CN210533272U - 用于桥梁变形监测的gnss和加速度信号一体化采集装置 - Google Patents

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王云凤
张瑞成
喻国荣
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刘国良
刘力玮
王剑平
杨志翔
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Abstract

本实用新型公开了一种用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置，包括固定装置、GNSS天线和加速度计组；固定装置包括刚性连接的第一部件和第二部件；GNSS天线与第二部件固定连接；加速度计组与第一部件固定连接，其中，第一单轴加速度计的轴线XA、第二单轴加速度计的轴线YA和第三单轴加速度计的轴线ZA相交于加速度计组的测量中心点O，并形成空间直角坐标系OXYZ；GNSS天线的天线相位中心点P位于轴线ZA上，并与测量中心点O之间的距离相对固定。通过该装置可实现桥梁上监测点位卫星信号与加速度信号的同步采集，为GNSS变形数据与加速度计振动数据融合处理提供了可能，具有重要的工程价值。

Description

用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置
技术领域
本实用新型属于桥梁变形监测技术领域，具体涉及用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号同步采集技术。
背景技术
桥梁变形监测通常采用在特定的位置(如桥跨中、1/4跨、桥塔顶端等)布设传感器的方式，利用传感器采集的信息进行深度数据处理，计算桥梁变形量，实现对桥梁变形的监测。
桥梁变形监测的信号采集传感器种类繁多，最主要的是GNSS天线和加速度计，分别用于分析桥梁变形信息与振动信息。实际应用中，这两种传感器往往分别安装，独立使用，导致了以下技术缺陷：1)无法同步采取同一点位的变形信息与振动信息，GNSS 天线采集的是GNSS天线相位中心点的卫星信号，加速度计采集的是加速度计所在点位轴线上的振动信息，GNSS天线与加速度计无法安装在同一点位，导致无法同步采集同一点位的变形信息与振动信息；2)无法保证GNSS天线与加速度计几何关系不变，当 GNSS天线、加速度计无法安装于同一点位时，通常利用全站仪等光学仪器测量GNSS天线与加速度计的坐标偏差、角度偏差，求取GNSS天线与加速度计的相对位置关系，一方面，由于GNSS天线的相位中心位于天线内部，不可视，另一方面，对于大型桥梁，桥体往往并非刚性，当桥梁承受风力、车辆、水流荷载时，会发生形变，导致GNSS天线与加速度计的空间相对位置发生变化；3)无法实现数据的融合，由于GNSS天线采集得到的卫星信号与加速度计采集得到的加速度信号不是同一个位置，因此无法将二者数据进行融合处理，严重制约了GNSS以及加速度计在桥梁变形监测中的发展。
实用新型内容
为克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置，有效确定GNSS天线和加速度计的空间相对位置关系，使得桥梁上变形监测点位卫星信号与加速度信号能同步采集，为GNSS变形数据与加速度计振动数据融合处理提供了可能。
具体技术方案如下：
一种用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置，包括固定装置、GNSS 天线和加速度计组；所述固定装置包括刚性连接的第一部件和第二部件；所述GNSS天线与第二部件固定连接；所述加速度计组与第一部件固定连接，包括第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计；所述第一单轴加速度计的轴线XA、第二单轴加速度计的轴线YA和第三单轴加速度计的轴线ZA相交于点O，并形成空间直角坐标系OXYZ；所述点O为加速度计组的测量中心点O；所述GNSS天线的天线相位中心点P位于所述轴线ZA上，并与所述测量中心点O之间的距离相对固定。
作为一种优选方案，所述第一部件被构造为敞口式盒体结构，所述第二部件被构造为所述盒体相匹配的上盖板结构；所述GNSS天线与上盖板，以及所述上盖板与盒体之间均为可拆卸式连接。
作为一种优选方案，所述GNSS天线包括半球形天线本体和圆柱形天线底座；所述天线底座的一端连接半球形天线本体，另一端与所述上盖板固定连接；所述天线底座的中轴线E穿过半球形天线本体的球心，并与所述轴线ZA重合；所述GNSS天线的GNSS 信号馈线接口布置在所述天线底座的侧壁上。
