CN115420410A - 一种桥梁应力检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种桥梁应力检测系统，应用于检测技术领域；解决的技术问题是桥梁应力检测数据准确率低，采用的技术方案是桥梁应力检测系统，包括前置放大器、辅助检测模块、应力传感器单元、数据库模块、应力预估模块、应力检测模块、差异性分析模块、移动终端模块、范围标记模块和异常提示模块。采用分布式光纤传感器对桥梁的进行应力检测，并结合准直结构的法布里‑‑‑‑罗干涉仪通过对比光程差的方法对桥梁长度距离测量。光纤传感器通过测量这两个反射峰的波长移动就可以同时测量桥梁温度和应变。本发明实施方案可以实时判定出桥梁故障发生事件，大大提高了桥梁振动变化的感知能力，与移动终端模块相连接可以方便维护人员远程监测桥梁的安全状况。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，且更确切地涉及一种桥梁应力检测系统。
背景技术
随着我国基础设施道路及桥梁建设的大面积开展，现在已具备大量在线运营的道路以及桥梁。近年来，道路塌陷和桥梁坍塌时有发生。如何预测其健康度是一个越来越迫切的需求。对大型桥梁结构进行健康监测是指对运营阶段的桥梁结构及其工作环境进行实时监测，并根据监测得到的信息分析结构的健康状况、评价桥梁承受静、动荷载的能力以及结构的安全可靠性，为运营、维护、管理提供决策依据。桥梁应力监测系统的建立，能够适时监测反映桥梁安全状况的关键参数，借此可以合理地进行交通管制，保障人民生命财产的安全。
近年来涌现了一些新型桥梁应力测量方法与测试仪器，专利CN112179422A公开了一种基于光电成像法的桥梁测量系统，结合了远距离成像技术、光电子技术、数字图像处理和相关技术等多种高科技技术，是一种远距离、非接触式的测量方法，测量过程实时高速、自动、数字化。但该设备价格贵，易受下雨、雾天等环境条件的影响。如果所测桥梁在500m距离以内没有固定观测点，这种方法很难工作。对于在外界受恶劣环境的桥梁来说，光电成像法实现起来还是有很大困难。专利CN201410263892.4公开了一种基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法，能够实现桥梁动态实时、自动测量。但是其测量精度差，不能完全满足桥梁应变监测的要求，一般用于大跨度桥梁。且不能很好的监测桥面板以下墩的位移，因此使用有一定的限制性。
发明内容
针对上述问题，本发明公开一种桥梁应力检测系统，采用分布式光纤传感器对桥梁的进行应力检测，提高了桥梁应力检测准确率，保护桥梁结构的安全状况。
为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
一种桥梁应力检测系统，包括：
前置放大器，用于采集桥梁上的应力数据，将前置放大器采集的信号输入给辅助检测模块和应力传感器；所述前置放大器利用检测模块对光学信号进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示；
辅助检测模块，用于辅助应力传感器采集桥梁应力的检测，所述辅助检测模块采用POS辅助空三数据建立立体检测，所述POS辅助空三数据建立立体检测方法包括相机文件的创建、航线列表的建立、控制点的引入和高程异常模型的引入，最后建立立体模型进行精度检测；
应力传感器单元，用于检测桥梁应力，并在检测桥梁应力基础上进行应力的仿真分析，所述应力传感器采用光纤光栅的冷轧板带应力传感器；
数据库模块，用于存储桥梁应力的标准数据，所述数据库模块采用Android的智能终端通讯勘察设计系统数据库模块；
应力预估模块，用于估计桥梁应力的数据，所述应力预估模块通过应力波测量预估桥梁的承载力并通过加速度积分得到的速度被用来作为波动方程的输入边界条件，根据应力波的力学机制调整土参数；所述应力预估模块采用CMIP6模式应力预估模块；
