高速公路桥梁结构安全智慧感知设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，包括：两个感知组件，所述感知组件包括底座、储液筒、液位观察管；两个超声波传感器组件，所述超声波传感器组件包括至少三个超声波探头，一个超声波传感器组件设置在一个感知组件的储液筒内部，一个超声波探头形成一个探测点，所述探测点位于所述储液筒底部，自下至上发射超声波；传输组件，其包括光纤、光纤调制解调器。本发明专利技术还公开一种高速公路桥梁结构安全智慧感知方法。本发明专利技术实现传感器自身的局部校准，消除系统误差，具有较高的精度及可靠性。

【技术实现步骤摘要】
高速公路桥梁结构安全智慧感知设备及方法
本专利技术涉及桥梁工程
更具体地说，本专利技术涉及一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备及方法。
技术介绍
传统的桥梁结构健康监测系统布设有大量的传感器，用来感知桥梁结构的裂缝、变形、环境温湿度、结构温湿度、车辆荷载等信息。桥梁结构的使用寿命通常为50-100年，而传感器受力于钢材，在长期工作过程中会受到环境、故障、未知输入、自身材料退化等因素的影响，钢结构的松弛致使采集的监测数据中不可避免的存在系统误差，严重影响了数据采集的精度和长期可靠性，降低了传感器的有效使用寿命。国内外围绕提高传感器数据精度及可靠性，广泛采用多传感器数据融合校对。数据融合的技术着眼于多传感器之间的校对，能够减少偶然误差，但无法校准和消除系统误差，无法逆转长期系统误差造成的精度损失。为了保证传感器能准确反应结构的真实状态，对传感器进行自校准有重要意义。所谓自校准即在校准目标和特定校准程序未知情况下，采用内部及外部传感器推断监测目标值。采用自校准方法的目的在于消除显著、冗余和某些情况下无法进行校准的自动化应用，来保证长期自动化操作。自校准是结构健康监测系统不可或缺的重要组成部分，需要研究精确，高效和强健的自校准方法。结构的挠度和空间倾角是桥梁刚度特性的重要指标。挠度和倾角的变化特征反映了结构的健康状态，因而是桥梁监测的重要指标。当前主要采用基于振弦或者光纤传感器的连通管对挠度进行监测；采用微机电传感器(MEMS)测量结构倾角，尚无采用超声方法进行倾角测量的传感器。专利技术内容本专利技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备及方法，其实现传感器自身的局部校准，消除系统误差，具有较高的精度及可靠性。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，包括：两个感知组件，所述感知组件包括底座、储液筒、液位观察管，所述储液筒内部收纳有液体，所述储液筒还设有通气孔，每个感知组件的储液筒、液位观察管连通，两个感知组件的储液筒通过通液管连通，两个感知组件均安装在桥梁的梁体上、且底座安装于同一初始高度，其中一个感知组件位于桥墩上方，另一个感知组件位于跨中；两个超声波传感器组件，所述超声波传感器组件包括至少三个超声波探头，一个超声波传感器组件设置在一个感知组件的储液筒内部，一个超声波探头形成一个探测点，所述探测点位于所述储液筒底部，自下至上发射超声波；传输组件，其包括光纤、光纤调制解调器，所述超声波探头的电缆连接光纤调制解调器，将超声波探头接收的振动频率进行声电光转化后通过光纤传输至云平台。优选的是，所述超声波传感器组件包括三个超声波探头。优选的是，还包括：传感器组，其包括加速度计、速度计、挠度计、裂缝计、温度计、应变计、压力环，所述传感器组安装在桥梁的梁体、斜拉索、吊杆、桥塔和/或桥墩上。高速公路桥梁结构安全智慧感知方法，包括：步骤1)安装所述的高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，位于桥墩上方的感知组件为基准点，位于跨中的感知组件为观测点；步骤2)当跨中下挠时，对于所述基准点、观测点，所述感知组件的储液筒内部的所有超声波探头逐次从底面向上发射超声波，经过液面反射后同时接收到超声波，形成超声矩阵，求矩，得到所述基准点、观测点的液位高度，作差，得到观测点与基准点的差值，即为跨中挠度。优选的是，还包括：步骤3)根据所述观测点的液位高度，获得所述超声波传感器组件的所有探测点的空间坐标，计算水面法线的空间角，即为跨中空间倾角。优选的是，步骤3)中计算水面法线的空间角的方式为：r＝r0+t(r1-r0)+s(r2-r0)，其中，t、s为平面基矢量对，且满足-∞＜t,s＜∞，r0、r1、r2为三个超声波探头的探测点的空间坐标r(xj,yj,zj),j＝0,1,2，r为三个探测点形成的平面的任一点的空间坐标；n(r-r0)＝0，n1(x-x0)+n2(y-y0)+n3(z-z0)＝0其中，n为法向矢量；根据水面任意两矢量的叉积求出水面法线方程：计算水面法线的空间角即为跨中空间倾角。本专利技术至少包括以下有益效果：第一、本专利技术在校准目标和特定校准程序未知的情况下，采用自校准方法推断监测目标值，消除显著、冗余和某些情况下无法进行校准的自动化应用，来保证长期自动化操作，本专利技术的设备及方法将构成结构健康监测系统不可或缺的重要组成部分，能够提高传感器的精度和可靠性；第二、本专利技术不同于常规基于振弦或者光纤的静力水准仪，本水准仪感知元件不处于受力状态，无长期蠕变、徐变及失效问题，长期使用不会降低传感器精度和稳定性，利用超声波探头阵列发射和接收在液体中传播的超声波，分辨率可达0.005mm，测量精度0.01mm，满足高精度水准监测需求；宽电压输入DC10-36V，正常功耗0.6W，低功耗，满足结构健康监测长期使用的环境要求；抗电磁及噪声干扰，不受严寒冰冻影响；采用本专利技术的方法能够有效降低传感器数据的相对误差，基本对传感器实现了自校准，有效提高了测量精度。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本专利技术的设备的一种技术方案的结构示意图；图2为本专利技术图1示出的设备的内部构造示意图；图3为本专利技术的设备的现场安装图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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专利技术中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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专利技术和简化描述，并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，因此不能理解为对本专利技术的限制。如图1-3所示，本专利技术提供一种高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，包括：两个感知组件，所述感知组件包括底座6、储液筒3、液位观察管4，底座6为安装部位，可采用预埋螺栓的方式，螺栓可选择M10-12mm，所述储液筒3内部收纳有液体，液体为去气纯水，通过真空泵抽气或煮沸去气放凉，可以考虑掺入防冻液或硫酸铜或硅油，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，其特征在于，包括：/n两个感知组件，所述感知组件包括底座、储液筒、液位观察管，所述储液筒内部收纳有液体，所述储液筒还设有通气孔，每个感知组件的储液筒、液位观察管连通，两个感知组件的储液筒通过通液管连通，两个感知组件均安装在桥梁的梁体上、且底座安装于同一初始高度，其中一个感知组件位于桥墩上方，另一个感知组件位于跨中；/n两个超声波传感器组件，所述超声波传感器组件包括至少三个超声波探头，一个超声波传感器组件设置在一个感知组件的储液筒内部，一个超声波探头形成一个探测点，所述探测点位于所述储液筒底部，自下至上发射超声波；/n传输组件，其包括光纤、光纤调制解调器，所述超声波探头的电缆连接光纤调制解调器，将超声波探头接收的振动频率进行声电光转化后通过光纤传输至云平台。/n

