CN113483723B - 基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法 - Google Patents

基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法 Download PDF

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CN113483723B CN202110689876.1A CN202110689876A CN113483723B CN 113483723 B CN113483723 B CN 113483723B CN 202110689876 A CN202110689876 A CN 202110689876A CN 113483723 B CN113483723 B CN 113483723B
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Abstract

本发明公开了一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，包括：以桥梁正常通行车辆的动态载荷为被动激励源作用于桥梁结构上；RS系统和待校准的SMS系统连续同步采集桥梁结构的应变数据，并按时间排序形成测量数据序列；根据RS系统和待校准的SMS系统分别采集的所述测量数据序列，计算SMS系统的瞬时测量误差、期间测量误差、基本误差；以瞬时测量误差、和/或期间测量误差、和/或基本误差为校准依据，对SMS系统进行的计量性能进行在线评测。本发明以桥梁正常通行时的车辆动态荷载为激励条件，通过应变监测系统与参考测量系统对结构响应参量的同步测量建立校准链，并基于大样本数据的计量特性分析模型实现了在线校准特性的量化表征。

Description

基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法
技术领域
本发明涉及桥梁安全监测技术领域，具体涉及一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法。
背景技术
应变监测是桥梁、大坝、高层建筑等结构健康监测的重要任务。应变传感系统的计量性能是结构监测数据准确性的重要保障，也是结构监测系统发挥其损伤检测、性能评估、安全预警、寿命预测等作用的基本前提。
应变监测的常用传感器包括光纤光栅式应变计、电阻式应变计、振弦式应变计等。其共性原理是通过结构变形的传导作用，将结构应变测量转化为对传感元件自身应变的测量问题，然后利用传感元件的长度变化与特定物理参量(如光波长、电阻、固有频率等)的耦合关系，实现应变的间接测量。
应变测量的原理决定了监测结果的可靠性不仅取决于传感器自身的计量性能，也与传感器的固定、张拉状态密切相关。为满足桥梁结构全寿命周期内应变状态参量连续获取的需要，传感器在其服役期内，既要开展溯源性校准，又不能任意改变其安装状态。因此，在役结构应变监测系统必然面临野外环境、持续监测和被动激励条件下的在线校准问题。
在传感系统校准方法领域，国内外近20年来开展了广泛的研究，已形成一定的范式。其基本思路是：在特定激励源作用下，通过一种测量方法与另一种测量方法的同步测量比较来建立溯源链。气浮质量法(Levitation Mass Method,LMM)是一种经典的力传感器校准方法。该方法通过特定激励源驱动标准质量块运动产生惯性力，由被校准传感器测量输出力值；同时，通过运动测量系统测量标准质量块的加速度，依牛顿第二定律测算标准力值；通过传感器的输出和标准力值的同步比较实现力传感器的动态校准。此方法中驱动标准质量块运动的激励源主要有冲击激励、振荡激励、台阶激励三种。德国联邦物理技术研究院(PTB)、美国国家标准技术研究院(NIST)等研究机构均通过类似方法实现了力传感系统的动态校准。LMM方法在实施过程中不影响被校准系统的连续正常工作，与在线校准的实际需求是一致的，但对激励源和测量系统的工作条件要求苛刻，无法满足现场在线校准的要求。
外部激励条件下的数据分析是桥梁结构状态评估的重要技术手段。桥梁荷载试验采用载重车辆对桥梁进行动态或静态加载，同时监测桥梁结构响应以实现结构损伤探测、性能评估、承载力分析等。基于结构振动监测的运行模态分析(Operational ModalAnalysis，OMA)方法，通过综合环境激励下桥梁结构的响应数据进行结构模态分析，可在无需中断交通的条件下进行桥梁状态评估。目前，在针对大型桥梁的结构性能研究中，以车辆荷载、环境振动等作为激励条件，仍是最为便捷可行的试验模式。但由于车辆荷载和环境条件的不可控性，以此类被动激励为基础的在线校准，将面临理论模型和实施方案的多重挑战。