应力检测模块，用于接收应力预估模块和前置放大器的数据，所述应力检测模块采用分布式光纤传感器对桥梁的进行应力检测，并结合准直结构的法布里----罗干涉仪通过对比光程差的方法对桥梁长度距离测量，进行确认应力预估模块的数据和接收前置放大器的输入信号；
差异性分析模块，用于分析桥梁应力的异常情况，所述差异性分析模块采用大数据平台的B值分析模块；
异常提示模块，用于警示员工桥梁应力不在正常范围内，所述异常提示模块通过火灾报警控制实现报警模式，通过内嵌微处理器实现与桥梁应力控制器通讯、电源总线模块工作控制，电源总线掉电检测、输出控制、输入信号逻辑状态判断、输入输出线故障检测、状态指示灯控制模块接收到火灾报警控制器的启动命令后，吸合输出继电器，并点亮指示灯，异常提示模块接收到设备传来的回答信号后传到桥梁应力报警控制器；
范围标记模块，用于标记桥梁应力正常范围内的面积，所述范围标记模块由逻辑控制电路、D/A转换电路、压控恒流源电路和电压监测保护电路组成，采用编程逻辑解析处理器的控制，经过DA转换控制压控恒流源电路输出电流，同时输出电流通过采样电阻转换成电压送至AD转换，并与预设值进行比较，以实现电流输出；
移动终端模块，用于移动设备中的核心部件，所述移动终端模块采用5G模式移动终端模块；
辅助检测单元的输出端连接应力预估模块的输入端，所述数据库模块的输出端连接应力预估模块的输入端，所述应力传感器单元与应力预估模块的输出端共同连接应力检测模块的输入端，所述应力检测模块的输出端连接差异性分析模块的输入端，差异性分析模块的输出端连接异常提示模块的输入端，所述异常提示模块的输出端连接范围标记模块的输入端，所述范围标记模块的输出端连接移动终端模块的输入端。
作为本发明的进一步技术方案，所述分布式光纤传感器包括光栅管、海绵缓冲层和双层套筒，光栅管包括两层圆柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层；纤芯的折射率c 1大于包层的折射率c 2，当入射角大于相应于临界角时，入射光将不发生折射，光波沿着纤芯向前传播，光纤传感器通过光信号检测桥梁应力变化数据，实现桥梁应力检测系统的检测工作。
作为本发明的进一步技术方案，所述分布式光纤传感器采用桥梁应力检测方法，步骤包括：
（S1）向光纤光栅施加预应变，在加有预应变的情况下将光纤光栅的一部分粘贴在桥梁悬臂梁上；
（S2）桥梁应力变化后，未粘贴的光纤光栅形变恢复，中心反射波长不变，根据应变等于形变与未变形时的体积比值，粘贴在悬臂梁上的光纤光栅由于预应变的作用形变不能恢复，光纤光栅的中心反射波长改变；
（S3）光纤传感器光栅管产生两个反射峰，第一个反射峰反应了桥梁应变变化数值，第二个反射峰反应了桥梁温度变化数值；
（S4）光纤传感器通过测量第一个反射峰和第二个反射峰的波长变化数值，根据应变和温度变化之间的关系式测量桥梁温度和应变。
作为本发明的进一步技术方案，所述光纤传感器测量桥梁应力过程步骤如下：
由于应变和温度所引起的光纤传感器光栅管中心反射波长的变化是相互独立的，当应变和温度同时发生变化时，光纤传感器光栅管中心反射波长的变化函数为：
式（1）中，Δλ是光纤传感器光栅管中心反射波长的变化，Δε是桥梁应力变化，ΔT是桥梁温度变化，k 1是与光纤材料的泊松比和弹光系数有关的常数，k 2是与光纤的热膨胀系数和热光系数有关的常数，i=1，2是两个反射峰的代号；当整个光栅区域产生应变Δε时，由于部分光栅粘贴于桥梁上，光纤传感器光栅管的两个部分所产生的应变不同，令α=Δε 2/Δε 1，则有应变关系函数表达式为：
式（2）中，L 1是光纤传感器光栅管未粘贴的部分，L 2是光纤传感器光栅管粘贴在桥梁悬臂梁的部分；将公式（2）代入公式（1）中，则光纤布拉格光栅的反射波长变化与整个光栅区域的应变和温度变化之间的关系式为：
由公式（3）可知，只要先测定温度和应变灵敏系数K 1和K 2，便可根据光纤光栅发射波长的变化量Δλ，通过解方程组(3)来确定Δε和△T。
作为本发明的进一步技术方案，所述Android的智能终端通讯勘察设计系统数据库模块是在云端完成对桥梁应力的处理、信息的存储与计算，由移动终端结合HTTP发送相应的服务器请求，以获取所需信息，依据桥梁应力检测系统需求分析，将移动学习系统就使用者角度分为客户端与服务器端两部分，采取CB与BS相结合的开发结构。