【技术特征摘要】
1.高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，其特征在于，包括：
两个感知组件，所述感知组件包括底座、储液筒、液位观察管，所述储液筒内部收纳有液体，所述储液筒还设有通气孔，每个感知组件的储液筒、液位观察管连通，两个感知组件的储液筒通过通液管连通，两个感知组件均安装在桥梁的梁体上、且底座安装于同一初始高度，其中一个感知组件位于桥墩上方，另一个感知组件位于跨中；
两个超声波传感器组件，所述超声波传感器组件包括至少三个超声波探头，一个超声波传感器组件设置在一个感知组件的储液筒内部，一个超声波探头形成一个探测点，所述探测点位于所述储液筒底部，自下至上发射超声波；
传输组件，其包括光纤、光纤调制解调器，所述超声波探头的电缆连接光纤调制解调器，将超声波探头接收的振动频率进行声电光转化后通过光纤传输至云平台。


2.如权利要求1所述的高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，其特征在于，所述超声波传感器组件包括三个超声波探头。


3.如权利要求1所述的高速公路桥梁结构安全智慧感知设备，其特征在于，还包括：
传感器组，其包括加速度计、速度计、挠度计、裂缝计、温度计、应变计、压力环，所述传感器组安装在桥梁的梁体、斜拉索、吊杆、桥塔和/或桥墩上。


4.高速公路桥梁结构安全智慧感知方法，其特征在于，包括：
步骤1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兵见，程寿山，刘刚，
申请(专利权)人：交通运输部公路科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11