发明内容
本发明针对桥梁结构应变监测系统全天时工作状态下的在线校准问题，从不阻断正常交通的便捷性原则出发，提出了一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法。该方法以桥梁正常通行时的车辆动态荷载为激励条件，通过应变监测系统与参考测量系统对结构响应参量的同步测量建立校准链，并基于大样本数据的计量特性分析模型实现了在线校准特性的量化表征。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，步骤包括：
1)以桥梁正常通行车辆的动态载荷为被动激励源作用于桥梁结构上；
2)RS系统和待校准的SMS系统连续同步采集桥梁结构的应变数据，并按时间排序形成测量数据序列；
3)根据所述RS系统和待校准的所述SMS系统分别采集的所述测量数据序列，计算所述SMS系统的瞬时测量误差、期间测量误差、基本误差；
4)以所述瞬时测量误差、和/或所述期间测量误差、和/或所述基本误差为校准依据，对所述SMS系统进行在线校准。
优选地，所述步骤3)中，通过以下公式(1)计算所述SMS系统的所述瞬时测量误差：
ΔdS，i＝ΔdR，i+ΔdS-R，i-Δdsp，i-Δdtm，i 公式(1)
公式(1)中，ΔdS，i表示所述SMS系统在第i测量时刻对桥梁结构应变测量的所述瞬时测量误差；
ΔdR，i表示所述RS系统在所述第i测量时刻的对桥梁结构应变测量的测量示值误差；
ΔdS-R，i表示所述SMS系统与所述RS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变测量的测量示值之差；
Δdsp，i表示所述SMS系统与所述RS系统在桥梁上安装位置处的桥梁结构真实应变量值之差；
Δdtm，i表示所述SMS系统与所述RS系统的测量时间差异的补偿值。
优选地，ΔdR，i通过以下公式(2)计算而得：
Figure BDA0003125775670000031
公式(2)中，
Figure BDA0003125775670000032
表示当所述第i测量时刻的真实测量时刻为第i″测量时刻时的所述RS系统在所述第i″测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值；
qi″表示在所述第i″测量时刻RS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值；
Figure BDA0003125775670000033
表示所述RS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值；
qi表示在所述第i测量时刻所述RS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值；
qt，i表示所述RS系统的测量时间差异对桥梁结构应变测量结果准确性的影响量。
优选地，ΔdS-R，i通过以下公式(3)计算而得：
Figure BDA0003125775670000034
公式(3)中，
Figure BDA0003125775670000035
表示所述SMS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值；
Figure BDA0003125775670000036
表示所述RS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值。
优选地，Δdsp，i通过以下公式(4)计算而得：
Δdsp，i＝pi-qi 公式(4)
公式(4)中，pi表示在所述第i测量时刻所述SMS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值；
qi表示在所述第i测量时刻所述RS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值。
优选地，Δdtm，i通过以下公式(5)计算而得：
Δdtm，i＝pt，i-qt，i 公式(5)
公式(5)中，pt，i表示所述SMS系统的测量时间差异对桥梁结构应变测量结果准确性的影响量；
qt，i表示所述RS系统的测量时间差异对桥梁结构应变测量结果准确性的影响量。
优选地，通过以下公式(6)计算所述SMS系统的所述期间测量误差：
ΔdS＝ΔdS-R+ΔdR-Δdsp-Δdtm-ΔdT+δE 公式(6)
公式(6)中，ΔdS表示在线校准期间所述SMS系统对桥梁结构应变测量的所述期间测量误差；
ΔdS-R表示在线校准期间所述SMS系统与所述RS系统对桥梁结构应变测量的测量示值之差；