作为本发明的进一步技术方案，所述CMIP6模式应力预估模块采用泰勒图评估算法，为了精确的评估桥梁应力数据，减小误差，采用均值定理如公式（4）所示：
公式（4）中，P max 表示为桥梁的最大应力，P 0表示为桥梁的平均应力，A表示为桥梁应力振幅，为了更加直观的比较各模式的差异，公式（5）采用模式与观测之间的空间相关函数，如公式（5）所示：
公式（5）中，N表示为研究桥梁应力区域的总格点数，f n 表示为第n个格点上桥梁应力的模式值，r n 表示为桥梁应力的观测值，f 0表示为桥梁应力的模式在整个研究区域的平均值，r 0表示为桥梁应力的观测在整个研究区域的平均值。
作为本发明的进一步技术方案，所述前置放大器通过光学系统把待检测的非电量信息变换成便于接收的光学信号，然后用光电探测器件将光学信息变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
作为本发明的进一步技术方案，所述POS辅助空三数据建立立体模型能够获取瞬时摄影像片的空间位置和三轴姿态信息，在开展航摄任务时，将数码航摄仪和POS系统集成在一起，通过GIS载波相位差分定位获取相机的位置参数及惯性测量单元测定的相机姿态参数，经过后续处理算出摄影瞬间像片的位置和姿态。
作为本发明的进一步技术方案，所述移动终端模块包括无线OLED微显示器与基于非压缩数据的桥梁数据传输协议WHDI的无线传输模块，所述OLED微显示器采用FPG2C8Q208C8作为核心控制器件，通过可视化技术展示桥梁应力分析结果。
本发明有益的积极效果在于：
区别于常规技术，本发明能够提供预测性、反应性和主动性的桥梁应力变化检测，通过模拟桥梁应力变化信息与实际桥梁应力变化信息进行对比，实时判定出桥梁故障发生事件，大大提高了桥梁振动变化的感知能力，与移动终端模块相连接可以方便维护人员远程监测桥梁的安全状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1展示了一种桥梁应力检测系统结构图；
图2展示了分布式光纤传感器结构图；
图3分布式光纤传感器进行桥梁检测流程图；
图4三种桥梁应力检测系统测量准确率对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明；
在具体实施例中，如图1所示，一种桥梁应力检测系统包括前置放大器、辅助检测模块、应力传感器单元、数据库模块、应力预估模块、应力检测模块、差异性分析模块、移动终端模块、范围标记模块和异常提示模块。其中前置放大器用于采集桥梁上的应力数据，将前置放大器采集的信号输入给辅助检测模块和应力传感器，所述前置放大器利用检测模块对光学信号进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示，所述前置放大器输入信号为微弱信号。辅助检测模块用于辅助应力传感器采集桥梁应力的检测，所述辅助检测模块采用无源光纤分路器（Passive Optical Splitter，POS）辅助空三数据建立立体检测，所述辅助空三数据建立立体检测包括相机文件的创建、航线列表的建立、控制点的引入和高程异常模型的引入，最后建立立体模型进行精度检测。应力传感器单元用于检测桥梁应力，并在检测桥梁应力基础上进行应力的仿真分析，确定了封装传感器单元材料的应力特性参数，进一步的明确封装应力传感器的响应特性。所述应力传感器采用光纤光栅的冷轧板带应力传感器。
在具体实施例中，数据库模块用于存储桥梁应力的标准数据，所述数据库模块提供了单一而统一的查询界面，获得结构化信息，所述数据库模块采用Android的智能终端通讯勘察设计系统数据库模块。应力预估模块用于估计桥梁应力的数据，所述应力预估模块通过应力波测量预估桥梁的承载力并通过加速度积分得到的速度被用来作为波动方程的输入边界条件，根据应力波的力学机制调整土参数并重复上述的过程，所述应力预估模块采用CMIP6模式应力预估模块。应力检测模块用于接收应力预估模块和前置放大器的数据，所述应力检测模块采用分布式光纤传感器对桥梁的进行应力检测，并结合准直结构的法布里----罗干涉仪通过对比光程差的方法对桥梁长度距离测量，进行确认应力预估模块的数据和接收前置放大器的输入信号。差异性分析模块用于分析桥梁应力的异常情况，所述差异性分析模块采用大数据平台的B值分析模块。
