谈谈土木工程结构的动位移监测问题

对于土木工程结构健康监测而言，位移既是重要的设计控制参量，又是反映运营技术状况的重要指标，对位移的测量，是检测和监测服役结构健康状态的重要内容。

几何构型检测技术

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对于处于检修状态或即将投入使用但却没有使用状态的结构，通常需要了解工程结构的整体几何构型或关键点的静止位移，或者需要跟踪缓慢变化的温度、沉降影响下的几何变位，这些都可归结为静态位移的观测，常用的观测方法包括全站仪、三维激光扫描仪、图像测量技术等手段，也是进行一次性检测常用的技术。关于这一类测量装置不再本文讨论范围。

慢速位移监测技术

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其实对于静态位移，进行定期检测就足够了，似乎进行持续监测的必要性不是太大。当然，对于某些坚持要以监测的方式持续测量静态位移的项目，比如对不均匀沉降下梁体线性的监测，几乎成为近一二十年来的已建成的桥梁健康监测系统的标配。通常这类监测内容，会在指定的主梁截面和墩顶截面上安装水准仪（连通管）、压力变送器系统。其技术特点是，由于管内液体与管壁的浸润作用，这类装置测量位移，采样速度慢（通常设定为1分钟一次），精度差，只能用作静态位移测量。

需固定点的相对位移传感器技术

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不同于结构试验室环境，对户外实际结构的位移测量是很困难的，其主要原因在于：在实际的土木工程结构中，一般找不到用于固定位移计的相对静止的参照点，因此包括激光干涉仪、光栅尺、线性可变差动变压器（LVDT）等在内的位移测量技术均不适用于实际土木工程结构的位移监测。

不需固定点的准动态位移监测技术

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全球定位系统（GPS或GNSS）虽然不需要在结构上寻找相对静止的参照点，但由于其昂贵的价格、较低的采样频率和较差的精度，限制了只能将测点布置于结构的少数几个重要位置上，而且这些位置的位移振动幅值需远大于GPS的测量精度，如桥梁的跨中或塔顶[1]。近年来业界屡有消息传来，称国产的北斗系统精度、雷达技术等‘明星’技术可达到毫米级，究竟是否如此，恐怕需要仔细甄别其中是否存在商业宣传成分。

加速度积分加速度成位移技术

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相对于位移监测，加速度监测技术成熟、精度足够、成本低廉且不需要相对静止的参考点，成为土木工程结构健康监测的不可或缺的内容。通过积分加速度测量数据得到结构运动的速度与位移，这无疑会是获取结构位移信息的一种最简便和廉价的方法。

当然，若要将该方法运用于实际结构健康监测中，应满足两个前提：一，积分结果必须高质量，即波形误差小、时间滞后低、频谱结构不扭曲；二，积分过程应是以实时在线的方式实现的，以满足监测的实时性要求。实现加速度积分成位移的途径有两个，一是模拟积分；二是数值积分。

• 模拟积分
  
  

自带模拟积分和微分电路的多功能加速度传感器

这类技术是在加速度传感器端集成模拟积分电路和模拟微分电路，然后一次性输出位移、速度和加速度共三路模拟信号，再经过AD采集系统，得到位移、速度和加速度测量值。

此类多功能传感器（模拟积分）的缺点有两条：

1幅频特性差

由于模拟积分电路输出信号与输出信号的频率成反比，因此随着加速度模拟信号的频率增加，模拟积分得到的速度和加速度信号衰减很快，信噪比降低，精度变差。一般在0.2~20Hz间，积分得到位移和速度信号还勉强可用；

2相频特性差

就周期信号的测量而言，相位差的存在，并不影响它的有效值。然而，当信号既含高频分量，也含低频分量时，相位差将使信号的波形失真，响信号测试精度, 特别是使峰值精度大大降低。所以，积分法一般不能用来测量宽带频率的信号。

• 数值积分
  
  

相比于模拟积分，数值积分可以较好地克服上述两点缺点。可以在很宽的频带范围内处理复合成分的加速度信号积分，得到精度更高的位移和速度信号。

对于加速度数值积分的研究已经有了很长的历史。这些研究可以分为时域积分和频域积分两大类。

频域积分算法需在积分前后进行信号的傅立叶变换和反傅立叶变换，这将引起较大的截断误差，难以保证质量；而且频域积分以批处理方式进行，难以在线实现。

时域积分算法直接对加速度测量信号进行操作，可以避免上述变换造成的误差，但却受到漂移的困扰。

为此，多数关于时域积分的研究其实就是在寻找产生漂移的原因和纠正漂移的办法。研究发现，传感器的基线漂移、随机测量误差的积累和积分初值的缺失是导致漂移的主要原因，与之相应的漂移纠正方法也被相继提出，诸多研究表明，最小二乘估计和滤波处理结合的方式是效果最佳的方案。

由于这些研究专注于地震工程学领域的问题，因此多数算法采用了对加速度记录的起始段和末尾段用零值固定的处理方式，当将其用于加速度起始段和末尾段均未知的场合时，由其边界效应造成的误差是难以忍受的；而且这些算法均为批处理算法，实时性也难以提高。因此，上述方法不能直接用于结构监测中。

在结构监测环境下，对积分结果的实时性要求很高。近年来，针对这一需求，不少研究给出了实时的积分算法，但这些算法均未能实现加速度测量基线的在线最小二乘估计，因此积分结果质量不佳。比如，Suresh Thenozhi等人认为最小二乘法难以在线化，提出了一种可在线化的替代方法校正基线，并在此基础上积分加速度信号；Hiroo Kanamori等人和Jonathan Abir等人干脆放弃基线估计，只用高通滤波器来实现加速度的实时积分。

在前人研究的基础上，本课题组研究一种既能实时在线，又能保证结果质量的积分算法，将成为把加速度积分应用于结构健康监测的关键。本文提出了基于递归最小二乘法的加速度在线基线纠正技术，结合递归高通滤波器和积分器，形成了一套实时在线的加速度积分算法，并通过仿真算例、振动台试验和实桥应用验证了该算法的有效性。

文章来源：桥梁结构智慧监测——淡丹辉（文章仅用于本网站交流学习，转载请注明出处，侵权必删）