CN112747843A

CN112747843A - 一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法及装置

Info

Publication number: CN112747843A
Application number: CN202011372762.6A
Authority: CN
Inventors: 胡彬; 周军; 莫希伟; 段将将
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: SHENZHEN ENGINEERING PLASTIC Co.,Ltd.; Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2021-05-04

Abstract

本发明公开了一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法及装置，方法包括以下步骤：S1，在桥梁的多个桥墩上的支座布设柔性压电传感器；S2，以设定频率分别获取各柔性压电传感器的静态压力与动态压力；S3，根据静态压力计算桥墩的侧移、倾斜、扭曲及沉降，根据动态压力计算车辆通过或强风吹动情况时各桥墩振动的幅度及频率。采用柔性压电传感器来进行监测，将桥梁的动态压力与静态压力分别进行获取，从而既可以获得动态压力造成的振动数据，还可以获得静态压力造成的侧移、倾斜、扭曲及沉降数据，便于及时掌握桥梁的使用情况，降低安全隐患。

Description

一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法及装置

技术领域

本发明属于压电传感器领域，更具体地，涉及一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法及装置。

背景技术

桥梁是一种方便车辆行人快捷直线通行的建筑物，随着人们出行的需求越来越高，交通压力日益增大，为了保障交通安全，需要对桥梁进行监测。

桥梁在使用过程中，会受到车辆通行、强风天气影响产生振动，在一定情况下，车辆行人与桥梁之间还容易发生共振现象，极大地威胁交通安全，因此，往往需要对这种情况下桥梁振动的频率与幅度进行监测，获取桥梁的动态压力。这种动态压力的监测采用普通的传感器即可实现，技术较为成熟。而除此之外，桥梁在长期的使用过程中，还会随着地质变化、环境变化等等缓慢地出现侧移、倾斜、扭曲及沉降等静态压力导致的现象，这些现象在短时间内变化量十分不明显，因此难以进行监测，然而，一旦侧移、倾斜、扭曲及沉降现象超过一定阈值，非常容易出现坍塌、损毁等事故，存在严重的安全隐患。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法及装置，其目的在于解决同时监测桥梁的动态压力与静态压力的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，包括以下步骤：

S1，在桥梁的多个桥墩上的支座布设柔性压电传感器；

S2，以设定频率分别获取各柔性压电传感器的静态压力与动态压力；

S3，根据静态压力计算桥墩的侧移、倾斜、扭曲及沉降，根据动态压力计算车辆通过或强风吹动情况时各桥墩振动的幅度及频率。

通过上述技术方案，采用柔性压电传感器来进行监测，将桥梁的动态压力与静态压力分别进行获取，从而既可以获得动态压力造成的振动数据，还可以获得静态压力造成的侧移、倾斜、扭曲及沉降数据，便于及时掌握桥梁的使用情况，降低安全隐患。

本发明的另一个方面，提供了一种基于柔性压电传感器的桥梁监测装置，包括设置在桥墩的支座侧面上的柔性压电传感器，还包括与所述柔性压电传感器电性连接的动态压力信号采集模块、静态压力信号采集模块，与所述动态压力信号采集模块和所述静态压力信号采集模块电性连接的模数转换模块，与所述模数转换模块电性连接的中央处理器，与所述中央处理器电性连接的显示模块和远程通信模块。

通过本装置可以实施上述的监测方法。

附图说明

图1是本发明一种桥梁监测装置和桥梁结构的主视图；

图2是本发明中柔性压电传感器的设置示意图；

图3是本发明中受静态压力时柔性压电传感器的形变示意图；

图4是本发明中柔性压电传感器信号采集电路的原理图；

图5是本发明中实施例一的柔性压电传感器对静态压力的电容响应曲线；

图6是本发明中实施例一的柔性压电传感器对动态压力的开路电压响应曲线；

图7是本发明中实施例二的柔性压电传感器电容变化率与静态压力的关系曲线；

图8是本发明中实施例二的柔性压电传感器开路电压与动态压力的关系曲线。

图中，1—桥体；2—车辆；3—支座；4—桥墩；5—电极引线；6—柔性压电传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明提出一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，包括以下步骤：