在具体实施例中，异常提示模块用于警示员工桥梁应力不在正常范围内，所述异常提示模块通过火灾报警控制实现报警模式，所述报警是微处理器实现与桥梁应力控制器通讯、电源总线模块内嵌微处理器，电源总线掉电检测、输出控制、输入信号逻辑状态判断、输入输出线故障检测、状态指示灯控制模块接收到火灾报警控制器的启动命令后，吸合输出继电器，并点亮指示灯，模块接收到设备传来的回答信号后，将该信息传到桥梁应力报警控制器。范围标记模块用于标记桥梁应力正常范围内的面积，所述高精度宽范围数控电流源模块，范围标记模块由逻辑控制电路、D/A转换电路、压控恒流源电路和电压监测保护电路组成，采用可编程逻辑解析处理器的控制字，经过DA转换控制压控恒流源电路输出电流，同时输出电流通过采样电阻转换成电压送至AD转换，并与预设值进行比较，以实现高精度、高量程的电流输出。移动终端模块用于移动设备中的核心部件，应加强操作系统安全管理工作，科学配置操作系统的敏感调用，以完成对操作系统的安全管理，所述移动终端模块采用5G模式移动终端模块。辅助检测单元的输出端连接应力预估模块的输入端，所述数据库模块的输出端连接应力预估模块的输入端，所述应力触感器单元与应力预估模块的输出端共同连接应力检测模块的输入端，所述应力检测模块的输出端连接差异性分析模块的输入端，差异性分析模块的输出端连接异常提示模块的输入端，所述异常提示模块的输出端连接范围标记模块的输入端，所述范围标记模块的输出端连接移动终端模块的输入端。
在具体实施例中，对大型桥梁结构进行健康监测是指对运营阶段的桥梁结构及其工作环境进行实时监测，并根据监测得到的信息分析结构的健康状况、评价桥梁承受静、动荷载的能力以及结构的安全可靠性，为运营、维护、管理提供决策依据。桥梁健康监测系统的建立，能够适时监测反映桥梁安全状况的关键参数，借此可以合理地进行交通管制，保障人民生命财产的安全。实时监测所得的数据和分析结论对桥梁的设计者和建造者来说是十分宝贵的资料这些资料可以提高人们对大型复杂结构认识(如真正的环境荷载和桥梁动力响应)，为以后的项目提供设计和建造依据。
在具体实施例中，如图2所示，所述分布式光纤传感器包括光栅管、海绵缓冲层和双层套筒，光栅管包括两层圆柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层。纤芯的折射率c 1大于包层的折射率c 2，当入射角大于相应于临界角时，入射光将不发生折射，全部光波沿着纤芯向前传播，光纤传感器能够通过光信号检测桥梁应力变化数据，实现桥梁应力检测系统的检测工作。光纤布拉格光栅是最普遍的一种光纤光栅，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常在10-5~10-3之间，将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下，即可在光纤芯中产生这样的折射率变化。用于制作这种光纤光栅的主要制作技术之一是利用两个相干紫外光束形成的空间干涉条纹来照射光纤，这样就在光纤芯部形成了永久的周期性折射率调制。由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的投射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。
在具体实施例中，基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，其基本工作原理是:利用光纤光栅的平均折射率和删格周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动，它实际上是一种波长调制型光纤传感器。它具有以下明显的优点:
(1)抗干扰能力强。一方面是因为普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性;另一方面是因为光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。例如:光源强度的起伏，光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性。因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。相对应变片来说，它不受电磁场的干扰，抗温漂与零漂性能好。
(2)电绝缘性好。光纤本身是由电绝缘的电介质组成，且其敏感元件也多是由电绝缘材料做成，故可完全是电绝缘的传感器，适用于特需的检测需要。
(3)耐腐蚀、化学性能稳定。制作光纤的材料—石英具有极高的化学稳定性，能在较恶劣的环境中使用。
(4)传感探头结构简单，尺寸小(其外径和光纤本身等同)，适合于许多应用场合，尤其适合混凝土材料和智能材料。
(5)安全性能好。光纤传感器是无电源驱动的调制器，具有本质安全的特点。
(6)测量范围广。已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传感器已经实际应用。
(7)只用一根光纤就可以构建传感网络，实现准分布式测量;测量精度高，经过改进后能够测量三维应变。
(8)克服了传统的电阻应变片测量应变时容易受外界环境腐蚀、需要初始参考、多点测量时需要大量的导线的缺点。
(9)可用于对外界参量的绝对测量(在对光纤光栅进行标定后)。光纤光栅由于具有上述诸多优点，因而具有广泛的应用，对于用于桥梁的健康检测和监测来说，其中如何解决应力和温度的交叉敏感性;采用先进的数据处理方法对网络化的传感器数据处理，实现实时测量与监控是研究的重点和难点。
在具体实施例中，当光纤光栅受到外界应变(或应力)作用时，光栅周期会发生变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化;当光纤光栅受到外界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。目前已有的基于光纤光栅的各种传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。鉴于此，充分研究光纤光栅的应变与温度传感特性、灵敏度误差、应变传感的温度补偿技术以及应变与温度的耦合效应是研究开发光纤光栅传感器的基础。如图3所示，所述分布式光纤传感器采用桥梁应力检测方法，步骤包括：首先向光纤光栅施加预应变，在加有预应变的情况下将光纤光栅的一部分粘贴在桥梁悬臂梁上；在桥梁应力变化后，未粘贴的光纤光栅形变恢复，中心反射波长不变，根据应变等于形变与未变形时的体积比值，粘贴在悬臂梁上的光纤光栅由于预应变的作用形变不能恢复，光纤光栅的中心反射波长改变；之后光纤传感器光栅管产生两个反射峰，第一个反射峰反应了桥梁应变变化数值，第二个反射峰反应了桥梁温度变化数值；最后光纤传感器通过测量第一个反射峰和第二个反射峰的波长变化数值，根据应变和温度变化之间的关系式测量桥梁温度和应变。
在具体实施例中，所述光纤传感器测量桥梁应力过程如下：
由于应变和温度所引起的光纤传感器光栅管中心反射波长的变化是相互独立的，当应变和温度同时发生变化时，光纤传感器光栅管中心反射波长的变化函数为：
式（1）中，Δλ是光纤传感器光栅管中心反射波长的变化，Δε是桥梁应力变化，ΔT是桥梁温度变化，k 1是与光纤材料的泊松比和弹光系数有关的常数，k 2是与光纤的热膨胀系数和热光系数有关的常数，i=1，2是两个反射峰的代号。在只考虑弹光效应时，光纤光栅的中心波长变化对横向应力下的应变更为敏感，纵向拉伸的应力灵敏度约为横向应力的13倍。因此，弹光效应下，光纤光栅对纵向应力较横向应力更为敏感。若进一步考虑波导效应，在相同的应力作用下，纵向应变较前一种情况增加5倍，所以波导效应将显著的多，而波导效应与弹光效应正好相反，即减小光栅的横向应变灵敏度。综合考虑弹光和波导效应，光纤光栅对横向应力的灵敏度较纵向小的多。