ΔdR表示在线校准期间所述RS系统对桥梁结构应变测量的测量示值误差；
Δdsp表示在线校准期间所述SMS传感器与所述RS传感器在桥梁上安装位置处的桥梁结构真实应变量值之差；
Δdtm表示在线校准期间所述SMS系统与所述RS系统的测量时间差异的补偿值；
ΔdT表示在线校准期间环境温度变化对所述SMS系统的应变测量示值误差评定的影响量；
δE’为激励源特性、数据传输过程对所述SMS系统的应变测量示值误差评定的影响量。
优选地，Δdsp通过以下公式(7)计算而得：
Figure BDA0003125775670000041
公式(7)中，
Figure BDA0003125775670000042
表示在线校准期间所述SMS传感器和所述RS传感器安装区域的实际应变梯度；
l表示所述SMS传感器与所述RS传感器间的安装距离。
优选地，所述步骤3)中，计算所述基本误差的方法步骤包括：
3.1)对存在错位和尺度差异的所述SMS系统和所述RS系统所测量的数据序列进行匹配后，将经过匹配的所述SMS系统和所述RS系统测量形成是数据序列按量值和数据索引划分为N×N个区块，区块在横轴方向的坐标位置用于规范数据的先后顺序，在纵轴方向的坐标用于确定校准点；
3.2)将所述SMS系统和所述RS系统的边缘区块作为参比直线拟合的关键区块，取SMS和RS关键区块中数据的平均值，对应组成数据序列Y＝y1，y2，…，yM和X＝x1，x2，…，xM，其中，M表示所述SMS关键区块或所述RS关键区块的个数；
3.3)对Y和L按照最小二乘法进行拟合，得到在线校准的参比直线；
3.4)根据所述步骤3.3)拟合得到的所述参比直线，取如下公式(8)或(9)中绝对值最大者为所述基本误差：
Figure BDA0003125775670000051
Figure BDA0003125775670000052
公式(8)或公式(9)中，
Figure BDA0003125775670000053
或
Figure BDA0003125775670000054
表示所述基本误差；
yi+、yi-分别表示所述SMS关键区块中的第i个关键区块中数据的最大值和最小值；
Li+、Li-分别表示所述RS关键区块中的第i个关键区块中数据的最大值和最小值；
YB表示所述SMS关键区块的高度；
K表示一常量；
YFS表示所述参比直线上最大输入值和最小输入值所对应的输出值之差；
Yofs+，i或Yofs-，i表示由于区块划分所引入的SMS监测值增量；
Lofs+，i或Lofs-，i表示由于区块划分诉引入的RS监测值增量。
优选地，Yofs+,i通过以下公式(10)计算而得：
Figure BDA0003125775670000055
Yofs-，i通过以下公式(11)计算而得：
Figure BDA0003125775670000056
公式(10)中的
Figure BDA0003125775670000061
通过以下公式(12)计算而得：
Figure BDA0003125775670000062
公式(11)中的
Figure BDA0003125775670000063
通过以下公式(13)计算而得：
Figure BDA0003125775670000064
公式(10)中的
Figure BDA0003125775670000065
通过以下公式(14)计算而得：
Figure BDA0003125775670000066
Figure BDA0003125775670000067
通过以下公式(15)计算而得：
Figure BDA0003125775670000068
公式(11)中的
Figure BDA0003125775670000069
通过以下公式(16)计算而得：
Figure BDA00031257756700000610
Figure BDA00031257756700000611
通过以下公式(17)计算而得：
Figure BDA00031257756700000612
公式(10)-(17)中的Ymax，i表示第i个所述SMS关键区块中数据的最大值；
Ymin，i表示第i个所述SMS关键区块中数据的最小值；
Ymean，i表示第i个所述SMS关键区块中数据的平均值；
Lofs+，i通过以下公式(18)计算而得：
Figure BDA00031257756700000613
Lofs-，i通过以下公式(19)计算而得：
Figure BDA0003125775670000071
公式(18)中的
Figure BDA0003125775670000072
通过以下公式(20)计算而得：
Figure BDA0003125775670000073
公式(19)中的
Figure BDA0003125775670000074
