CN114608432B - 一种桥梁变形监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥梁变形监测装置及方法，装置包括基板，和安装在基板上的GNSS装置、三维振动传感器和三维倾斜度传感器；三维振动传感器，包括第一弹性件和两个摆件，第一弹性件的一端与基板固定连接，两个摆件的一端分别与基板转动连接，且两个摆件的摆动方向与第一弹性件的伸缩方向两两垂直，第一弹性件和两个摆件上分别设置有光纤光栅；三维倾斜度传感器，包括三个第二弹性件，三个第二弹性件的一端分别与基板固定连接，且三个第二弹性件的伸缩方向两两垂直，各个第二弹性件上分别设置有光纤光栅；其中，所有光纤光栅依次串联。本发明的技术方案能够简化桥梁变形监测系统电子结构，提高桥梁变形监测准确性。

Description

一种桥梁变形监测装置及方法

技术领域

本发明涉及桥梁监测技术领域，具体而言，涉及一种桥梁变形监测装置及方法。

背景技术

桥梁变形监测是指对桥梁的形态进行实时监测以确定桥梁的实时状态，其对于保证桥梁结构安全和制定桥梁养护方案等具有重要意义。目前，现有技术的桥梁变形监测常通过在桥梁的多个位置设置传感器，并对传感器采集的数据进行处理分析，以确定桥梁的形变情况。但是，桥梁变形监测指标繁多，例如桥梁的位移，加速度和倾斜度等，每一种桥梁变形监测指标都需要一种对应的传感器进行数据采集，导致整个桥梁变形监测系统电子结构复杂，容易相互干扰，影响监测准确性。

发明内容

本发明解决的问题是如何降低桥梁变形监测系统的电子结构复杂度。

为解决上述问题，本发明提供一种桥梁变形监测装置及方法。

第一方面，本发明提供了一种桥梁变形监测装置，包括基板，和安装在所述基板上的GNSS装置、三维振动传感器和三维倾斜度传感器；

所述三维振动传感器，包括第一弹性件和两个摆件，所述第一弹性件的一端与所述基板固定连接，两个所述摆件的一端分别与所述基板转动连接，且两个所述摆件的摆动方向与所述第一弹性件的伸缩方向两两垂直，所述第一弹性件和两个所述摆件上分别设置有光纤光栅；

所述三维倾斜度传感器，包括三个第二弹性件，三个所述第二弹性件的一端分别与所述基板固定连接，且三个所述第二弹性件的伸缩方向两两垂直，各个所述第二弹性件上分别设置有所述光纤光栅；

其中，所有所述光纤光栅依次串联。

可选地，所述三维振动传感器和/或所述三维倾斜度传感器中设置有温度补偿光纤光栅。

可选地，所述第一弹性件包括第一弹簧和第一配重件，所述第一弹簧的一端与所述基板固定连接，所述第一弹簧的另一端与所述第一配重件固定连接，所述光纤光栅设置在所述第一弹簧上；

所述摆件包括吊杆和第二配重件，所述吊杆的一端与所述基板转动连接，所述吊杆的另一端与所述第二配重件固定连接，所述光纤光栅设置在所述吊杆上，位于所述吊杆摆动方向对应的侧面上；

两个所述吊杆的摆动方向和所述第一弹簧的伸缩方向两两之间垂直。

可选地，所述三维振动传感器还包括设置在所述基板上的两个第一壳体，每个所述第一壳体内分别设置有一个所述摆件；所述吊杆包括第一连杆和第二连杆，所述第二连杆的一端与所述第一连杆固定连接，所述第二连杆的另一端与所述第二配重件固定连接，所述第一连杆的两端分别与所述第一壳体转动连接，所述光纤光栅设置在所述第二连杆上；

和/或，所述第一壳体上设置有通孔，每个所述第一壳体内还分别设置有一个所述第一弹性件，所述第一弹簧的一端与所述第一连杆固定连接，所述第一弹簧的另一端与所述第一配重件固定连接，所述第一配重件设置在所述通孔内，且所述第一配重件随着所述第一弹簧的伸缩在所述通孔滑动。

可选地，所述第二弹性件包括第二弹簧和第三配重件，所述第二弹簧的一端与所述基板固定连接，所述第二弹簧的另一端与所述第三配重件固定连接，所述光纤光栅设置在所述第二弹簧上；

三个所述第二弹簧的伸缩方向两两之间垂直。

可选地，所述三维倾斜度传感器包括三个第二壳体，每个所述第二壳体内分别设置有一个所述第二弹性件，所述第二弹性件还包括T型杆，所述T型杆的横杆的两端分别与所述第二壳体转动连接，所述T型杆的竖杆的一端与所述横杆固定连接，所述竖杆的另一端与所述第三配重件固定连接，所述第二弹簧的一端与所述第二壳体固定连接，所述第二弹簧的另一端与所述第三配重件固定连接；