当整个光栅区域产生应变Δε时，由于部分光栅粘贴于桥梁上，光纤传感器光栅管的两个部分所产生的应变不同，令α=Δε 2/Δε 1，则有应变关系函数表达式为：
式（2）中，L 1是光纤传感器光栅管未粘贴的部分，L 2是光纤传感器光栅管粘贴在桥梁悬臂梁的部分。光纤光栅的波长与温度同样具有很好的线性度。但是光纤光栅本身的温度灵敏度非常低，随着温度的变化，因热膨胀引起的光栅周期改变与热光效应引起的折射率改变效应相比很小。将公式（2）代入公式（1）中，即可得到光纤布拉格光栅的反射波长变化与整个光栅区域的应变和温度变化之间的关系式为：
由公式（3）可知，只要先测定温度和应变灵敏系数K 1和K 2，便可根据光纤光栅发射波长的变化量Δλ，通过解方程组(3)来确定Δε和△T。通过把光纤光栅传感部分固定在与其材料温度系数相近的材料上(聚合物或金属)，可以做成光纤光栅温度传感器。但是温度传感器不能固定在结构物上，以避免与结构物共同受力，所以嵌入式温度传感器埋设时应该注意。
在具体实施例中，所述Android的智能终端通讯勘察设计系统数据库模块是在云端完成对桥梁应力的处理、信息的存储与计算，由移动终端结合HTTP发送相应的服务器请求，以获取所需信息，依据桥梁应力检测系统需求分析，能将移动学习系统就使用者角度分为客户端与服务器端两部分，采取CB与BS相结合的开发结构。
在具体实施例中，所述CMIP6模式应力预估模块采用泰勒图评估算法，为了精确的评估桥梁应力数据，减小误差，采用均值定理如公式（4）所示：
公式（4）中，P max 表示为桥梁的最大应力，P 0表示为桥梁的平均应力，A表示为桥梁应力振幅，为了更加直观的比较各模式的差异，公式（5）采用模式与观测之间的空间相关函数，如公式（5）所示：
公式（5）中，N表示为研究桥梁应力区域的总格点数，f n 表示为第n个格点上桥梁应力的模式值，r n 表示为桥梁应力的观测值，f 0表示为桥梁应力的模式在整个研究区域的平均值，r 0表示为桥梁应力的观测在整个研究区域的平均值。
在具体实施例中，所述前置放大器通过光学系统把待检测的非电量信息变换成便于接收的光学信号，然后用光电探测器件将光学信息变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
在具体实施例中，所述POS辅助空三数据建立立体模型能够获取瞬时摄影像片的空间位置和三轴姿态信息，在开展航摄任务时，将数码航摄仪和POS系统集成在一起，通过地理信息系统（Geographic Information System，GIS）载波相位差分定位获取相机的位置参数及惯性测量单元测定的相机姿态参数，经过后续处理可以得到摄影瞬间像片的位置和姿态。
在具体实施例中，所述移动终端模块包括无线有机电激光显示（Organic Light-Emitting Diode，OLED）微显示器与基于非压缩数据的桥梁数据传输协议无线家庭数字接口（Wireless Home Digital Interface，WHDI）的无线传输模块，所述OLED微显示器采用FPG2C8Q208C8作为核心控制器件，通过可视化技术展示桥梁应力分析结果。
在具体实施例中，为验证本发明桥梁应力检测系统的实用性，以某市区双塔单跨地锚式悬索桥为例，设计了相关实验。该悬索桥主跨1385m，南北塔高186m，主缆采用预制平行索股法架设。分别使用现有技术中两种桥梁应力检测系统作为方案一和方案二，采用对比实验对比三种桥梁应力检测系统对桥梁应力检测的采集精度。本发明分别对桥头、桥中间和桥尾进行连续48小时的应力检测，通过不断训练得到相应的实验结果如表1所示。
表1三种桥梁应力检测系统的测量准确率对比