通过以下公式(21)计算而得：
Figure BDA0003125775670000075
公式(18)中的
Figure BDA0003125775670000076
通过以下公式(22)计算而得：
Figure BDA0003125775670000077
Figure BDA0003125775670000078
通过以下公式(23)计算而得：
Figure BDA0003125775670000079
公式(19)中的
Figure BDA00031257756700000710
通过以下公式(24)计算而得：
Figure BDA00031257756700000711
Figure BDA00031257756700000712
通过以下公式(25)计算而得：
Figure BDA00031257756700000713
公式(18)-(25)中的Lmax，i表示第i个所述RS关键区块中数据的最大值；
Lmin，i表示第i个所述RS关键区块中数据的最小值；
Lmean，i表示第i个所述RS关键区块中数据的平均值。
本发明以桥梁正常通行时的车辆动态荷载为激励条件，通过应变监测系统与参考测量系统对结构响应参量的同步测量建立校准链，并基于大样本数据的计量特性分析模型实现了在线校准特性的量化表征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法的实现步骤图；
图2是计算基本误差的方法步骤图；
图3是在线校准桥梁结构应变监测系统的原理框图；
图4是SMS传感器和RS传感器在桥梁上的空间布局图；
图5是SMS传感器和RS传感器在图4中示出的A视角空间布局图；
图6是本发明实施例采用的在线校准数据序列分析模型的示意图；
图7是SMS传感器安装点的桥梁结构响应及示值序列示意图；
图8是RS传感器安装点的桥梁结构响应及示值序列示意图；
图9是SMS传感器和RS传感器测量的时空差异示意图；
图10是校准曲线示意图；
图11是参比直线拟合数据序列构建示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结构应变监测系统服役过程中的在线校准，相对于实验室内校准来说存在着诸多难点，尤其是现场复杂工况下，不宜采用人工激励源，因此输入激励条件具有不可控性。本发明提出在通行车辆这一被动激励作用下，利用参考测量系统与待校准的结构应变监测系统进行同步测量比对的在线校准模型对结构应变监测系统进行在线校准，其原理如图3所示。
该校准模型由被测量(Measured Variable,MV)、激励源(Excitation Source,ES)、参考测量系统(Reference System,RS)和在役的结构应变监测系统(StructuralMonitoring System,SMS)4个要素构成。在正常交通条件下，通行车辆的组合加载效应(激励源)作用于桥梁结构上，在结构局部产生应变。SMS和RS传感器同时对该应变参量进行测量，并经采集仪获取测量数据序列。其中，RS传感器已经过溯源性校准，并确定具有准确、稳定的测量性能，用于在线校准过程中提供参考量值。通过该模型，SMS可在正常的结构应变监测条件下，仅通过提供应变的实时监测数据而实现在线校准和计量特性评价。
以下对本发明实施例提供的基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法进行具体阐述：
如图1所示，该在线校准方法包括如下步骤：
1)以桥梁正常通行车辆的动态载荷为被动激励源作用于桥梁结构上；
2)RS系统和待校准的SMS系统连续同步采集桥梁结构的应变数据，并按时间排序形成测量数据序列；
3)根据RS系统和待校准的SMS系统分别采集的所述测量数据序列，计算SMS系统的瞬时测量误差、期间测量误差、基本误差；
4)以瞬时测量误差、和/或期间测量误差、和/或基本误差为校准依据，对SMS系统进行在线校准。
为确保SMS和RS传感器所测参量的一致性，采用如图4和图5所示的安装模式。图中，RS传感器与SMS传感器并排近距离安装，可对桥梁结构的同一应变截面进行测量，传感器的安装方向与梁体发生应变的方向一致。
理想状况下，SMS和RS传感器所安装位置的应变响应应当一致。但考虑到结构应变的空间分布不均匀性，以及SMS和RS测量频率和时序的差异等因素，SMS和RS的实际测量值序列中融入了被测参量时-空差异的影响，此影响应作为在线校准理论模型的构成要素，并在不确定度评定中加以考虑。
SMS和RS对被测应变参量进行测量所获取的数据序列，按照如图6所示的分析模型，对数据序列进行匹配后，分析待校准的结构应变监测系统的计量特性。
在交通荷载、大地脉动、水流、风力等综合作用下，桥梁的应变响应是多种频率叠加后的时变信号。因此，SMS和RS所测量的数据序列应经过匹配解决错位和尺度差异问题，实现同步和对应后，再进行计量特性分析。