作为一种优选方案，所述GNSS信号馈线接口为INC公头。
作为一种优选方案，所述加速度计组的加速度信号馈线接口布置在所述固定装置的盒体上；所述单轴加速度计包括加速度信号采集模块和加速度数据传输接口；所述加速度数据传输接口通过线缆连接所述加速度信号馈线接口。
作为一种优选方案，所述加速度信号采集模块为正方体结构，第一单轴加速度计和第二单轴加速度计分别与第三单轴加速度计的相邻两面固定连接，呈“L”形排列。
作为一种优选方案，所述盒体内设有用于固定所述加速度计组的卡槽。
作为一种优选方案，所述盒体和上盖板均为铸铝材质，通过螺纹连接方式固定。
作为一种优选方案，所述上盖板顶部设有GNSS天线固定接头，所述天线底座底部设有与GNSS天线固定接头相匹配的螺孔，通过螺纹连接方式固定。
作为一种优选方案，所述固定装置的盒体为横截面为方形的矩形结构，所述盒体的几何中心位于所述轴线ZA上。
本实用新型公开的用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置，将GNSS天线、加速度计刚性连接在一起，保证其空间几何结构的相关性，通过量取GNSS 天线相位中心点P到加速度计组测量中心点O的距离，将GNSS数据测量点位归算到加速度数据测量点O上，从而实现桥梁上变形监测点位的GNSS数据、加速度数据同步采集。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)通过特殊设计的固定装置将GNSS天线和加速度计联系起来，使得GNSS天线中轴线与单轴加速度计组中的轴线ZA重合，GNSS天线的相位中心和单轴加速度计组的测量中心位于同一条直线上，使得GNSS天线与加速度计的空间几何相关，解决了由于 GNSS天线、加速度计无法安装于同一个点位，导致的桥梁上变形监测点位卫星信号与加速度信号的无法同步采集的问题，实现了GNSS与加速度计坐标系的统一。
(2)将三个单轴加速度计进行空间组合，形成以加速度计轴线为坐标轴的空间直角坐标系OXYZ，坐标原点O为三个加速度计轴线的交点，可以同时采集坐标原点处三个方向的加速度数据。
(3)通过通过特殊设计的固定装置，将装载GNSS天线和加速度计的相关部件刚性连接，在测量时能保证GNSS天线与加速度计几何关系不变，避免因桥梁在承受风力、车辆、水流荷载时发生形变，导致GNSS天线与加速度计的空间相对位置发生变化，保证了测试的精准性。
综上可见，本实用新型通过有效确定GNSS天线、加速度计的空间相对位置关系，在桥梁变形监测时能同时监测同一点的位移与振动，实现桥梁上监测点位卫星信号与加速度信号的同步采集，为GNSS变形数据与加速度计振动数据在时域、频域上的融合处理提供了可能，具有重要的工程价值。
附图说明
图1为GNSS和加速度信号一体化采集装置的整体结构示意图；
图2为GNSS和加速度信号一体化采集装置的组成结构示意图；
图3为单轴加速度计的正视图；
图4为单轴加速度计的相对位置关系示意图；
图5为GNSS天线与加速度计组相对位置关系示意图；
图6为GNSS天线与加速度计固定装置的剖面示意图；
附图标注：1-GNSS天线、11-半球形天线本体、12-天线底座、13-GNSS信号馈线接口、14-GNSS天线固定螺孔，2-单轴加速度计、21-加速度信号采集模块、22-加速度数据传输接口、加速度计轴线23，3-GNSS天线与加速度计固定装置、31-上盖板，32-底板、 33-侧板、34-馈线接口、35-GNSS天线固定接头、36-加速度计卡槽。
具体实施方式
结合图1至图6所示，实施例中公开了一种用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置(简称一体化采集装置)，主要包括GNSS天线1、加速度计组、GNSS 天线和加速度计固定装置3。
GNSS天线1主要用于捕获北斗/GPS/GLONASS/Galileo卫星信号。GNSS天线1组成分为上下两部分，上方为半球形天线本体11，下方为圆柱体天线底座12，天线底座12 的底面与半球形天线本体11的平面相连，天线底座12的中轴线穿过半球型天线11的球心，天线底座12的中轴线即GNSS天线的中轴线E。GNSS天线1捕获卫星信号的部分称为天线相位中心P(即点P)，位于半球形天线本体内部，不可视。通常，天线相位中心P位于GNSS天线的中轴线E上，天线出厂前会对天线相位中心P的几何位置以及天线相位中心P沿天线中轴线E到天线底部的距离预先标注。GNSS天线1的GNSS信号馈线接口13位于天线底座12的侧壁，具体可采用INC公头，其作用是将采集到的 GNSS信号通过馈线传输到外部的GNSS信号采集卡。