通过多次试验得到三种桥梁应力检测系统测量准确率对比如图4所示，从图4可以看出，本发明所采用的桥梁应力检测系统在桥头进行应力检测准确率最高，达到了93.712%，远远高于另外两种桥梁应力检测系统的测量准确率，明显提高了桥梁应力检测数据的可靠性，能够节省人力资源，实时判定出桥梁故障发生事件，大大提高了桥梁振动变化的感知能力，与移动终端模块相连接可以方便维护人员远程监测桥梁的安全状况。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变；例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围；因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (9)
1.一种桥梁应力检测系统，其特征在于：包括：
前置放大器，用于采集桥梁上的应力数据，将前置放大器采集的信号输入给辅助检测模块和应力传感器；所述前置放大器利用检测模块对光学信号进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示；
辅助检测模块，用于辅助应力传感器采集桥梁应力的检测，所述辅助检测模块采用POS辅助空三数据建立立体检测；
应力传感器单元，用于检测桥梁应力，并在检测桥梁应力基础上进行应力的仿真分析，所述应力传感器采用光纤光栅的冷轧板带应力传感器；
数据库模块，用于存储桥梁应力的标准数据，所述数据库模块采用Android的智能终端通讯勘察设计系统数据库模块；
应力预估模块，用于估计桥梁应力的数据，所述应力预估模块通过应力波测量预估桥梁的承载力并通过加速度积分得到的速度被用来作为波动方程的输入边界条件，根据应力波的力学机制调整土参数；所述应力预估模块采用CMIP6模式应力预估模块；
应力检测模块，用于接收应力预估模块和前置放大器的数据，所述应力检测模块采用分布式光纤传感器对桥梁的进行应力检测，并结合准直结构的法布里----罗干涉仪通过对比光程差的方法对桥梁长度距离测量，进行确认应力预估模块的数据和接收前置放大器的输入信号；
差异性分析模块，用于分析桥梁应力的异常情况，所述差异性分析模块采用大数据平台的B值分析模块；
异常提示模块，用于警示员工桥梁应力不在正常范围内，所述异常提示模块通过火灾报警控制实现报警模式，通过内嵌微处理器实现与桥梁应力控制器通讯、电源总线模块工作控制，电源总线掉电检测、输出控制、输入信号逻辑状态判断、输入输出线故障检测、状态指示灯控制模块接收到火灾报警控制器的启动命令后，吸合输出继电器，并点亮指示灯，异常提示模块接收到设备传来的回答信号后传到桥梁应力报警控制器；
范围标记模块，用于标记桥梁应力正常范围内的面积，所述范围标记模块由逻辑控制电路、D/A转换电路、压控恒流源电路和电压监测保护电路组成，采用编程逻辑解析处理器的控制，经过DA转换控制压控恒流源电路输出电流，同时输出电流通过采样电阻转换成电压送至AD转换，并与预设值进行比较，以实现电流输出；
移动终端模块，用于移动设备中的核心部件，所述移动终端模块采用5G模式移动终端模块；
辅助检测单元的输出端连接应力预估模块的输入端，所述数据库模块的输出端连接应力预估模块的输入端，所述应力传感器单元与应力预估模块的输出端共同连接应力检测模块的输入端，所述应力检测模块的输出端连接差异性分析模块的输入端，差异性分析模块的输出端连接异常提示模块的输入端，所述异常提示模块的输出端连接范围标记模块的输入端，所述范围标记模块的输出端连接移动终端模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述分布式光纤传感器包括光栅管、海绵缓冲层和双层套筒，光栅管包括两层圆柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层；纤芯的折射率c 1大于包层的折射率c 2，当入射角大于相应于临界角时，入射光将不发生折射，光波沿着纤芯向前传播，光纤传感器通过光信号检测桥梁应力变化数据，实现桥梁应力检测系统的检测工作。
3.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述分布式光纤传感器采用桥梁应力检测方法，步骤包括：
（S1）向光纤光栅施加预应变，在加有预应变的情况下将光纤光栅的一部分粘贴在桥梁悬臂梁上；