所述第二弹簧的伸缩方向与所述T型杆的摆动方向相同，且三个所述第二壳体中的所述第二弹簧的伸缩方向两两之间垂直。

第二方面，本发明提供了一种桥梁变形监测方法，基于如第一方面任一项所述的桥梁变形监测装置，包括：

获取GNSS装置采集的GNSS数据、三维振动传感器内光纤光栅采集的第一传感器数据和三维倾斜度传感器内光纤光栅采集的第二传感器数据；

对所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据进行降噪处理，获得处理后的GNSS数据、处理后的第一传感器数据和处理后的第二传感器数据；

基于小波多尺度分解方法，对所述处理后的GNSS数据、所述处理后的第一传感器数据和所述处理后的第二传感器数据进行分解，提取得到三维位移特征值、三维加速度特征值和三维倾角特征值；

根据所述三维位移特征值、所述三维加速度特征值和所述三维倾角特征值进行数据融合，得到不同方向的桥梁变形数据；

将所述桥梁变形数据和对应方向的预设阈值进行对比，根据对比结果判断桥梁结构是否安全。

可选地，所述根据所述三维位移特征值、所述三维加速度特征值和所述三维倾角特征值进行数据融合，得到不同方向的桥梁变形数据包括：

对于任一方向，基于预设的融合系数，对所述方向的所述三维位移特征值、所述三维加速度和所述三维倾角特征值进行加权求和，得到所述方向的所述桥梁变形数据。

可选地，还包括：

基于距离交会法，根据所述GNSS数据计算桥梁位移值；根据所述第一传感器数据计算桥梁加速度；基于倾斜度与光纤光栅波长变化量之间的关系，根据所述第二传感器数据计算桥梁倾斜度；

通过相互转换关系对所述桥梁位移值、所述桥梁加速度和所述桥梁倾斜度进行互相校核，所述相互转换关系包括所述桥梁加速度在时间尺度的二次积分应等于所述桥梁位移值，所述桥梁位移值的二次时间倒数应等于所述桥梁加速度，所述桥梁位移值的一次位置倒数应等于所述桥梁倾斜度。

可选地，所述对所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据进行降噪处理包括：

采用小波时频分析方法判断待处理数据中噪声的类别和平稳性，所述待处理数据包括所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据；

采用小波多尺度分解方法，将所述待处理数据进行时间多尺度分解和距离多尺度分解，根据分解结果判断噪声的影响规律；

根据所述噪声的类别、平稳性和影响规律，分别采用不同尺度的小波函数和小波基对所述待处理数据进行降噪处理；

基于预设的降噪效果指标分别确定采用不同尺度的小波函数和小波基的降噪效果，并确定降噪效果最优的小波函数和小波基；

采用所述降噪效果最优的小波函数和小波基对所述待处理数据进行降噪处理。

可选地，还包括：

确定所述第一传感器数据和/或所述第二传感器数据的变化值，所述变化值包括变化速度和变化幅值；

将所述变化值和预设的变化阈值进行对比，根据对比结果实时调整所述GNSS装置的采集频率。

本发明的桥梁变形监测装置及方法的有益效果是：当桥梁发生位移时，通过GNSS装置测量桥梁位移。当桥梁发生振动时，对应方向的第一弹性件伸缩，或对应方向的摆件摆动，通过第一弹性件或摆件上的光纤光栅测量桥梁振动频率，其中，第一弹性件的伸缩方向和两个摆件的摆动方向两两之间垂直，分别对应一个方向，例如第一弹性件的伸缩方向可为上下方向，一个摆件的摆动方向为前后方向，另一个摆件的摆动方向为左右方向，实现对桥梁三维方向位移的监测，将三个方向的振动传感器集成在一起，提高了集成度，能够降低桥梁变形监测装置的电子结构复杂度。当桥梁发生倾斜时，对应方向的第二弹性件伸缩，通过第二弹性件上的光纤光栅测量桥梁倾斜度，三个第二弹性件的伸缩方向两两之间垂直，例如一个第二弹性件的伸缩方向为前后方向，一个第二弹性件的伸缩方向为左右方向，一个第二弹性件的伸缩方向为上下方向，实现对桥梁三维方向倾斜的监测，将三个方向的倾斜传感器集成在一起，提高了集成度，能够降低桥梁变形监测装置的电子结构复杂度。并且，三维振动传感器和三维倾斜度传感器可集成在GNSS装置中，所有光纤光栅可通过光纤依次串联，有效降低了桥梁变形监测系统的电子结构复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例的一种桥梁变形监测装置的剖视图；