S1，在桥梁的多个桥墩4上的支座3布设柔性压电传感器6；

S2，以设定频率分别获取各柔性压电传感器6的静态压力与动态压力；

S3，根据静态压力计算桥墩4的侧移、倾斜、扭曲及沉降，根据动态压力计算车辆2通过或强风吹动情况时各桥墩4振动的幅度及频率。

其中，静态压力是指桥梁的支座3在长期使用过程中受到的桥体1和桥墩4对其施加的压力。在桥梁长期使用过程中，由于桥体1路面上的受力不均以及桥梁材料本身的质量问题会使得桥墩4缓慢地发生的侧移、倾斜、扭曲及沉降变化，影响桥梁的健康状态。而桥墩4发生的侧移、倾斜、扭曲及沉降变化在宏观上会在桥梁的支座3上体现出受力不均的情况，因此，通过长期监测桥梁各支座3的静态压力变化，能够推算出桥梁的健康状况变化。

动态压力是指强风吹动或车辆2通过时，对桥墩4产生的振动影响，动态压力对桥梁单位时间内造成的影响较高，但总体看来影响细微。

本申请采用柔性压电传感器6，其包括有柔性压电材料层，柔性压电材料层厚度优选为20-100微米，材料为铁电性高分子材料、柔性压电驻极体材料或柔性压电复合材料的一种或多种，例如聚偏氟乙烯、多孔聚丙烯压电驻极体或锆钛酸铅与聚氨酯的复合材料等等，其中，柔性压电驻极体材料中具有孔洞结构，这些材料具有高柔韧性、高回弹性以及低质量密度的优点，使得其更容易在静态压力的作用下发生形变，从而获得静态压力下变化的电容值。而动态压力所引起的开路电压、转移电荷量或短路电流本身较易获得，由于静态压力与动态压力的测量原理、测量方法均不一样，因此可以将动态压力与静态压力分开但一同进行测量。克服了现有技术中无法同时监测动态压力与静态压力的技术难点，本申请使用柔性压电传感器6可对同一桥墩的动态压力与静态压力进行监测，极大地保障了桥梁的使用安全。

具体地，S1中，柔性压电传感器6的布设方法是平行贴装在支座3的侧面上，如图3所示，支座3受到桥体和桥墩以及车辆2通过或大风吹拂的压力为a，在平行于压力a的方向发生收缩，而在垂直于压力a的方向上发生挤压，从而对侧向贴装的柔性压电传感器6产生挤压力b，造成侧向膨胀，使得柔性压电传感器6发生形变，从而产生电信号，来感知支座3发生的形变。

具体地，S2中，柔性压电传感器6受到外界施加的静态压力时，由于静态压力累积的变化十分显著，会使柔性压电材料层厚度变化时引起的电容变化响应明显。柔性压电传感器6受到的静态压力越大时，其柔性压电材料层的厚度变化越大，电容变化越大，因此，电容变化与静态压力为正相关关系。具体地，电容变化通过有源的测量方式获得，可以向柔性压电传感器6外加设定频率和幅度的交变电压，直接测量柔性压电传感器6的电流变化，通过电流变化计算柔性压电传感器6的电容值变化，根据前述电容变化与静态压力之间的对应关系，可以实现静态压力的测量。并且，采用间断的测量方式，可以更好地配合桥梁实际监测应用的需求，并降低功耗，间断的时间优选为每隔3至6小时一次。

具体地，S2中，柔性压电传感器6受到外界施加的动态压力时，动态压力在单位时间内变化较大，灵敏度高，会使得开路电压、转移电荷量或短路电流响应明显，因此，以开路电压、转移电荷量或短路电流反映动态压力。具体地，通过无源连续测量的方式，也就是以设定的频率来实时连续测量柔性压电传感器6的开路电压、短路电流或转移电荷量，通常为1秒内采集几百或几千个点。

