基于光纤陀螺技术的桥梁和隧道线形及刚度检测方法与系统。本法将线形检测行走装置沿被测桥梁或隧道结构内部表面运动，对光纤陀螺仪和线速度传感器测得的数据进行算法处理，根据公式计算得到该装置的运动轨迹，即被测桥梁结构重力方向及隧道走向或断面环向连续变形轨迹。基于数据稳定性判断和异常值剔除算法、基准点和参考点的位置信息逆向校正算法和结构整体大变形和表面局部小变形滤波算法，对数据进行修正计算，得到桥梁和隧道刚度分析的局部小变形剔除曲线。本法用于探明桥梁、隧道结构的局部损伤，桥梁竖向，隧道走向及多横断面的全局性变形轨迹检测。本法比传统桥梁和隧道线形检测，测试周期短、可操作性高、成本低、精度高，数据连贯性高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及桥梁和隧道的结构线形及刚度测试的检测方法及设备，尤其涉及基于光纤陀螺技术的桥梁和隧道线形及刚度检测方法与系统。适用于斜拉桥、悬索桥、连续梁桥、连续刚构桥、拱桥、高速公路路网桥等桥梁和公路隧道、鉄路隧道的结构线形及刚度测试的检测。
技术介绍
桥梁结构的受力、裂缝、预应カ损失、材料退化、刚度退化等均引起线形改变。隧道结构的安全稳定与支护结构和周围岩体的变形及应カ状态密切相关，支护结构和周围岩体的各种破坏形式产生之前通常有大的位移、变形、受カ异常发生。因此，桥梁、隧道结构的线 形作为结构的响应量相比结构受カ更易直观的反应出桥梁、隧道结构刚度状态的退化情况及工作状况，且以线形为信息量理解使用起来更加直观、方便。传统桥梁线形刚度测试手段虽繁多，或各有特点，但无论是建立測量控制网，采用GPS，或联通管线形监测系统等手段，均无法高效、经济、快速的完成大規模路网桥梁群的线形刚度信息采集评价。对于隧道结构的变形监测多关注在关键横断面的顶部位移，周边净空收敛及围岩内部位移，对于沿隧道走向沿线的连续变形则主要关注隧道沿线的沉降情况。针对上述隧道形变测试内容，目前主要依靠钢尺，收敛计，水准仪或全站仪，单点或多点位移计的量测手段，这些手段存在几个共性缺陷测点埋设复杂，自动化程度不高，难以性价比高的扩展监测规模，测点布置代表性不强，数据离散，缺乏隧道横断面及隧道沿线全程连续变形轨迹的统一、快速检测手段，无法把握隧道的整体变形状态。光纤陀螺技术应用于桥梁、隧道线形及刚度连续快速检测，能弥补既有各类量测手段测点离散性强，无法依据连续变形轨迹侦测局部损伤引起的线形畸变点，GPS测试成本高，用于小桥测试精度不足，水准仪或全站仪仅适宜隧道洞ロ段，收敛计在隧道运营期无法使用，位移计安装需要钻孔，联通管线形监测系统现场实施需要供电等不足。中国专利申请02147772. 8和201010117675. 6均涉及到一种采用光纤陀螺测量形变的测量方法，但是缺少位置修正算法和局域滤波算法，測量结果容易发散和漂移，无法对结构整体变形和结构表面的局部变形进行解析。该两专利还涉及到一种测量装置，与本专利技术所述的装置相比，该测量装置中并未包括位置传感器和基于位置信息校正的数据处理模块。中国专利20101017391. 8提出了ー种集合了光纤陀螺仪、加速度计的测量倾斜的装置，但该装置并不能提供具体线形，更不能对所测量得的倾斜进行分析和修正，无法得到测量对象的准确变形量。中国专利200810197327. 7采用双轴陀螺测量得到了ニ维空间运动轨迹。由于该专利所述的测试仪只针对运行轨迹进行測量，并不针对所测得的轨迹进行符合特定结构分析的数据处理，因此当用于桥梁或隧道表面结构线形测量时，无法提供有效、准确的用于刚度分析的线形数据。
技术实现思路
本专利技术目的是针对既有桥梁、隧道结构线形刚度测试存在的不足，提供一种基于光纤陀螺技术的桥梁和隧道线形及刚度检测方法与系统。该方法测试周期短、成本低、精度高、可提供桥梁、隧 道线形连续坐标值的采集及基于此方法的结构刚度检测评价手段。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的桥梁、隧道线形连续轨迹的传感单元为光纤陀螺仪和线速度传感器，利用光纤陀螺仪对角速度敏感的特性，牵引封装测试系统沿着被测结构表面运动，对测得的角速度进行积分得到角度，结合线速度传感器积分得到的位移变化，通过公式计算得到通过运动体表面时的系统装置运动轨迹，即被测桥梁结构竖向和沿隧道走向或断面环向的线形。