图2为本发明实施例的一种三维振动传感器的三维结构示意图；

图3为图2所示三维振动传感器的剖视图；

图4为本发明实施例的一种三维倾斜度传感器的剖视图；

图5为本发明另一实施例的一种三维振动传感器的三维结构示意图；

图6为图5所示三维振动传感器的剖视图；

图7为图5所示三维振动传感器中第一弹性件和摆件的正视图；

图8为本发明另一实施例的一种三维倾斜度传感器的剖视图；

图9为本发明又一实施例的一种桥梁变形监测方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、GNSS装置外壳；2、三维振动传感器；3、三维倾斜度传感器；11、基板；21、第一弹性件；22、摆件；23、第一壳体；31、第二弹性件；32、第二壳体；211、第一弹簧；212、第一配重件；221、吊杆；222、第二配重件；231、通孔；311、第二弹簧；312、第三配重件；313、T型杆；2211、第一连杆；2212、第二连杆。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

需要说明的是，本文提供的坐标系XYZ中，X轴正向代表的右方，X轴的反向代表左方，Y轴的正向代表后方，Y轴的反向代表前方，Z轴的正向代表上方，Z轴的反向代表下方。

应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”；术语“可选地”表示“可选的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本发明实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

本发明实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

如图1至图8所示，本发明实施例提供的一种桥梁变形监测装置，包括基板11，和安装在所述基板11上的GNSS装置、三维振动传感器2和三维倾斜度传感器3；

所述三维振动传感器2，包括第一弹性件21和两个摆件22，所述第一弹性件21的一端与所述基板11固定连接，两个所述摆件22的一端分别与所述基板11转动连接，且两个所述摆件22的摆动方向与所述第一弹性件21的伸缩方向两两垂直，所述第一弹性件21和两个所述摆件22上分别设置有光纤光栅；

所述三维倾斜度传感器3，包括三个第二弹性件31，三个所述第二弹性件31的一端分别与所述基板11固定连接，且三个所述第二弹性件31的伸缩方向两两垂直，各个所述第二弹性件31上分别设置有所述光纤光栅；

其中，所有所述光纤光栅（图中未示出）依次串联。

具体地，三维振动传感器2中包括至少六个光纤光栅，其中，每个摆件22上设置有至少两个测量其在对应方向摆动频率的光纤光栅，每个第一弹性件21和第二弹性件31上设置有至少一个测量其形变量。所有光纤光栅通过光纤依次串联。三维振动传感器2和三维倾斜度传感器3可集成在GNSS装置中。

本实施例中，当桥梁发生位移时，通过GNSS装置测量桥梁位移。当桥梁发生振动时，对应方向的第一弹性件21伸缩，或对应方向的摆件22摆动，通过第一弹性件21或摆件22上的光纤光栅测量桥梁振动频率，其中，第一弹性件21的伸缩方向和两个摆件22的摆动方向两两之间垂直，分别对应一个方向，例如第一弹性件21的伸缩方向可为上下方向，一个摆件22的摆动方向为前后方向，另一个摆件22的摆动方向为左右方向，实现对桥梁三维方向位移的监测，将三个方向的振动传感器集成在一起，提高了集成度，能够降低桥梁变形监测装置的电子结构复杂度。当桥梁发生倾斜时，对应方向的第二弹性件31伸缩，通过第二弹性件31上的光纤光栅测量桥梁倾斜度，三个第二弹性件31的伸缩方向两两之间垂直，例如一个第二弹性件31的伸缩方向为前后方向，一个第二弹性件31的伸缩方向为左右方向，一个第二弹性件31的伸缩方向为上下方向，实现对桥梁三维方向倾斜的监测，将三个方向的倾斜传感器集成在一起，提高了集成度，能够降低桥梁变形监测装置的电子结构复杂度。并且，三维振动传感器2和三维倾斜度传感器3可集成在GNSS装置中，所有光纤光栅可通过光纤依次串联，有效降低了桥梁变形监测系统的电子结构复杂度。

可选地，所述三维振动传感器2和/或所述三维倾斜度传感器3中设置有温度补偿光纤光栅（图中未示出）。

具体地，三维振动传感器2和三维倾斜度传感器3位置相近，可只采用一个温度补偿光纤光栅。光纤光栅是光纤传感器的一种，其通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调整来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。由于光纤光栅波长同时对温度和应变量敏感，即温度与应变都能引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长无法对温度与应变加以区分，因此需要另外设置温度补偿光纤光栅，以实现对温度和应力的区分测量。