对结构应变监测系统进行在线校准时，SMS和RS分别按各自设定的测量频率连续同步采集应变监测数据，并按时间排序形成测量数据序列。设SMS传感器安装位置的结构真实应变量值序列为：
P＝p1,p2,…pi,…pn (1)
SMS的测量示值序列为：
Figure BDA0003125775670000101
式(1)～(2)中，pi和
Figure BDA0003125775670000102
分别为SMS在第i时刻测量的真值和示值。
同样，设RS安装位置的真实应变量值序列为：
Q＝q1,q2,…qi,…qn (3)
RS的测量示值序列为：
Figure BDA0003125775670000103
式(3)～(4)中，qi和
Figure BDA0003125775670000104
分别为RS在第i时刻测量的真值和示值。
上述测量过程如图7和图8所示。
然而现实中，在结构应变的空间分布不均匀时，由于SMS和RS安装位置不同，其被测参量将存在空间差异。同时，因两传感器测量的频率差异和时滞效应，严格意义上的同步测量也难以实现。SMS和RS实际测量过程的时空差异如图9所示。
以第i个测量时刻为例，在图9中，由于空间差异，SMS安装位置和RS安装位置的结构应变量值pi和qi不完全相同。同时，名义上SMS和RS对第i个时刻的测量，实际可能是对第i′、i″时刻的测量。
记ΔdS,i为SMS在第i测量时刻的示值误差，则根据以上分析：
Figure BDA0003125775670000111
式中，pt,i为SMS测量时间差异的影响量。
同样，记ΔdR,i为RS在第i测量时刻的示值误差，有：
Figure BDA0003125775670000112
式中，qt,i为RS测量时间差异的影响量。
式(5)和(6)相减，并整理得：
Figure BDA0003125775670000113
记
Figure BDA0003125775670000114
Δdsp,i＝pi-qi，Δdtm,i＝pt,i-qt,i，则式(7)可表示为：
ΔdS,i＝ΔdR,i+ΔdS-R,i-Δdsp,i-Δdtm,i (8)
式中，ΔdS-R,i为SMS和RS在第i个时刻测量的示值之差；Δdsp,i为SMS和RS安装位置处结构实际响应值之差，代表了实际被测量值的空间差异；Δdtm,i为SMS和RS测量时间差异的补偿值。
由式(8)可知，在结构应变监测系统运行过程中，对其进行在线校准时，瞬时示值误差为以下4个要素的叠加：
⑴SMS与RS的瞬时示值差；
⑵RS的示值误差；
⑶SMS与RS测量位置的实际量值差；
⑷SMS与RS测量频率差异的影响量。
由于应变的测量结果与传感器的安装和张拉状态紧密相关。为更好的实现在线校准的量值比对，应通过RS传感器的张紧度调节，使RS与结构应变监测系统SMS处于相同的测值水平。另一方面，应变传感器作为线位移传感器的一种形式，对其基本误差的计算是实现在线校准的重要环节。
从在线校准的应用实际出发，本文提出期间测量误差和基本误差两项量化指标的计算方法。前者反映了SMS与RS测值的整体差异，后者则用于表征SMS在被动激励条件下的计量特性。
将上文中瞬时测量误差模型所关注的某一时刻(第i时刻)拓展至在线校准的一个数据分析周期，则除了式(8)中的现有项之外，环境条件变化、激励源特性等影响因素也应当一并考虑在内。
于是，本发明提出SMS在线校准期间测量误差的测量模型：
ΔdS＝ΔdS-R+ΔdR-Δdsp-Δdtm-ΔdT+δE (9)
式中，ΔdS为SMS在线校准期间测量误差的代表值；ΔdS-R为在线校准期间SMS与RS应变示值差的代表值；ΔdR为在线校准相近条件下RS应变示值误差的代表值，由上一级计量机构校准得到；Δdsp为在线校准期间SMS与RS安装位置的实际应变差异的影响量；Δdtm为在线校准期间SMS与RS测量频率差异的影响量；ΔdT在线校准期间环境温度变化对SMS示值误差评定的影响量；δE为激励源特性、数据传输过程等因素对SMS示值误差评定的影响量。上述代表值可根据传感系统计量性能评价的需要确定，如选用最大值、平均值、中位值等。
特别的，应变“示值”指在线校准期间应变的变化量，而非相对于传感器初始安装状态的绝对应变量。
式(9)中，Δdsp可以进一步表示为：
Figure BDA0003125775670000121
式)(10)中，
Figure BDA0003125775670000122
为在线校准期间SMS和RS传感器安装区域的实际应变梯度的代表值；l为SMS和RS传感器的安装距离。
