高速铁路桥梁健康监测数据采集系统设计研究

桥 梁

被动防撞措施,并加强防范、监控措施,重点保护主要通航口的桥墩,同时不能忽视引桥部分的安全。主动防撞措施方面,建议设置导航标等;被动防撞措施方面,可设置局部防撞措施,例如:在主通航孔的桥墩设置橡胶防护装置等。对于重要桥梁,要建立主动防撞系统(如VTS 等),减少人为原因导致的船撞桥事故,降低年船撞桥概率。参考文献:

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收稿日期:2010-03-23;修回日期:2010-04-09

基金项目:铁道部科技研究开发项目重大课题(2008G032 10)作者简介:秦世强(1987 ),男,博士研究生,E m ai:l q s q i ang417@126.co m 。

高速铁路桥梁健康监测数据采集系统设计研究

秦世强,蒲黔辉,施 洲

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

摘 要:结合高速铁路桥梁健康监测的特点,从硬件和软件两个方面设计数据采集子系统;首先,分析各个监测项目中的传感器,以及传感器的选用原则和输出信号的特点,在此基础上进行数据采集系统的硬件设计;然后,比较各种数据采集软件设计平台,提出利用软件进行数据采集的模拟,详细论述各个模拟模块的建立过程;最后利用所述方法为某高速铁路桥梁设计了数据采集子系统,系统的建立为高速铁路桥梁健康监测理论研究提供了方法,为同类型数据采集系统设计提供参考。关键词:高速铁路;健康监测;数据采集;桥梁;信号模拟中图分类号:U 441 3 文献标识码:A 文章编号:1004-2954(2010)10-0067-04

随着经济发展对交通运输要求的提高,高速铁路成为目前铁路建设中的主要方向。高速铁路封闭运营,线路近一半以上为桥梁。如何保证桥梁(尤其是大跨度桥梁)在高速列车行驶下的安全,是目前高速铁路桥梁建设中所必须关注的议题。大型桥梁投资规模大,服役周期长,通过在桥梁上布设各种传感器,测试桥址处的环境荷载以及桥梁本身的动力响应,实时

动态的掌握桥梁在施工和运营期间的健康状况,已经成为许多大桥建设者们的共识。通过桥梁健康监测,可以对桥梁结构状态进行监控和评估,在桥梁运营状况严重异常时发出警报,为桥梁的维护和管理提供依据;也可以验证桥梁的设计理论,为同类型的桥梁设计提供参考;还可以促进桥梁抗风、抗震的理论研究[1~2]。芜湖长江大桥[3]布设了1套以环境监测、结构性能监测、行车安全监测等为主体的多参数、多传感器和相关调理仪的长期健康监测和报警系统,实现自动对结构的损伤识别和寿命评估,评价大桥的安全性

和可靠性;南京长江大桥[4]

通过安装风速风向仪、温度仪、加速度计、应变计、位移计等200个传感器,形成一套安全监测和状态评估系统,并建立了基准有限元模型,对已服役多年的大桥的状态进行了准确的把握。一般而言,桥梁健康监测系统包括传感器子系统、数据采集子系统、数据分析处理子系统、损伤识别和性能评定子系统[5~7]

,各个系统之间紧密结合、协调工作,成为一个有机的整体,各个子系统缺一不可。随着仪器设备学科的发展,光纤光栅传感器等新型传感器已经投入使用,传感器的测试精度得以大幅提高,传感器已不再是制约桥梁健康监测发展的主要因素;而近10年关于健康监测的理论研究主要集中于信号处理方法和

桥 梁 秦世强,蒲黔辉,施 洲高速铁路桥梁健康监测数据采集系统设计研究

结构损伤识别及状态评估,并发展出以小波变换、H il bert H uang变换为代表的时频分析方法以及以振动测试为基础的动力损伤识别方法,这些都大大促进桥梁健康监测理论发展;相比之下,数据采集子系统作为健康监测系统的前提,涉及到硬件及软件的设计,是整个系统开发中的一个难点,目前关于高速铁路桥梁健康监测系统数据采集的系统研究并不多见。

对高速铁路桥梁健康监测数据采集子系统进行系统的设计,首先分析高速铁路健康监测所用的传感器的特点、选择原则、传感器输出信号的特征,在此基础上进行数据采集子系统的硬件设计;然后对数据采集子系统软件设计进行详细概述,提出利用软件进行数据采集模拟的概念,并对数据采集模拟系统中的结构响应模拟、多媒体定时器和数据存储等三个模块进行详细分析;最后,对某高速铁路桥梁健康监测数据采集子系统的建立作简要概述。

