端通过机械措施与竖向刚臂的上端形成固结约束；悬臂的外侧端固定集中质量刚性块，可由铁质材料制成，其质量记为m_a；竖向刚臂与柔性悬臂固结点至悬臂外端质量块位置为柔性悬臂的有效长度，记为l_a，其可根据测试需求通过机械措施进行调整；

其中，所述两个振动信号放大器，为第一振动信号放大器、第二振动信号放大器，放大器参数可被调节以改变放大器自振频率：将第一放大器频率调谐至接近或者等于测量车频率时，测量车过桥振动引起的放大器惯性力恰与测量车振动方向相反，能够抑制测量车振动信号中的车体频率分量响应，进而增大测量车信号中桥梁频率相对于车体频率的幅值差，提高信噪比，有利于桥梁频率的识别；将第二放大器频率调谐至接近或者等于桥梁频率时，由桥梁振动传递至测量车再传递至放大器中的桥梁频率分量响应会由于“共振”原理而被放大，亦能提高信噪比，有利于强化桥梁频率的识别。第二振动信号放大器中刚性质量块上的加速度传感器所记录的整个测试系统的振动信号即为本测量系统输出的桥梁频率信号数据。相比于已有的技术，显著增强桥梁频率的识别效果，信噪比极高。

每个车用测量识别信号调节机构，通过调整其放大器参数以实现调谐放大器自振频率。作为实施例，调节手段可以参见实施例1。

以下仿真模拟同时设置两个信号放大器时的桥梁频率协同识别效果。其中，第一放大器频率调谐至等于车体频率，即ω_a＝ω_v，另一调谐至接近桥梁频率，取ω_a＝1.2ω_b2。

图10给出了同时设置两个信号放大器ω_a＝ω_v和ω_a＝1.2ω_b2时的放大器加速度信号频谱图。从图中可以看到，两个放大器可以协同作用，既大幅削减了车体频率ω_v这一干扰因素，同时又显著增强了桥梁第二阶频率ω_b2。两个放大器的协同作用效果更明显，更 显著增强了桥梁频率的辨识度。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.一种用于桥梁频率信号强化识别的测量车系统，特征是，设计为：

测量车系统包括两部分：测量车本身及其两个振动信号放大器，第一振动信号放大器、第二振动信号放大器；测量车本身可设计为单轴双轮，亦可双轴四轮，车厢为刚性块，用于固定“振动信号放大器”装置；

其中，振动信号放大器由竖向刚臂、柔性悬臂、刚性质量块三部分构成，形成单自由度的弹簧-质量系统；

所述竖向刚臂的底端固定于测量车轮轴的正上方，确保仅使测量车的竖向振动信号向上传递至放大器；

所述柔性悬臂可设计为细长梁或薄板，由轻质柔性材料制造而成，截面属性沿纵向保持不变，即悬臂的挠曲刚度E_aI_a沿长度方向为常数；柔性悬臂的内侧端通过机械措施与竖向刚臂的上端形成固结约束；

悬臂的外侧端固定集中质量刚性块，可由铁质材料制成，其质量记为m_a；竖向刚臂与柔性悬臂固结点至悬臂外端质量块位置为柔性悬臂的有效长度，记为l_a，其可根据测试需求通过机械措施进行调整；

在第二振动信号放大器中，还包括竖向加速度传感器，加速度传感器固定于刚性质量块之上，用于记录第二放大器的振动信号；

第一振动信号放大器抑制了整个测量系统中测量车车体频率的干扰，同时第二振动信号放大器放大整个测量系统中桥梁频率幅值；如此，从根本上做到提高信噪比，提高桥梁频率指纹参数的识别效果；

其中，牵引车本身作为牵引设备提供系统动力，拉动测量车系统行驶过待测桥梁，测量车产生的振动信号被固定于车厢上第二振动信号放大器的竖向加速度传感器记录，输出测量系统的测量信号。

Images