基本误差是线位移传感器的重要计量指标，现行国家校准规范JJF 1305-2011中，给出了实验室条件下线位移传感器基本误差的计算方法。该方法以正、反两个行程为一个循环，共测量三个循环，以建立参比直线方程Yi＝Y0+KLi。然后，参照图10的校准曲线，取式(11)中绝对值最大者为基本误差。
Figure BDA0003125775670000123
式中，YFS为拟合直线上最大输入值Lmax和最小输入值Lmin所对应的输出值之差。
限于车辆通行的被动激励条件，应变测量数据无法明确区分正、反行程，本发明对现有基本误差计算方法进行拓展，提出以下方法。
如图2和图11所示，首先将经过匹配的SMS和RS典型数据段按量值和数据索引划分为N×N个区块。其中，区块在横轴方向的坐标位置用于规范数据的先后顺序，纵轴方向的坐标用于确定校准点。
SMS和RS的边缘区块作为参比直线拟合的关键区块。取SMS和RS关键区块中数据的平均值，组成数据序列Y＝y1,y2,…,yM和X＝x1,x2,…,xM。其中，M为SMS或RS边缘区块的个数。对Y和L按照最小二乘法进行拟合，得在线校准的参比直线。
在计算图10中各变量时，应去除由于区块划分所引入的增量部分。这是由于，实验室校准时，yij对应的是同一校准点(量值)的测量值，而在线校准条件下，区域内测量值并非对应的同一量值，因而yij的范围被放大了。
为此，在式(10)中，yij、Yi和YFS的计算应考虑合理的偏移量。设SMS数据段中第i个边缘区块中数据的最大值、最小值和平均值分别为Ymax,i、Ymin,i和Ymean,i，i＝1,2,…,M，M为SMS数据段中边缘区块的数量。对于每个校准点，有上下2个边缘区块，故M＝2N。
记：
Figure BDA0003125775670000131
Figure BDA0003125775670000132
Figure BDA0003125775670000133
Figure BDA0003125775670000134
则，由于区块划分所引入的SMS监测值增量为：
Figure BDA0003125775670000135
或
Figure BDA0003125775670000136
同理，由于区块划分所引入的RS测量值增量为：
Figure BDA0003125775670000137
或
Figure BDA0003125775670000141
式(16)～(17)中，与RS相关的各符号含义同上。
经修正后，结构应变监测系统的基本误差为式(18)、(19)中绝对值最大者。
Figure BDA0003125775670000142
Figure BDA0003125775670000143
式中，yi+和yi-分别为SMS第i个边缘区块的最大值和最小值；Li+和Li-分别为RS第i个边缘区块的最大值和最小值；YB为SMS区块的高度。
由于在线校准基本误差的计算依赖于复杂的现场条件，以及数据的选取过程，因而，本发明引入置信度的概念，采用包含概率为p(取90％～99％)的区间半宽度来表示。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (9)

1.一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，步骤包括：
1)以桥梁正常通行车辆的动态载荷为被动激励源作用于桥梁结构上；
2)RS系统和待校准的SMS系统连续同步采集桥梁结构的应变数据，并按时间排序形成测量数据序列；
3)根据所述RS系统和待校准的所述SMS系统分别采集的所述测量数据序列，计算所述SMS系统的瞬时测量误差、期间测量误差、基本误差；
4)以所述瞬时测量误差、和/或所述期间测量误差、和/或所述基本误差为校准依据，对所述SMS系统进行在线校准；
所述步骤3)中，通过以下公式(1)计算所述SMS系统的所述瞬时测量误差：
ΔdS，i＝ΔdR，i+ΔdS-R，i-Δdsp，i-Δdtm，i公式(1)
公式(1)中，ΔdS，i表示所述SMS系统在第i测量时刻对桥梁结构应变测量的所述瞬时测量误差；
ΔdR，i表示所述RS系统在所述第i测量时刻的对桥梁结构应变测量的测量示值误差；
ΔdS-R，i表示所述SMS系统与所述RS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变测量的测量示值之差；
Δdsp，i表示所述SMS系统与所述RS系统在桥梁上安装位置处的桥梁结构真实应变量值之差；
Δdtm，i表示所述SMS系统与所述RS系统的测量时间差异的补偿值。
2.根据权利要求1所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，ΔdR，i通过以下公式(2)计算而得：
Figure FDA0003938076360000011
当所述第i测量时刻的真实测量时刻为第i″测量时刻时，公式(2)中