本可选的实施例中，通过设置温度补偿光纤光栅，在计算桥梁三维振动和三维倾斜度时，能够用以抵消温度带来的误差，提高测量精度。

可选地，如图2和图3所示，所述第一弹性件21包括第一弹簧211和第一配重件212，所述第一弹簧211的一端与所述基板11固定连接，所述第一弹簧211的另一端与所述第一配重件212固定连接，所述光纤光栅设置在所述第一弹簧211上；

所述摆件22包括吊杆221和第二配重件222，所述吊杆221的一端与所述基板11转动连接，所述吊杆221的另一端与所述第二配重件222固定连接，所述光纤光栅设置在所述吊杆221上，位于所述吊杆221摆动方向对应的侧面上；

两个所述吊杆221的摆动方向和所述第一弹簧211的伸缩方向两两之间垂直。

具体地，限制吊杆221摆动方向和第一弹簧211伸缩方向的结构和方法在此不做限制，例如可通过另外设置保护壳或模具进行限制。

示例性地，第一弹簧211沿上下方向伸缩，一个摆件22沿前后方向摆动，对应的两个光纤光栅分别设置在其吊杆221的前表面和后表面上，另一个摆件22沿左右方向摆动，对应的两个光纤光栅分别设置在其吊杆221的左表面和右表面上。

本可选的实施例中，当桥梁发生某个方向的振动时，对应摆动方向的吊杆221会在第二配重件222的带动下运动，或第一弹簧211在第二配重件222的带动下伸缩，例如桥梁发生左右方向的振动时，沿左右方向的摆动的摆件22会发生摆动；桥梁发生上下方向的振动时，第一弹性件21伸缩；通过设置在该吊杆221或第一弹簧211上的光纤光栅就可以测量出桥梁在该方向的振动频率。三维振动传感器2结构简单，测量速度快。

可选地，如图5至图7所示，所述三维振动传感器2还包括设置在所述基板11上的两个第一壳体23，每个所述第一壳体23内分别设置有一个所述摆件22；所述吊杆221包括第一连杆2211和第二连杆2212，所述第二连杆2212的一端与所述第一连杆2211固定连接，所述第二连杆2212的另一端与所述第二配重件222固定连接，所述第一连杆2211的两端分别与所述第一壳体23转动连接，所述光纤光栅设置在所述第二连杆2212上；

和/或，所述第一壳体23上设置有通孔231，每个所述第一壳体23内还分别设置有一个所述第一弹性件21，所述第一弹簧211的一端与所述第一连杆2211固定连接，所述第一弹簧211的另一端与所述第一配重件212固定连接，所述第一配重件212设置在所述通孔231内，且所述第一配重件212随着所述第一弹簧211的伸缩在所述通孔231滑动。

具体地，第一连杆2211和第二连杆2212呈T形连接，第一连杆2211的两端可分别通过转动轴承与第一壳体23转动连接，两个光纤光栅分别设置在第二连杆2212摆动方向对应的侧面上，例如若第二连杆2212摆动方向为前后摆动，则两个光纤光栅分别设置在第二连杆2212的前表面和后表面，同时第一弹簧211上设置有一个光纤光栅。每个第一壳体23内分别设置一个摆件22和一个第一弹性件21，第一弹性件21测量竖直方向的振动加速度，能够作为两个第一壳体23的测量数据的误差校核基准点。

本可选的实施例中，通过第一连杆2211和第一壳体23的转动连接，能够限制摆件22的摆动方向，同时在第一壳体23上设置通孔231，与第一弹簧211连接的第一配重件212沿着通孔231进行移动，使得第一弹簧211沿竖直方向伸缩，避免桥梁振动过程中摆件22的摆动方向和第一弹性件21的伸缩方向发生偏差，影响桥梁振动频率的测量精度。

可选地，如图4所示，所述第二弹性件31包括第二弹簧311和第三配重件312，所述第二弹簧311的一端与所述基板11固定连接，所述第二弹簧311的另一端与所述第三配重件312固定连接，所述光纤光栅设置在所述第二弹簧311上；

三个所述第二弹簧311的伸缩方向两两之间垂直。

具体地，限制第二弹簧311伸缩方向的结构可方法在此不做限制，例如可采用固定杆进行限制，固定杆的一端与基板11转动连接，固定杆的另一端与第三配重件312固定连接，且固定杆的转动方向与对应的第二弹簧311的伸缩方向相同，用于限制该第二弹簧311仅能在对应的伸缩方向上发生形变。

示例性地，三个第二弹簧311中，一个沿上下方向伸缩，一个沿前后方向伸缩，一个沿左右方向伸缩。

本可选的实施例中，当桥梁发生某个方向的倾斜时，对应伸缩方向的第二弹簧311在相连接的第三配重件312的带动下发生形变，通过该第二弹簧311上的光纤光栅测量形变量，基于三角函数就可计算出桥梁的倾斜度。三维倾斜度传感器3结构简单，测量速度快。