通过装置取得的位置信息约束基准点和边界条件和信号处理软件中的滤波算法得到的异常轨迹阈值范围，本系统可以排除桥面坑洼，桥面铺装，隧道接缝等对桥梁、隧道线形测试造成的测试误差，获得高精度的结构真实线形状态，区分结构整体大变形和表面局部小变形，进而开展结构的刚度评价。具体地说，一种基于光纤陀螺技术的桥梁和隧道线形及刚度检测方法，其特征是提供角速度数据，速度数据，位置信息和信号滤波算法的线形测量方法(參见图1)，包括 1)牵引或驱动测量装置沿被测桥梁和隧道结构表面运动，对剔除地球自转角速度后的光纤陀螺角速度测量值进行积分得到角度，继而通过信号分析处理算法得到桥梁和隧道结构的线形原始数据； 2)对陀螺数据进行准确性预估和判断，结合基准点和參考点的位置信息对平均线形数据进行逆向修正，得到准确的轨迹曲线； 3)基于信号处理算法中的滤波算法对角速度进行滤波和阈值限定，分离结构表面局部小变形的影响，获得结构整体大变形轨迹，探测线形畸变点，精确评估结构形变； 4)对同一对象不同时期的线形检测序列进行比较，提供桥梁和隧道结构刚度的长期发展趋势的直观评价。本专利技术的检测方法中，所述的测量装置置于主动行走车上，在车行走过程中完成线形及刚度检测评价用数据采集。本专利技术的检测方法中，所述的测量装置置于被动牵引车上，在推行装置牵引过程中完成线形及刚度检测评价用数据采集。本专利技术的检测方法中，所述的测量装置沿桥梁表面或桥梁两侧进行测试。本专利技术的检测方法中，所述的测量装置沿隧道走向或隧道横断面进行测试。本专利技术的基于光纤陀螺技术的桥梁或隧道线形及刚度检测系统，其装置如图2所示，包括线形测量集成装置31，线速度传感器12、信号分析处理软件15、计算机16，线形检测行走装置10和减振器34 ;所述的线形測量集成装置包括光纤陀螺仪11、位置传感器13、内置处理及存储器14和电源32，所述的线形測量集成装置31封装在封装外壳33内；所述的线速度传感器12安装于附有减振器34的线形检测行走装置10上；所述的光纤陀螺仪11和位置传感器13的引出线连接内置处理及存储器14的输入端，内置处理及存储器14的输出端接计算机16，信号分析处理软件15组装在计算机16中。本专利技术所述的测量系统其信号流程图如图3所示，包括光纤陀螺仪11，线速度传感器12和位置传感器信号13，其信号经由内置处理及存储器14传送到计算机16交由信号分析处理软件15进行分析处理。本专利技术的检测系统中，如图4所示，所述的信号分析处理软件15包含如下算法 (O陀螺原始数据稳定性判断和异常值剔除算法； (2)利用桥梁两侧端部和中间參考点、隧道洞ロ已知不动点，隧道横断面环向起点終点和中间參考点重合特征的边界条件，逆向修正中间连续点，计算线形连续轨迹的算法； (3)分离结构表面坑洼不平整的局部小变形对结构整体大变形影响，基于角速度及其高阶次导数的均值及标定阈值滤波算 法； (4)利用多期变形序列比较的桥梁或隧道结构表面损伤区域快速定位算法、及结构刚度评价算法。本专利技术所述的计算线形连续轨迹算法參见图5，假设光纤陀螺沿一维曲线轨迹运行，已知光纤陀螺及载体线速度G,光纤陀螺的角速度 ,所处点地球自转速度沿陀螺轴线方向的瞬时分量为％11,当测量的时间间隔M'足够短时，第I点相对坐标可用以下公式近似计算AT, - K . t‘随犹,·.チ(A …g.酸 , Ai]Ifi :ス-Ar.tiiii#.., -{O,-OifeCrp- 由此可知，已知起点的坐标数，便可以递归计算出其它所有測量点的坐标值，连接各坐标值即得到測量装置的运动轨迹曲线，也就是被测桥梁、隧道结构的线形曲线。由于公式中数据来源较多，系统误差和计算误差的积分累积效应对准确性影响较本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姜德生，王立新，胡文彬，李盛，刘芳，杨燕，高雪清，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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