Figure FDA0003938076360000012
表示所述RS系统在所述第i″测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值；
qi″表示在所述第i″测量时刻RS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值；
Figure FDA0003938076360000013
表示所述RS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值；
qi表示在所述第i测量时刻所述RS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值；
qt，i表示所述RS系统的测量时间差异对桥梁结构应变测量结果准确性的影响量。
3.根据权利要求1或2所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，ΔdS-R，i通过以下公式(3)计算而得：
Figure FDA0003938076360000021
公式(3)中，
Figure FDA0003938076360000022
表示所述SMS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值；
Figure FDA0003938076360000023
表示所述RS系统在所述第i测量时刻对桥梁结构应变进行测量的测量示值。
4.根据权利要求3所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，Δdsp，i通过以下公式(4)计算而得：
Δdsp，i＝pi-qi公式(4)
公式(4)中，pi表示在所述第i测量时刻SMS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值；
qi表示在所述第i测量时刻RS传感器安装位置处的桥梁结构的真实应变量值。
5.根据权利要求4所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，Δdtm，i通过以下公式(5)计算而得：
Δdtm，i＝pt，i-qt，i公式(5)
公式(5)中，pt，i表示所述SMS系统的测量时间差异对桥梁结构应变测量结果准确性的影响量；
qt，i表示所述RS系统的测量时间差异对桥梁结构应变测量结果准确性的影响量。
6.根据权利要求1所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，通过以下公式(6)计算所述SMS系统的所述期间测量误差：
Δds＝ΔdS-R+ΔdR-Δdsp-Δdtm-ΔdT+δE’ 公式(6)
公式(6)中，ΔdS表示在线校准期间所述SMS系统对桥梁结构应变测量的所述期间测量误差；
ΔdS-R表示在线校准期间所述SMS系统与所述RS系统对桥梁结构应变测量的测量示值之差；
ΔdR表示在线校准期间所述RS系统对桥梁结构应变测量的测量示值误差；
Δdsp表示在线校准期间SMS传感器与RS传感器在桥梁上安装位置处的桥梁结构真实应变量值之差；
Δdtm表示在线校准期间所述SMS系统与所述RS系统的测量时间差异的补偿值；
ΔdT表示在线校准期间环境温度变化对所述SMS系统的应变测量示值误差评定的影响量；
δE’为激励源特性、数据传输过程对所述SMS系统的应变测量示值误差评定的影响量。
7.根据权利要求6所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，Δdsp通过以下公式(7)计算而得：
Figure FDA0003938076360000031
公式(7)中，
Figure FDA0003938076360000032
表示在线校准期间所述SMS传感器和所述RS传感器安装区域的实际应变梯度；
l表示所述SMS传感器与所述RS传感器间的安装距离。
8.根据权利要求1所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，所述步骤3)中，计算所述基本误差的方法步骤包括：
3.1)对存在错位和尺度差异的所述SMS系统和所述RS系统所测量的数据序列进行匹配后，将经过匹配的所述SMS系统和所述RS系统典型数据段按量值和数据索引划分为N×N个区块，区块在横轴方向的坐标位置用于规范数据的先后顺序，在纵轴方向的坐标用于确定校准点；
3.2)将所述SMS系统和所述RS系统的边缘区块作为参比直线拟合的关键区块，取SMS和RS关键区块中数据的平均值，对应组成数据序列Y＝y1，y2，…，yM和X＝x1，x2，…，xM，其中，M表示所述SMS关键区块或所述RS关键区块的个数；