可选地，如图8所示，所述三维倾斜度传感器3包括三个第二壳体32，每个所述第二壳体32内分别设置有一个所述第二弹性件31，所述第二弹性件31还包括T型杆313，所述T型杆313的横杆的两端分别与所述第二壳体32转动连接，所述T型杆313的竖杆的一端与所述横杆固定连接，所述竖杆的另一端与所述第三配重件312固定连接，所述第二弹簧311的一端与所述第二壳体32固定连接，所述第二弹簧311的另一端与所述第三配重件312固定连接；

所述第二弹簧311的伸缩方向与所述T型杆313的摆动方向相同，且三个所述第二壳体32中的所述第二弹簧311的伸缩方向两两之间垂直。

本可选的实施例中，T型杆313的横杆与第二壳体32转动连接，用以限制对应的第三配重件312仅能在一个方向上摆动，该摆动方向与对应的第二弹簧311的伸缩方向相同，就可以限制第二弹簧311仅能在该方向上发生形变，避免桥梁倾斜时第二弹簧311的伸缩方向发生偏差，影响桥梁倾斜度的测量精度。

如图9所示，本发明另一实施例提供的一种桥梁变形监测方法，基于如上所述的桥梁变形监测装置，包括：

步骤S100，获取GNSS装置采集的GNSS数据、三维振动传感器2内光纤光栅采集的第一传感器数据和三维倾斜度传感器3内光纤光栅采集的第二传感器数据。

步骤S200，对所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据进行降噪处理，获得处理后的GNSS数据、处理后的第一传感器数据和处理后的第二传感器数据。

步骤S300，基于小波多尺度分解方法，对所述处理后的GNSS数据、所述处理后的第一传感器数据和所述处理后的第二传感器数据进行分解，提取得到三维位移特征值、三维加速度特征值和三维倾角特征值。

具体地，提取同一时间尺度下，同一类数据的统计数据信息，以提取特征值（规律值）；提取同一时间尺度和同一位置尺度下，不同类数据的统计数据信息，以提取特征值（差异值）。

步骤S400，根据所述三维位移特征值、所述三维加速度特征值和所述三维倾角特征值进行数据融合，得到不同方向的桥梁变形数据。

可选地，所述根据所述三维位移特征值、所述三维加速度特征值和所述三维倾角特征值进行数据融合，得到不同方向的桥梁变形数据包括：

对于任一方向，基于预设的融合系数，对所述方向的所述三维位移特征值、所述三维加速度和所述三维倾角特征值进行加权求和，得到所述方向的所述桥梁变形数据。

示例性地，以三个方向的特征值数据融合为例：

东方向：y1=a1*L1+b1*α1+c1*β1，其中a1，b1，c1分别为东方向位移L1,加速度α1,倾角β1的融合系数，a1+b1+c1=1，y1为东方向的融合变形值。

北方向：y2=a2*L2+b2*α2+c2*β2，其中a2，b2，c2分别为北方向位移L2,加速度α2,三维倾角β2的融合系数，a2+b2+c2=1，y2为北方向的融合变形值。

高度方向：y3=a3*L3+b3*α3+c3*β3，其中a3，b3，c3分别为高度方向位移L3,加速度α3,倾角β3的融合系数，a3+b3+c3=1，y3为高度方向的融合变形值。

各方向的融合系数，可根据实际需求选取，选取原则为各方向变形对桥梁等结构的重要性程度，重要性越高的，系数占比越大。如对于桥梁而言，在其受到移动车载作用时，将不可避免的产生竖向振动位移，加速度等，因此该方向变形系数占比可考虑小一点。

步骤S500，将所述桥梁变形数据和对应方向的预设阈值进行对比，根据对比结果判断桥梁结构是否安全。

具体地，可根据各个方向的预设阈值进行桥梁结构安全预警，例如若高度方向的融合变形值y3大于高度方向的预设阈值，则确定桥梁结构在高度方向的变形存在安全隐患。

本实施例中，获取如上所述的桥梁变形监测装置采集的GNSS数据、第一传感器数据和第二传感器数据，对获取的数据进行降噪处理，滤除噪声，以提高测量准确性。基于小波多尺度分解方法，对降噪后的数据进行分解，以提取到不同尺度的特征值，包括三维位移特征值、三维加速度特征值和三维倾角特征值，对各个方向对应的三维位移特征值、三维加速度特征值和三维倾角特征值进行融合，就可得到各个方向的桥梁变形数据。将各个方向的桥梁变形数据与对应方向的预设阈值进行对比，根据对比结果判断桥梁结构是否安全，例如若某个方向的桥梁变形数据与对应方向的预设阈值，则表示桥梁在该方向的形变可能存在安全隐患，可输出预警信息提醒及时排查处理。本发明的技术方案能够对桥梁三维方向的形变进行预警，并且融合多种数据，预警准确性高。