加速度计组包括三个单轴加速度计2，主要用于测量加速度计所在位置沿加速度计轴线方向的加速度信号。单轴加速度计2组成主要分为两部分，即加速度信号采集模块21以及加速度数据传输接口22。加速度计信号采集模块22为正方体结构，包括顶面、底面以及4个侧面，顶面、底面通常会有标识注释，加速度数据传输接口22通常设置在顶面。单轴加速度计2的顶面与底面的几何中心连接线即单轴加速度计2的轴线，加速度数据传输接口22通常设置在轴线与顶面相交处。单轴加速度计2的测量信号即为加速度计轴线方向的加速度信号。
GNSS天线与加速度计固定装置3(简称固定装置3)主要用于固定GNSS天线1以及加速度计组。固定装置3采用矩形盒体结构，包括盒体和上盖板31，盒体和上盖板 31均选用硬质材料制作，为硬质结构，盒体由底板32和侧板33围合而成，上盖板31 用于安装GNSS天线1，盒体用于安装加速度计2。侧板33上设有馈线接口34，作用是将加速度数据传输接口22输出的加速度计信号通过馈线传输到外部的加速度计采集卡。三个单轴加速度计2的加速度数据传输接口22分别通过线缆连接至设置在侧板33上的馈线接口34，并与外部线缆连接，以输出采集到的加速度数据。为方便加速度计组的快速准确安装，盒体的底板32还可设置用于安装加速度计组的加速度计卡槽36。
在具体安装时：首先，确定加速度计组的固定位置，三个单轴加速度计2分别命名为单轴加速度计X、单轴加速度计Y、单轴加速度计Z，均固定于固定装置3的底板32 上。其中，单轴加速度计Z位于盒体的中心位置，单轴加速度计X和单轴加速度计Y分别贴合于单轴加速度计Z相邻两个侧面布置，形成“L”型结构，单轴加速度计Z位于“L”的角点。且单轴加速度计X的轴线XA和单轴加速度计Y的轴线YA均与底板32平行并相互垂直，Z的轴线ZA与底板32垂直，三个单轴加速度计的轴线相交于点O，点O即为加速度计组的测量中心O，且位于单轴加速度计Z的几何中心。在实际应用时，令点O 为零点，XA、YA、ZA轴为坐标轴，建立空间直角坐标系OXYZ，就可以测量同一时刻点O 在三个方向的加速度信号。然后，将GNSS天线1固定在上盖板31的上表面，并位于加速度计Z的正上方，使得GNSS天线1的中轴线E与单轴加速度计Z的轴线ZA重合，GNSS 天线1的相位中心P与加速度计组的测量中心O位于一条直线(即轴线ZA)上。将上盖板31与盒体刚性连接后，即完成该一体化采集装置的安装。通过几何位置归算，即可得到GNSS天线1的相位中心P与加速度计组的测量中心O的几何位置关系。
本实施例中，固定装置3的尺寸为260mm(长)×200mm(宽)×140mm(高)，采用铸铝材质，上盖板31与盒体采用可拆卸刚性连接，具体可与盒体通过位于四个角点的螺丝固定，或者也可以采用卡接等方式，只要实现可拆卸刚性连接即可，由此避免在 GNSS和加速度计分体设计时，因桥梁变形导致的GNSS天线和加速度计的相对位置也发生变化的问题。上盖板31设有标准GNSS天线固定接头35，相应的，天线底座12底部设有与GNSS天线固定接头35相匹配的GNSS天线固定螺孔14，使用时将GNSS天线固定接头35和GNSS天线固定螺孔14连接即可。为方便安装，盒体的底板32上设有“L 形”加速度计卡槽36，可以固定三个单轴加速度计2；侧板33上设有馈线接口34，用于传输加速度数据。单轴加速度计2是一个尺寸为63mm×63mm×63mm的正方体模块，顶面设有加速度数据传输接口22。三个单轴加速度计2安装于固定装置内测底面“L形”卡槽内。
在使用时，根据GNSS天线1的说明书，可以得到GNSS天线1的相位中心P到GNSS 天线底部的距离L1，用游标卡尺量读取固定装置3的上盖板31的厚度L3，上盖板31 底面到加速度计组的测量中心O的距离L2，将GNSS天线相位中心P归算到点O上，从而实现测量中心O的GNSS信号、加速度信号同步采集。其中，相位中心P到测量中心 O的距离L4的计算公式为：L4＝L1+L2+L3。由此，实现GNSS数据与加速度数据坐标系的统一与融合采集。
需要说明的是，于其它实施例中，天线1的底座也可以是其它形状结构，例如矩形柱体，固定装置3也可以是其它形状结构，例如圆形盒体，只要内部加速度计组的安装满足要求，保证天线相位中心P与加速度计组的测量中心O在一条直线上即可；馈线接口34也可以根据需要设置在底板32或上盖板31上。
在实际应用时，上述用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置，具有以下意义：
(1)实现了GNSS与加速度计坐标系的统一。现有技术中，GNSS测量变形是以CGCS2000坐标系为坐标原点，原点为与地球质心，加速度计测量振动是以加速度自身为坐标原点，二者坐标系不同。通过本实用新型公开的GNSS和加速度信号一体化采集装置，确定了GNSS天线相位中心与加速度坐标系原点的相对位置关系，将GNSS相位中心归算到加速度坐标系原点，实现了二者坐标系的统一。