3.3)对Y和L按照最小二乘法进行拟合，得到在线校准的参比直线，其中，L＝X；
3.4)根据所述步骤3.3)拟合得到的所述参比直线，取如下公式(8)或(9)中绝对值最大者为所述基本误差：
Figure FDA0003938076360000041
Figure FDA0003938076360000042
公式(8)或公式(9)中，
Figure FDA0003938076360000043
或
Figure FDA0003938076360000044
表示所述基本误差；
yi+、yi-分别表示所述SMS关键区块中的第i个关键区块中数据的最大值和最小值；
Li+、Li-分别表示所述RS关键区块中的第i个关键区块中数据的最大值和最小值；
YB表示所述SMS关键区块的高度；
K表示一常量；
YFS表示所述参比直线上最大输入值和最小输入值所对应的输出值之差；
Yofs+，i或Yofs-，i表示由于区块划分所引入的SMS监测值增量；
Lofs+，i或Lofs-，i表示由于区块划分诉引入的RS监测值增量；
Y0表示所述参比直线的常数。
9.根据权利要求8所述的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，其特征在于，Yofs+，i通过以下公式(10)计算而得：
Figure FDA0003938076360000045
Yofs- ，i通过以下公式(11)计算而得：
Figure FDA0003938076360000046
公式(10)中的
Figure FDA0003938076360000047
通过以下公式(12)计算而得：
Figure FDA0003938076360000048
公式(11)中的
Figure FDA0003938076360000051
通过以下公式(13)计算而得：
Figure FDA0003938076360000052
公式(10)中的
Figure FDA0003938076360000053
通过以下公式(14)计算而得：
Figure FDA0003938076360000054
Figure FDA0003938076360000055
通过以下公式(15)计算而得：
Figure FDA0003938076360000056
公式(11)中的
Figure FDA0003938076360000057
通过以下公式(16)计算而得：
Figure FDA0003938076360000058
Figure FDA0003938076360000059
通过以下公式(17)计算而得：
Figure FDA00039380763600000510
公式(10)-(17)中的Ymax，i表示第i个所述SMS关键区块中数据的最大值；
Ymin，i表示第i个所述SMS关键区块中数据的最小值；
Ymean，i表示第i个所述SMS关键区块中数据的平均值；
Lofs+，i通过以下公式(18)计算而得：
Figure FDA00039380763600000511
Lofs-，i通过以下公式(19)计算而得：
Figure FDA00039380763600000512
公式(18)中的
Figure FDA0003938076360000061
通过以下公式(20)计算而得：
Figure FDA0003938076360000062
公式(19)中的
Figure FDA0003938076360000063
通过以下公式(21)计算而得：
Figure FDA0003938076360000064
公式(18)中的
Figure FDA0003938076360000065
通过以下公式(22)计算而得：
Figure FDA0003938076360000066
Figure FDA0003938076360000067
通过以下公式(23)计算而得：
Figure FDA0003938076360000068
公式(19)中的
Figure FDA0003938076360000069
通过以下公式(24)计算而得：
Figure FDA00039380763600000610
Figure FDA00039380763600000611
通过以下公式(25)计算而得：
Figure FDA00039380763600000612
公式(18)-(25)中的Lmax，i表示第i个所述RS关键区块中数据的最大值；
Lmin，i表示第i个所述RS关键区块中数据的最小值；
Lmean，i表示第i个所述RS关键区块中数据的平均值。
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