可选地，可通过节点数据集聚，进而对光纤光栅传感器数据和GNSS解算数据进行压缩。将桥梁上各个节点监测到的各类数据统一传输至节点，利用小波分析算法对各种信号在时域和频域两个方向的小波系数进行分析，去除信号点之间的相关性，并找出重要系数，滤掉次要系数，基于多尺度分析，根据各自的重要程度对不同层次的系数进行不同的处理，数据经过小波变换后，实现压缩。

可选地，还包括：基于距离交会法，根据所述GNSS数据计算桥梁位移值；根据所述第一传感器数据计算桥梁加速度；基于倾斜度与光纤光栅波长变化量之间的关系，根据所述第二传感器数据计算桥梁倾斜度；

通过相互转换关系对所述桥梁位移值、所述桥梁加速度和所述桥梁倾斜度进行互相校核，所述相互转换关系包括所述桥梁加速度在时间尺度的二次积分应等于所述桥梁位移值，所述桥梁位移值的二次时间倒数应等于所述桥梁加速度，所述桥梁位移值的一次位置倒数应等于所述桥梁倾斜度。

具体地，采用GNSS测量桥梁位移值时，如图所示，设时刻

在测站点P用GNSS装置同时测得P点至四颗北斗导航卫星S1、S2、S3、S4的距离

、

、

、

，通过北斗电文解译出四颗北斗卫星的三维坐标

，用距离交会的方法求解P点的三维坐标

的观测方程为：

，

式中的

为光速，

为接收机钟差。

由此可见，北斗定位中，要解决的问题就是两个：

一是观测瞬间北斗卫星的位置。我们知道北斗卫星发射的导航电文中含有北斗卫星星历，可以实时的确定卫星的位置信息。

二是观测瞬间测站点至北斗卫星之间的距离。站星之间的距离是通过测定北斗卫星信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。

因此，通过

，

表示解译三维坐标的时间，实现GNSS安装位置处的三维坐标解算，根据三维坐标的变化就可确定桥梁位移值。

采用三维振动传感器测量桥梁三维加速度时，对于左右方向和前后方向的振动加速度测量，利用光纤光栅解调仪设置采样频率，对粘贴在摆件上的两个光纤光栅和温度补偿光纤光栅进行波长数据采集。将采集到的波长分别减去初始中心波长，得到各自的波长变化量。将采集到的对应波长变化量进行相减，提取两者相减量大于 0.1nm 所对应的频率数据，即为该方向振动加速度对应的频率值。对于竖直方向的振动加速度测量，通过感受第一弹簧的拉压变形速度来进行识别。弹簧拉压过程中，粘贴在该上的光纤光栅因弹簧变形量的不同和变形速度的不同，其波长会发生变化，同样分别将采集到的弹簧上测试用和温度补偿光纤光栅的波长减去初始中心波长，得到各自的波长变化量。将采集到的对应波长变化量进行相减，提取两者相减量大于 0.1nm 所对应的频率数据，即为Z方向振动加速度对应的频率值。

采用三维倾斜度传感器测量桥梁三维倾斜度时，光纤光栅波长与弹簧拉伸压缩长度对应关系。拉压越剧烈，波长量变化越快。

光纤光栅波长变化量与应变转化的理论公式如下,

，

式中，

为光纤光栅的波长改变量(nm);

为光纤光栅原始中心波长(nm);

为有效弹性系数，取0.22;

为被测物应变。

弹簧的伸长量

与拉力f之间的关系：

，k为弹簧刚度。

应变与伸长量之间的关系为：

，其中x为弹簧原长。

对传感器进行室内标定试验，求出单方向倾斜度与弹簧伸长压缩量之间的关系，即

，其中

可通过线性拟合得到。

则最终得到单方向倾斜度与光纤光栅波长变化量之间的关系为：

，

通过三个方向的倾斜度进行矢量计算，可得到各个方向的倾斜度。

可分别测出三个方向的倾斜度（Xa,Ya,Za），对x和z方向倾斜度进行矢量合成，得到XZa，与Y方向倾斜度进行矢量合成，得到XYZa，即为空间三维倾斜度，合成顺序可根据实际情况进行确定。

