无线振动传感器---桥梁振动监测应用

一、相关简介

截至2023年底，全国共有公路桥梁80.53万座。这一数字反映了中国桥梁建设的规模和成就，展示了中国在桥梁工程领域的强大能力和技术水平。伴随建设里程的增加与使用年限的增长，桥梁在使用过程中会受到环境、车辆、风力、人为等各种因素的影响，使桥梁结构产生不同程度的损伤，桥梁寿命因此缩短，严重的会突然崩塌。桥梁检测就是提前预检桥梁结构问题，早发现早治疗，避免更严重的事故与经济损失。

为桥梁安装振动传感器可追溯到1942年的美国，当时在金门大桥安装的振动传感器，之后的一些新建桥梁也安装了振动传感器。振动传感器可以采集桥梁的振动数据，来判断桥梁是否存在损伤。当呈现的振动数据不寻常时就可能出现了问题。桥梁在振动时，90%的结构构件都会参与振动，因此加速度传感是桥梁检测不可缺少的传感器之一
本文以我司实际参与的一些桥梁监测及检测项目为背景介绍无线振动传感器在桥梁检测及检测中的应用。

二、桥梁振动特点

桥梁振动的主要特点包括有限振幅振动、风速低频率高、对风的作用敏感、以及可能导致的结构损伤。

有限振幅振动:杯梁振动通常表现为有限振幅振动，这意味着杯梁的振动幅度是有限的，不会导致桥梁的气动失稳。然而，过大的振动响应可能会危及桥面行车的安全。

风速低频率高:桥梁振动通常发生在较低的风速下，但频率较高。这种低风速高频率的特点使得桥梁振动成为设计时需要考虑的重要因素，尤其是在设计大跨度桥梁时，必须注重强度、刚度和稳定性抗风设计。

对风的作用敏感:现代桥梁结构趋向于更长、更细、更轻和更柔，这增加了它们对风的 敏感性Q。这种敏感性意味着桥梁更容易受到风的影响，从而产生振动。

可能导致的结构损伤:虽然桥梁抖振一般不会导致桥梁的气动失稳，但由于发生抖振响应的风速低、效率大，会使构件的接头或支座等构造细节发生局部疲劳破坏。过大的抖振响应还会危及桥面行车的安全。

此外，桥梁振动还可能包括涡激振动和风雨激振等特定类型的振动。涡激振动是由于旋涡脱落频率接近桥梁的固有频率时产生的，而风雨激振则是在风和雨的共同作用下，由于拉索表面水线的出现改变了拉索的截面形状，使其失去在气流中的稳定性，从而产生的大幅振动。这些振动类型对桥梁的安全和稳定性构成挑战，需要在设计和维护过程中给予特别关注。

三、应用传感器选型

根据桥梁产生振动的原因。在桥梁检测及监测过程中使用的振动传感器主要有两大类，第一类为高精度型振动传感器，用于检测杯梁低频振动。第二类为普通型振动传感器用于检测检测桥梁受到车辆载荷冲击所造成的振动。
普通型振动传感器参数
通道数:3通道 X、Y、Z
量程@精度:2@4mg
量程@精度:4@8mg
量程@精度:8@16mg
量程@精度:16@32mg
采样位数:10位
采样频率:1-200HZ


高精度型振动传感器参数
通道数:3通道 X、Y、Z
量程@精度:2@4μg
量程@精度:4@8μg
量程@精度:8@16umg
采样位数:24位
采样频率:1-200HZ

三、系统组网构成
1、对于桥梁振动监测系统通常采用节点+网关+数据平台的方式为上层用户提供监测界面。

2、对于桥梁振动检测系统通常采用节点+网关+数据采集软件Q 进行振动数据的采集处理工作。

以下是我们常用的系统组网构成图

登录/注册后可看大图

通常情况下在一个桥梁检测项目中，我们会同时使用应变、位移，震动，倾角等多种传感器。通过网关或4G网络。将数据发送到平台，数据采集软件。

四、数据处理与分析

桥梁振动数据的处理主要包括数据可靠性检验、时域分析和频域分析。

数据可靠性检验是处理流程的第一步，旨在分析数据异常原因并剔除异常数据，确保数据的可靠性和准确性。这一步骤对于后续的数据分析至关重要，因为它可以帮助去除由于环境噪声、仪器设备等原因产生的错误或异常数据。

时域分析适用于直接在时间域内处理分析时间序列数据，能够直观地展示数据变化趋势和特征值，适合处理如应力、温度、位移等类型的健康监测数据。时域分析的方法包括趋势统计和特征值统计，适用于单一研究对象的数据处理。

频域分析通过分析数据在频域内的能量分布来获取特征参数，适合处理如脉动风及振动等类型的健康监测数据。频域分析的方法包括相关性分析和回归分析，适用于多个研究对象之间的相关规律分析。

五、数据处理结果

通常情况下，对桥梁振动数据，处理结果主要体现在以下几个方面
1、震动的峰值:用于表现桥梁振动的剧烈程度。
2、振动烈度值:振动速度的有效值,
3、振动位移:用于反映因震动而产生的桥梁挠度变化情况。

4、振动频谱:根据振动原始数据分析振动的频率分布及各频点振幅(加速度值)