1 传感器系统概述

1 1 高速铁路桥梁健康监测项目及传感器

传感器能否较全面和准确测试出桥梁周边环境、结构局部和整体信息,对桥梁健康监测起到至关重要的作用。高速铁路桥梁列车行车速度快,桥梁结构本身振动效应明显,行车平稳和行车安全要求高;对于通过城市中心的高速铁路桥梁,还需控制其噪声,与这些要求相对应的是高速铁路健康监测中对振动效应及行车安全监测的投入。高速铁路常用监测项目及其对应的传感器如下。

(1)桥址处环境监测:桥址处的温度湿度对材料耐久性有影响,温差更是会导致结构内力的重分布;风荷载会对桥梁结构产生风致振动,虽然大跨度桥梁设计中已经考虑了空气动力方面的因素,但仍需要加强对风速风向的安全监测,以考虑风荷载对结构的静动力效应。对应于桥址环境监测的传感器主要有:监测风荷载的机械式或三向超声风速风向仪、测试温度荷载的电阻式温度计或光纤光栅温度传感器、测试空气湿度的湿度计。

(2)结构振动效应监测:结构在列车荷载及风荷载下的动力响应,包括动应变、动位移、竖向横向加速度,这些指标比较明确地反映了结构在活载下的状态。对应的传感器有:测试动应变的电阻应变计、振弦式应变计和光纤光栅应变传感器,测试动位移的拉绳式位移传感器、电子测距仪和GPS,测试加速度的电容式加速度计和力平衡加速度计等。

(3)结构局部性能监测:结构局部性能监测主要包括支座沉降、特殊部位如短吊杆的疲劳、斜拉索索力等的监测,以防止结构出现局部失稳。常用的传感器有:!测试支座位移和转角的位移计和倾角仪;∀测试短吊杆拉力的吊杆拉力测试仪;#测试斜拉索索力的压力传感器和磁通量传感器等。

(4)行车安全监测:主要监测列车的轴重、行车速度、列车的到达离开,对应的传感器有测试行车速度的测速仪、测试轴重的电子动态地秤、列车到达离开监测的计轴传感器等。

通过以上4个方面的监测,基本上涵盖了高速铁路桥梁在运营期间健康状况评估所需要的外部荷载和动力响应。

1 2 传感器选择原则

针对上述的各个监测项目的多种传感器,在选择时一般遵循以下原则:!传感器的性价比;传感器设备是整个健康监测系统最昂贵的设备,选用时需考虑整个系统造价,在传感器的性能和价格之间作协调平衡;∀传感器的技术指标;包括量程、精度、灵敏度是否符合测试要求,阶跃响应和频率响应范围能否覆盖结构的频率等;#传感器对工作环境的要求,包括环境温度、湿度、结构对传感器的振动是否超出传感器的限值;∃传感器与其他设备的兼容性;传感器输出的信号一般较弱,需经过调理和放大,因此在选择时需考虑传感器与相关信号调理设备的兼容性;另外,多个传感器需协调工作,输出的信号需经过通信设备进行传输,因此传感器的组网能力、传感器能否与计算机通信、信号传输的距离等也是重要的指标。

1 3 传感器输出信号特征分析

传感器输出信号一般可分为3类:一类是由惠斯顿电桥输出的mV级低电压信号,一类是模拟电流电压信号,一类是数字信号;对于输出低电压信号的传感器(如压电加速度传感器),其信号需经过放大、滤波和去噪等调理;可输出模拟信号的传感器有加速度传感器、振弦式应变计、风速风向仪、电子动态地秤、热电偶和热电阻式温度计、磁通量传感器等,这类传感器内置A/D转换模块,信号与计算机的通信遵循标准传输协议,如串口协议RS 232、RS 485等;可输出数字信号的传感器有倾角仪、GPS、温度传感器等。

传感器输出的信号量决定了整个数据采集子系统构建的难易程度,信号输出总量一般取决于传感器的总数以及单个传感器的采样频率,对高速铁路桥梁,由于振动测试传感器数量较多,而且对于动力响应测试,采样频率一般比较高,因此,传感器数量及位置的优化对整个系统的构建起到至关重要的作用,目前在这一方面的研究已取得一定成果。

总言之,传感器的类型、信号输出特征对数据采集子系统规模、通道数目、硬件的采样频率、数据的存储等方面提出了要求,是数据采集系统的基础。