通过相互转换关系对桥梁位移值、桥梁加速度和桥梁倾斜度进行互相校核，相互转换关系包括桥梁加速度在时间尺度的二次积分应等于桥梁位移值，即

，

表示桥梁位移值，t表示单位时间，a表示桥梁加速度；桥梁位移值的二次时间倒数应等于桥梁加速度，即

；桥梁位移值的一次位置倒数应等于桥梁倾斜度，即

，x表示单位距离。

可选地，所述对所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据进行降噪处理包括：

采用小波时频分析方法判断待处理数据中噪声的类别和平稳性，所述待处理数据包括所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据；

采用小波多尺度分解方法，将所述待处理数据进行时间多尺度分解和距离多尺度分解，根据分解结果判断噪声的影响规律；

根据所述噪声的类别、平稳性和影响规律，分别采用不同尺度的小波函数和小波基对所述待处理数据进行降噪处理；

基于预设的降噪效果指标分别确定采用不同尺度的小波函数和小波基的降噪效果，并确定降噪效果最优的小波函数和小波基；

采用所述降噪效果最优的小波函数和小波基对所述待处理数据进行降噪处理。

本可选的实施例中，降噪效果指标包括信号与降噪信号比、平滑度和均方根差，通过比对不同尺度的小波函数和小波基的降噪效果，采用降噪效果最好的小波函数和小波基对待处理数据进行降噪，能够有效滤除噪声，提高了降噪效果，进而提高了对桥梁安全结构的监测准确性。

可选地，还包括：

确定所述第一传感器数据和/或所述第二传感器数据的变化值，所述变化值包括变化速度和变化幅值；

将所述变化值和预设的变化阈值进行对比，根据对比结果实时调整所述GNSS装置的采集频率。

具体地，由于在实际监测过程中，各个监测指标的频率不同，一般而言加速度的频率为1-50HZ，倾角是1min-1h采集1次，GNSS采用静态解算为30min-1h采集1次，采用动态解算的频率为1hz，但由于精度不够高，所以大多时候是采用静态解算30min-1h采集数据1次。如遇到紧急情况才可能调整为动态解算，但需要人工手动调节。本发明可实现根据加速度和倾角的数据的急剧变化而自动实现GNSS采集频率的改变，提高桥梁结构变形的预警成功率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。在本申请中，所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种桥梁变形监测装置，其特征在于，包括基板（11），和安装在所述基板（11）上的GNSS装置、三维振动传感器（2）和三维倾斜度传感器（3）；

所述三维振动传感器（2），包括第一弹性件（21）和两个摆件（22），所述第一弹性件（21）的一端与所述基板（11）固定连接，两个所述摆件（22）的一端分别与所述基板（11）转动连接，且两个所述摆件（22）的摆动方向与所述第一弹性件（21）的伸缩方向两两垂直，所述第一弹性件（21）和两个所述摆件（22）上分别设置有光纤光栅；

所述三维倾斜度传感器（3），包括三个第二弹性件（31），三个所述第二弹性件（31）的一端分别与所述基板（11）固定连接，且三个所述第二弹性件（31）的伸缩方向两两垂直，各个所述第二弹性件（31）上分别设置有所述光纤光栅；

其中，所有所述光纤光栅依次串联。

2.根据权利要求1所述的桥梁变形监测装置，其特征在于，所述第一弹性件（21）包括第一弹簧（211）和第一配重件（212），所述第一弹簧（211）的一端与所述基板（11）固定连接，所述第一弹簧（211）的另一端与所述第一配重件（212）固定连接，所述光纤光栅设置在所述第一弹簧（211）上；

所述摆件（22）包括吊杆（221）和第二配重件（222），所述吊杆（221）的一端与所述基板（11）转动连接，所述吊杆（221）的另一端与所述第二配重件（222）固定连接，所述光纤光栅设置在所述吊杆（221）上，位于所述吊杆（221）摆动方向对应的侧面上；

两个所述吊杆（221）的摆动方向和所述第一弹簧（211）的伸缩方向两两之间垂直。

3.根据权利要求2所述的桥梁变形监测装置，其特征在于，所述三维振动传感器（2）还包括设置在所述基板（11）上的两个第一壳体（23），每个所述第一壳体（23）内分别设置有一个所述摆件（22）；所述吊杆（221）包括第一连杆（2211）和第二连杆（2212），所述第二连杆（2212）的一端与所述第一连杆（2211）固定连接，所述第二连杆（2212）的另一端与所述第二配重件（222）固定连接，所述第一连杆（2211）的两端分别与所述第一壳体（23）转动连接，所述光纤光栅设置在所述第二连杆（2212）上；

和/或，所述第一壳体（23）上设置有通孔（231），每个所述第一壳体（23）内还分别设置有一个所述第一弹性件（21），所述第一弹簧（211）的一端与所述第一连杆（2211）固定连接，所述第一弹簧（211）的另一端与所述第一配重件（212）固定连接，所述第一配重件（212）设置在所述通孔（231）内，且所述第一配重件（212）随着所述第一弹簧（211）的伸缩在所述通孔（231）滑动。

