一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，解决了现有的桥梁压力测量方法误差大、精度不高的问题。本发明专利技术提出基于动态电感L1与动态电阻R1的温度二维感知方法，并结合反谐振频率测量压力；该方法包括如下步骤：步骤S1、基于矢量网络分析仪测量压电传感器等效参数；步骤S2、根据步骤S1测量的压电传感器等效参数，建立等效参数中动态电感L1、动态电阻R1与温度T的二维关系T＝F

A high precision pressure measurement method applied to bridge overload and rollover warning

【技术实现步骤摘要】
一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法
本专利技术涉及桥梁压力测量
，尤其涉及一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法。
技术介绍
桥梁超载侧翻事故频发，实现桥梁监测全覆盖，尤其是对桥梁受力状况的监测显得尤为重要。对于桥梁受力状况的监测，已知的设备有应变计、振弦式压力传感器、扩散硅式压力传感器、压电式压力传感器等。这些设备要么电路复杂、操作不便，要么稳定性差、误差大，要么受温度、环境影响大，且操作大都只能在监测对象附近进行。找到一种简便、稳定、精准且能满足远距离传输的传感器设备是工程技术人员追求的目标。目前压力传感器数据传输距离有限。例如基恩士压力传感器，其最大传输距离为10米(OP-85502、OP87274)。或者需要额外的数字化传输系统。然而数字化系统提高了成本，并且存在采集失真的可能性。大多数压力传感器采用电容模式传感(Hao,X.C.,Jiang,Y.G.,Takao,H.,Maenaka,K.andHiguchi,K.,AnAnnularMechanicalTemperatureCompensationStructureforGas-SealedCapacitivePressureSensor,Sensors,2012,12:8026-8038.)，即让压电谐振器工作在远低于谐振频率的频段。然而，这样会牺牲传感器的压力感知灵敏度。采用谐振器频率，可以提高压力感应灵敏度。温度补偿可以提高压力传感器的鲁棒性。大多数采用双模进行温度补偿(ThanhTuong,P.,Zhang,H.,Yenuganti,S.,Kaluvan,S.andKosinski,J.A.,Design,Modeling,andExperimentofaPiezoelectricPressureSensorBasedonaThickness-Shear-ModeCrystalResonator,IeeeTransactionsonIndustrialElectronics,2017,64:8484-8491.；Yenuganti,S.,Zhang,H.andZhang,C.,Langasitecrystalbasedpressuresensorwithtemperaturecompensation,SensorsandActuatorsa-Physical,2018,281:108-116.)这需要将谐振器工作在两种模态，振荡电路复杂。并且，为了获得较好的线性度，传感器晶片也需要特殊的切割角度。压电谐振器等效参数也随着温度变化而变化。因而也可以作为补偿的输入参数。然而，参数与温度的函数关系不仅是非线性的，并且是非单调的(Dieste,M.I.andVicente,J.,Measurementandthermalmodelingofhigh-Qpiezoelectricresonators,IsaTransactions,2000,39:371-377.)。这需要用多参数融合来实现温度补偿。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有的桥梁压力测量方法误差大、精度不高，没有很好地结合温度补偿实现压力测量的问题，本专利技术提供了解决上述问题的一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，本专利技术提出基于动态电感L1与动态电阻R1的温度二维感知方法，并结合反谐振频率测量压力，本专利技术方法简便、稳定、精准且能满足远距离传输的传感器设备需求。本专利技术通过下述技术方案实现：一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，该方法包括如下步骤：步骤S1、基于矢量网络分析仪测量压电传感器等效参数；步骤S2、根据步骤S1测量的压电传感器等效参数，建立等效参数中动态电感L1、动态电阻R1与温度T的二维关系T＝FT(R1,L1)，实现压电传感器温度感知；步骤S3、根据步骤S2，采用二元温度补偿方法来补偿压力-频率曲线，进而计算出压力P。工作原理是：现有的桥梁压力测量方法误差大、精度不高，本专利技术提出基于动态电感L1与动态电阻R1的温度二维感知方法，并结合反谐振频率测量压力；本专利技术首先基于矢量网络分析仪测量压电传感器等效参数；然后建立等效参数中动态电感L1、动态电阻R1与温度的二维关系曲面，实现传感器温度感知；再由感知的温度来补偿压力-频率曲线，从而实现传感器温度补偿，并计算出压力。本专利技术基于压电谐振器参数融合，解决单一参数与温度函数非单调问题，二元温度补偿，拟合的二元曲面中，温度与点(L1,R1)一一对应，避免L1与温度的非单调函数问题；所感知温度为谐振器本身温度，感知精度高；相对于双模振荡温度补偿，该方法不需要负载的起振电路，它将硬件问题转化为软件问题，提高了方法的适用范围；本方法采用反谐振频率作为压力传感物理量，相对于谐振频率，其具有更高的灵敏度。进一步地，步骤S1之前还包括步骤S0、进行压电传感器在桥梁上的布置，其中，所述压电传感器采用压电薄膜传感器；步骤S0具体包括如下：将压电薄膜传感器设置于桥梁的橡胶垫层与钢板层的边缘，并由压电薄膜传感器的薄膜电极引出导线；每个支座设置4片压电薄膜传感器，并由多路开关通过控制界面选通其中一路。进一步地，所述压电薄膜传感器的压电薄膜采用ZnO薄膜或者AlN薄膜或者PZT薄膜。进一步地，步骤S2中建立等效参数中动态电感L1、动态电阻R1与温度T的二维关系T＝FT(R1,L1)，具体地：其中，p00＝-138319.78,p10＝-1395.51,p01＝5120.64,p11＝20.27,p02＝-45.19。进一步地，步骤S3具体包括如下步骤：步骤S30：根据步骤S1测量的压电传感器等效参数，建立温度与反谐振频率的关系faT＝F1(T)，其中，faT为反谐振频率，F1(T)为温度函数，T为温度；步骤S31：建立反谐振频率偏移量与压力的关系P＝F2(ΔfaP)，其中，P为压力，F2(△fap)为反谐振频率偏移量函数，ΔfaP为反谐振频率偏移量；步骤S32：使用中，根据所测相频曲线，测量等效参数L1x,R1x与反谐振频率fax，根据步骤S2中T＝FT(R1,L1)函数调取此时温度为Tx＝FT(R1x,L1x)，根据步骤S30中faT＝F1(T)计算相对于温度T0时的频率温度偏移量ΔfaT＝F1(Tx)-F1(T0)；由步骤S31中P＝F2(Δfax-ΔfaT)＝F2(fax-f0-ΔfaT)计算出压力，其中f0为0℃、0压力下的频率。进一步地，步骤S30中建立温度与反谐振频率的关系faT＝F1(T)，具体地：faT＝F1(T)＝15861655.97+13.24T-0.14T2+0.0019T3；步骤S31中建立反谐振频率偏移量与压力的关系P＝F2(ΔfaP)，具体地：P＝F2(ΔfaP)＝-0.0674+0.1129ΔfaP。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n步骤S1、基于矢量网络分析仪测量压电传感器等效参数；/n步骤S2、根据步骤S1测量的压电传感器等效参数，建立等效参数中动态电感L1、动态电阻R1与温度T的二维关系T＝F