(2)使数据融合成为了可能。首先，GNSS和加速度信号一体化采集装置实现了同一位置GNSS信号与加速度数据的同步采集；其次，GNSS数据采样率通常小于50HZ，适用于对低频信号采集，对高频信号不敏感，而加速度计数据采样率可达200HZ甚至更高，适用于高频信号采集，对低频信号不敏感，通过对GNSS信号以及加速度信号同步采集，对二者数据在时域、频域上的融合具有重要意义。
综上可见，本实用新型将GNSS天线、单轴加速度计这两种传统上相互独立使用的传感器通过特殊的固定装置联系到一起，使二者在空间上几何相关，形成了一种既可以捕获GNSS信号，又可以采集加速度信号的一体化采集装置，解决了现有桥梁变形监测中GNSS天线、加速度计组需要独立安装，无法同时监测同一点位移与振动的缺点，对于同步分析桥梁位移、振动关系，深入研究桥梁变形机理，具有重要的工程意义。
最后需要说明的是，以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于桥梁变形监测的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：包括固定装置、GNSS天线和加速度计组；
所述固定装置包括刚性连接的第一部件和第二部件；
所述GNSS天线与第二部件固定连接；
所述加速度计组与第一部件固定连接，包括第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计；所述第一单轴加速度计的轴线XA、第二单轴加速度计的轴线YA和第三单轴加速度计的轴线ZA相交于点O，并形成空间直角坐标系OXYZ；所述点O为加速度计组的测量中心点O；
所述GNSS天线的天线相位中心点P位于所述轴线ZA上，并与所述测量中心点O之间的距离相对固定。
2.如权利要求1所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述第一部件被构造为敞口式盒体结构，所述第二部件被构造为所述盒体相匹配的上盖板结构；所述GNSS天线与上盖板，以及所述上盖板与盒体之间均为可拆卸式连接。
3.如权利要求2所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述GNSS天线包括半球形天线本体和圆柱形天线底座；所述天线底座的一端连接半球形天线本体，另一端与所述上盖板固定连接；所述天线底座的中轴线E穿过半球形天线本体的球心，并与所述轴线ZA重合；所述GNSS天线的GNSS信号馈线接口布置在所述天线底座的侧壁上。
4.如权利要求3所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述GNSS信号馈线接口为INC公头。
5.如权利要求3所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述上盖板顶部设有GNSS天线固定接头，所述天线底座底部设有与GNSS天线固定接头相匹配的螺孔，通过螺纹连接方式固定。
6.如权利要求2所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述加速度计组的加速度信号馈线接口布置在所述固定装置的盒体上；所述单轴加速度计包括加速度信号采集模块和加速度数据传输接口；所述加速度数据传输接口通过线缆连接所述加速度信号馈线接口。
7.如权利要求6所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述加速度信号采集模块为正方体结构，第一单轴加速度计和第二单轴加速度计分别与第三单轴加速度计的相邻两面固定连接，呈“L”形排列。
8.如权利要求2所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述盒体内设有用于固定所述加速度计组的卡槽。
9.如权利要求2所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述盒体和上盖板均为铸铝材质，通过螺纹连接方式固定。
10.如权利要求2所述的GNSS和加速度信号一体化采集装置，其特征在于：所述固定装置的盒体为横截面为方形的矩形结构，所述盒体的几何中心位于所述轴线ZA上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113670183A (zh) * 2021-08-24 2021-11-19 孟晓林 一种集成gnss与加速度计的监测装置、方法及存储介质

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