4.根据权利要求1至3任一项所述的桥梁变形监测装置，其特征在于，所述第二弹性件（31）包括第二弹簧（311）和第三配重件（312），所述第二弹簧（311）的一端与所述基板（11）固定连接，所述第二弹簧（311）的另一端与所述第三配重件（312）固定连接，所述光纤光栅设置在所述第二弹簧（311）上，三个所述第二弹簧（311）的伸缩方向两两之间垂直；

和/或，所述三维振动传感器（2）和/或所述三维倾斜度传感器（3）中设置有温度补偿光纤光栅。

5.根据权利要求4所述的桥梁变形监测装置，其特征在于，所述三维倾斜度传感器（3）包括三个第二壳体（32），每个所述第二壳体（32）内分别设置有一个所述第二弹性件（31），所述第二弹性件（31）还包括T型杆（313），所述T型杆（313）的横杆的两端分别与所述第二壳体（32）转动连接，所述T型杆（313）的竖杆的一端与所述横杆固定连接，所述竖杆的另一端与所述第三配重件（312）固定连接，所述第二弹簧（311）的一端与所述第二壳体（32）固定连接，所述第二弹簧（311）的另一端与所述第三配重件（312）固定连接；

所述第二弹簧（311）的伸缩方向与所述T型杆（313）的摆动方向相同，且三个所述第二壳体（32）中的所述第二弹簧（311）的伸缩方向两两之间垂直。

6.一种桥梁变形监测方法，其特征在于，基于如权利要求1至5任一项所述的桥梁变形监测装置，包括：

获取GNSS装置采集的GNSS数据、三维振动传感器（2）内光纤光栅采集的第一传感器数据和三维倾斜度传感器（3）内光纤光栅采集的第二传感器数据；

对所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据进行降噪处理，获得处理后的GNSS数据、处理后的第一传感器数据和处理后的第二传感器数据；

基于小波多尺度分解方法，对所述处理后的GNSS数据、所述处理后的第一传感器数据和所述处理后的第二传感器数据进行分解，提取得到三维位移特征值、三维加速度特征值和三维倾角特征值；

根据所述三维位移特征值、所述三维加速度特征值和所述三维倾角特征值进行数据融合，得到不同方向的桥梁变形数据；

将所述桥梁变形数据和对应方向的预设阈值进行对比，根据对比结果判断桥梁结构是否安全。

7.根据权利要求6所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，所述根据所述三维位移特征值、所述三维加速度特征值和所述三维倾角特征值进行数据融合，得到不同方向的桥梁变形数据包括：

对于任一方向，基于预设的融合系数，对所述方向的所述三维位移特征值、所述三维加速度和所述三维倾角特征值进行加权求和，得到所述方向的所述桥梁变形数据。

8.根据权利要求6所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，还包括：

基于距离交会法，根据所述GNSS数据计算桥梁位移值；根据所述第一传感器数据计算桥梁加速度；基于倾斜度与光纤光栅波长变化量之间的关系，根据所述第二传感器数据计算桥梁倾斜度；

通过相互转换关系对所述桥梁位移值、所述桥梁加速度和所述桥梁倾斜度进行互相校核，所述相互转换关系包括所述桥梁加速度在时间尺度的二次积分应等于所述桥梁位移值，所述桥梁位移值的二次时间倒数应等于所述桥梁加速度，所述桥梁位移值的一次位置倒数应等于所述桥梁倾斜度。

9.根据权利要求6至8任一项所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，所述对所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据进行降噪处理包括：

采用小波时频分析方法判断待处理数据中噪声的类别和平稳性，所述待处理数据包括所述GNSS数据、所述第一传感器数据和所述第二传感器数据；

采用小波多尺度分解方法，将所述待处理数据进行时间多尺度分解和距离多尺度分解，根据分解结果判断噪声的影响规律；

根据所述噪声的类别、平稳性和影响规律，分别采用不同尺度的小波函数和小波基对所述待处理数据进行降噪处理；

基于预设的降噪效果指标分别确定采用不同尺度的小波函数和小波基的降噪效果，并确定降噪效果最优的小波函数和小波基；

采用所述降噪效果最优的小波函数和小波基对所述待处理数据进行降噪处理。

10.根据权利要求6至8任一项所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，还包括：

确定所述第一传感器数据和/或所述第二传感器数据的变化值，所述变化值包括变化速度和变化幅值；

将所述变化值和预设的变化阈值进行对比，根据对比结果实时调整所述GNSS装置的采集频率。

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