【技术特征摘要】
1.一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1、基于矢量网络分析仪测量压电传感器等效参数；
步骤S2、根据步骤S1测量的压电传感器等效参数，建立等效参数中动态电感L1、动态电阻R1与温度T的二维关系T＝FT(R1,L1)，实现压电传感器温度感知；
步骤S3、根据步骤S2，采用二元温度补偿方法来补偿压力-频率曲线，进而计算出压力P。


2.根据权利要求1所述的一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，其特征在于，步骤S1之前还包括步骤S0、进行压电传感器在桥梁上的布置，其中，所述压电传感器采用压电薄膜传感器；步骤S0具体包括如下：
将压电薄膜传感器设置于桥梁的橡胶垫层与钢板层的边缘，并由压电薄膜传感器的薄膜电极引出导线；每个支座设置4片压电薄膜传感器，并由多路开关通过控制界面选通其中一路。


3.根据权利要求2所述的一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，其特征在于，所述压电薄膜传感器的压电薄膜采用ZnO薄膜或者AlN薄膜或者PZT薄膜。


4.根据权利要求1所述的一种应用于桥梁超载与侧翻预警的高精度压力测量方法，其特征在于，步骤S2中建立等效参数中动态电感L1、动态电阻R1与温度T的二维关系T＝FT(R1,L1)，具体地：



其中，p00＝-138319.78,p10＝-1395.51,...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊柱红，刘东，侯伟，
申请(专利权)人：四川省建筑科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51