如图4所示，对动态压力和静态压力具体采集方式为，将柔性压电传感器6与动态压力信号采集模块和静态压力信号采集模块相连，也就是通过电极引线5以双端的方式接入，然后进行放大与滤波处理，再将放大和滤波处理过后的电信号接入至模数转换模块(ADC)，将模拟的电压信号转换为多位数字信号，随后利用中央处理器MCU的通用型输入输出接口，读取该多位数字信号，中央处理器为微型中央处理器MCU，在MCU中进一步对该数字信号做解析，并通过显示模块将最终的信号以动态波形的形式显示在监控，屏幕上，或者通过网络端口等远程通信模块发送至终端和云端。柔性压电传感器6的开路电压、转移电荷量以及短路电流对柔性压电传感器6的受力十分敏感，其具有高的响应速度和良好的动态响应，能够真实具体地反映柔性压电传感器6的实际动态压力的受力情况。柔性压电传感器6的开路电压、转移电荷量以及短路电流的幅度与其受到的动态压力幅度呈正相关。并且在一定的受力范围内，柔性压电传感器6的开路电压、转移电荷量以及短路电流的幅度与其受到的动态压力幅度呈线性关系。根据这些参数与动态压力之间的具体关系，可以实现动态压力的感知和测量，能够高保真地还原桥梁的受力情况，而采用无源连续测量的方式可以在极低功耗下实现对桥梁受力的实时监测。

S3中，动态压力可以获得各桥墩4的振动幅度及频率，振动幅度主要与S2中测量到的开路电压、短路电流或转移电荷量的参数大小有关，而由于这些参数为无源连续测量，因此，根据这些参数被采集到的频率可以获得桥墩4的振动频率，根据这些参数的大小可以对应获得桥墩4的振动幅度。静态压力则可以获得桥墩4的侧移、倾斜、扭曲及沉降数据，可以将多个柔性压电传感器6设置在桥墩4的每个支座3处，不同柔性压电传感器6在桥墩4的不同状态下测量到的静态压力不同，结合一个桥墩4中多个柔性压电传感器6的数据综合分析后可以获得桥墩4是处于侧移、倾斜、扭曲还是沉降的状态，并根据静态压力的大小来获得侧移、倾斜、扭曲及沉降的幅度。在进行静态压力和动态压力测量时，柔性压电传感器6贴装在支座3上。

实施例1

柔性压电材料层为铁电性高分子材料，选用聚偏氟乙烯(PVDF)，厚度约为30微米，将柔性压电传感器6设置在桥墩4上的支座3位置处，以每4h的间隔向柔性压电传感器6外加100kHz频率和5V幅度的交变电压，测量柔性压电传感器6的电流变化，然后通过电流变化计算出其电容变化。图5为PVDF柔性压电传感器6的电容对静态压力的响应曲线，可以看到，柔性压电传感器6在没有受到静态压力时的电容值为25.5pF，在受到静态压力时，电容值显著提高且在一定时间内稳定在27.0pF左右，因此，证明本申请的桥梁监测方法可以在一定时间内稳定地响应于桥梁的静态压力。

同时，以1000Hz的频率来实时持续测量柔性压电传感器6的开路电压。本实施例模拟提供45kPa的动态压力，其中PVDF柔性压电传感器6的开路电压对45kPa的动态压力响应曲线如图6所示，证明本申请的桥梁监测方法可以响应于桥梁的高频动态压力。

实施例2

柔性压电材料层为柔性压电驻极体材料，选用由全氟乙烯丙烯共聚物和聚二甲基硅氧烷组成的空腔式叠层材料(FEP-FDMS)，厚度约为100微米，将该柔性压电传感器6设置在桥墩4上的支座3位置处，向柔性压电传感器6外加100kHz频率和5V幅度的交变电压，通过电流变化计算出其电容变化，即获得电容变化率，电容变化率和静态压力之间的关系如图7所示，其中C₀表示没有静态压力时的电容值，△C表示受到静态压力时相对于没有静态压力时的电容值增量，当静态压力较小时，电容变化率与静态压力为非线性的正相关关系，当静态压力大到使柔性压电材料层的厚度变化超过一定限度后，增量△C不会随着静态压力的增大而增大。因此，要根据实际静态压力的大小选择拥有合适厚度的柔性压电材料层的柔性压电传感器。