（S2）桥梁应力变化后，未粘贴的光纤光栅形变恢复，中心反射波长不变，根据应变等于形变与未变形时的体积比值，粘贴在悬臂梁上的光纤光栅由于预应变的作用形变不能恢复，光纤光栅的中心反射波长改变；
（S3）光纤传感器光栅管产生两个反射峰，第一个反射峰反应了桥梁应变变化数值，第二个反射峰反应了桥梁温度变化数值；
（S4）光纤传感器通过测量第一个反射峰和第二个反射峰的波长变化数值，根据应变和温度变化之间的关系式测量桥梁温度和应变。
4.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述光纤传感器测量桥梁应力过程步骤如下：
由于应变和温度所引起的光纤传感器光栅管中心反射波长的变化是相互独立的，当应变和温度同时发生变化时，光纤传感器光栅管中心反射波长的变化函数为：
式（1）中，Δλ是光纤传感器光栅管中心反射波长的变化，Δε是桥梁应力变化，ΔT是桥梁温度变化，k 1是与光纤材料的泊松比和弹光系数有关的常数，k 2是与光纤的热膨胀系数和热光系数有关的常数，i=1，2是两个反射峰的代号；当整个光栅区域产生应变Δε时，由于部分光栅粘贴于桥梁上，光纤传感器光栅管的两个部分所产生的应变不同，令α=Δε 2/Δε 1，则有应变关系函数表达式为：
式（2）中，L 1是光纤传感器光栅管未粘贴的部分，L 2是光纤传感器光栅管粘贴在桥梁悬臂梁的部分；将公式（2）代入公式（1）中，则光纤布拉格光栅的反射波长变化与整个光栅区域的应变和温度变化之间的关系式为：
由公式（3）可知，只要先测定温度和应变灵敏系数K 1和K 2，便可根据光纤光栅发射波长的变化量Δλ，通过解方程组(3)来确定Δε和△T。
5.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述Android的智能终端通讯勘察设计系统数据库模块是在云端完成对桥梁应力的处理、信息的存储与计算，由移动终端结合HTTP发送相应的服务器请求，以获取所需信息，依据桥梁应力检测系统需求分析，将移动学习系统就使用者角度分为客户端与服务器端两部分，采取CB与BS相结合的开发结构。
6.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述CMIP6模式应力预估模块采用泰勒图评估算法，为了精确的评估桥梁应力数据，减小误差，采用均值定理如公式（4）所示：
公式（4）中，P max 表示为桥梁的最大应力，P 0表示为桥梁的平均应力，A表示为桥梁应力振幅，为了更加直观的比较各模式的差异，公式（5）采用模式与观测之间的空间相关函数，如公式（5）所示：
公式（5）中，N表示为研究桥梁应力区域的总格点数，f n 表示为第n个格点上桥梁应力的模式值，r n 表示为桥梁应力的观测值，f 0表示为桥梁应力的模式在整个研究区域的平均值，r 0表示为桥梁应力的观测在整个研究区域的平均值。
7.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述前置放大器通过光学系统把待检测的非电量信息变换成便于接收的光学信号，然后用光电探测器件将光学信息变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
8.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述辅助检测模块能够获取瞬时摄影像片的空间位置和三轴姿态信息，通过POS辅助空三数据建立立体模型，在开展航摄任务时，将数码航摄仪和POS系统集成在一起，通过GIS载波相位差分定位获取相机的位置参数及惯性测量单元测定的相机姿态参数，经过后续处理算出摄影瞬间像片的位置和姿态。
9.根据权利要求1所述的一种桥梁应力检测系统，其特征在于：所述移动终端模块包括无线OLED微显示器与基于非压缩数据的桥梁数据传输协议WHDI的无线传输模块，所述OLED微显示器采用FPG2C8Q208C8作为核心控制器件，通过可视化技术展示桥梁应力分析结果。
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