同时，以1000Hz的频率来实时持续测量柔性压电传感器6的开路电压，开路电压与动态压力之间的关系如图8所示，当动态压力较小时，开路电压与动态压力为非线性的正相关关系，动态压力大到使柔性压电材料层厚度变化超过一定限度后，开路电压的变化率逐渐降低，因此，要根据实际动态压力的大小选择拥有合适厚度的柔性压电材料层的柔性压电传感器。

此外，柔性压电材料层还可以为压电陶瓷相和高分子相组成的柔性压电复合材料，具体为锆钛酸铅与聚氨酯的复合材料。

本发明还提出了一种基于柔性压电传感器的桥梁监测装置，包括贴装在桥墩的支座侧面上的柔性压电传感器6，还包括与柔性压电传感器6电性连接的动态压力信号采集模块、静态压力信号采集模块；与动态压力信号采集模块和静态压力信号采集模块电性连接的模数转换模块，例如ADC0832、ADC0809、ADC0804、ADC0808等等；与模数转换模块电性连接的中央处理器，例如89C51、87C51、8032、8052等等；与中央处理器电性连接的显示模块和远程通信模块。柔性传感器6平行贴装在支座的侧面上，使其中的柔性压电材料层平行于支座的侧面，从而可以在平行于支座受力的方向上发生收缩，在垂直于支座受力的方向上发生厚度变化。

静态压力信号采集模块用于采集静态压力，可以使用外加交变电压后的电流计采集，动态压力信号采集模块用于采集动态压力，可以直接在无源条件下直接用电流计或电压计采集，动态压力与静态压力均为电信号，模数转换模块将其转换为多位数字信号，然后传输给中央处理器处理，利用其通用型输入输出接口读取多位数字信号，并进一步对数字信号做解析，中央处理器为微型中央处理器，最后通过显示模块将解析后的数字信号以动态波形的形式显示在显示器上，或通过网络端口等远程通信模块传输至终端和云端。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在桥梁的多个桥墩上的支座布设柔性压电传感器；

2.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，所述柔性压电传感器包括柔性压电材料层，所述柔性压电材料层受静态压力影响产生厚度变化。

3.根据权利要求2所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，所述柔性压电材料层的材料为铁电性高分子材料、柔性压电驻极体材料或由压电陶瓷相和高分子相组成的柔性压电复合材料。

4.根据权利要求2所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，S2中获取柔性压电传感器的静态压力的具体方法为：测量所述柔性压电传感器的电容变化。

5.根据权利要求4所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，所述电容变化通过有源间断测量的方式获得。

6.根据权利要求5所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，向所述柔性传感器外加设定频率和幅度的交变电压，测量所述柔性传感器的电流变化，以计算所述柔性传感器的电容变化。

7.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，S2中获取柔性压电传感器的动态压力的具体方法为：测量所述柔性压电传感器的开路电压、转移电荷量或短路电流。

8.根据权利要求7所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测方法，其特征在于，以无源测量的方式测量柔性压电传感器的开路电压、短路电流或转移电荷量。

9.一种基于柔性压电传感器的桥梁监测装置，其特征在于，包括设置在桥墩的支座侧面上的柔性压电传感器，还包括与所述柔性压电传感器电性连接的动态压力信号采集模块、静态压力信号采集模块，与所述动态压力信号采集模块和所述静态压力信号采集模块电性连接的模数转换模块，与所述模数转换模块电性连接的中央处理器，与所述中央处理器电性连接的显示模块和远程通信模块。

10.根据权利要求9所述的基于柔性压电传感器的桥梁监测装置，其特征在于，所述柔性压电传感器平行设置在所述支座的侧面上，以在平行于所述支座受力的方向上发生收缩，在垂直于所述支座受力的方向上发生厚度变化。