桥梁健康监测传感器与数据采集系统现状与发展趋势

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 桥梁健康监测传感器与数据采集系 统现状与发展趋势 【摘 要】在桥梁健康监测系统 中传感器系统与数据采集传输系统有着 重要作用，直接决定着健康监测的准确 性和可靠性。本文通过对桥梁健康监测 传感器与数据采集系统应用现状的研究， 最后指出数据采集系统存在的不足及发 展趋势。 中国论文网 /5/view-5892505.htm 【关键词】桥梁健康监测；传感 器系统；数据采集系统；不足与趋势 1.桥梁健康监测系统 桥梁健康监测的基本内涵即是通 过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥 梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 状况异常严重时发出预警信号，为桥梁 的维护维修和管理决策提供依据与指导 1。然而，桥梁结构健康监测不仅是为 了结构状态监控和评估，其信息反馈于 结构设计的更深远的意义在于，结构设 计方法与相应的规范标准等可能得到改 进2。再有就是桥梁健康监测带来的不 仅仅是监测系统和对某特定桥梁设计的 反思，还可能并应该成为桥梁研究的 “现场实验室 ”。 一个完整的桥梁健康监测系统包 括以下 4 个子系统：（1）传感器系统， 位于整个桥梁健康监测系统最前端，负 责将荷载作用以及结构响应的物理量转 化为可供采集的光、电信号。 （2）数据 采集与传输系统完成传感器的触发、信 号采集、信号转换等工作。数据传输系 统则完成转换后的信号从现场向控制中 心传递的任务。 （3）数据处理与控制系 统该系统主要完成对数据采集、传输的 控制。 （4）结构健康评估系统完成桥梁 的分析与评估3。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 2.传感器系统 传感器系统位于健康监测系统最 前端，负责将荷载作用以及结构响应的 物理量转化为可供采集的光、电信号。 决定着桥梁健康监测的准确性与可靠性。 传感器是一种能将物理量、化学量、生 物量等转换成电信号的器件。输出信号 有不同形式，如电压、电流、频率、脉 冲等，能满足信息传输、处理、记录、 显示、控制要求，是自动检测系统和自 动控制系统中不可缺少的元件。传感器 能正确感受被测量并转换成相应输出量， 对系统的质量起决定性作用。自动化程 度越高，系统对传感器的精度、可靠性、 响应速度、获取的信息量要求越高。经 过科学技术的发展，传统的传感器技术 已达到其技术极限，与当今应用的需求 相比，存在很多不足之处：因结构尺寸 大，而时间（频率）响应特性差；输 入输出特性存在非线性；且随时间而 漂移；参数易受环境条件变化的影响而 漂移；信噪比低，易受噪声干扰；存在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 交叉灵敏度、选择性、分辨率不高。 智能传感器（intelligentsensor） 具有信息处理功能的传感器。智能传感 器带有微处理机，具有采集、处理、交 换信息的能力，是传感器集成化与微处 理机相结合的产物。而使用智能传感器 就可将信息分散处理，从而降低成本。 桥梁结构健康监测从监测范围可分为局 部监测和整体监测。其中局部监测主要 通过传感器来感知结构的重要部位或构 件；整体监测主要是采用整体监测技术 观测桥梁的整体变形、位移和振动等。 在桥梁健康监测中主要采用的传感器类 型包括，风速风向仪、环境温湿度仪、 加速度传感器、应变传感器、结构温度 传感器、位移计、GPS4等。 3.数据采集与传输系统 数据采集技术起始于 20 世纪 50 年代，1956 年美国首先研究了用在军事 上的数据采集系统，采集任务是由测试 设备高速自动控制完成的。由于该种数 据采集系统具有一定的高速性和灵活性， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 可以满足众多传统方法不能完成的数据 采集任务，因而得到了初步的认可。大 约在六十年代后期，国外就研究出成套 的数据采集设备。此阶段的数据采集系 统多属于专用的系统5。 20 世纪 70 年代中后期，随着微 型机的发展，诞生了采集器、仪表同计 算机融为一体的数据采集系统。这种数 据采集系统在性能上大大超过了传统的 自动检测仪表和专用数据采集系统。20 世纪 80 年代，随着计算机的普及应用， 数据采集系统得到了极大的发展，开始 出现了通用的数据采集系统。该阶段的 数据采集系统主要有两类：第一类以仪 器仪表和采集器、通用接口总线和计算 机等构成，主要用于实验室，在工业生 产现场也有一定的应用。第二类以数据 采集卡、标准总线和计算机构成，这种 系统采用积木式结构，把相应的接口卡 装在专用的机箱内，然后由一台计算机 控制。这种系统在工业现场应用较多。 在这两种系统中，如果采集任务改变， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 只需将新的仪用电缆接入系统或将新卡 再添加到专用机箱内即可完成硬件平台 重建。显然，这种系统比专用系统更加 灵活。 20 世纪 90 年代至今，数据采集 系统向分布式系统结构和智能化方向发 展，可靠性不断提高。由于物理层通信 采用 RS485、双绞线、电力载波、无线 和光纤等方式，所以其技术得到了很大 发展和完善，在现场数据采集和控制等 众多领域得到了广泛的应用。 桥梁健康检测系统中数据的采集 大致经历了三个阶段6：第一阶段是以 结构监测领域专家的感官和专业经验为 基础，对桥梁的状态进行一定的判断； 对诊断信息只能作简单的数据处理；第 二阶段是以传感器技术和动态测试技术 为手段，对桥梁结构状态及响应进行实 时监测；第三阶段，是以无线智能传感 器为技术手段，对桥梁结构状态及响应 进行实时监测，解决了传感器布线难的 问题。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 4.不足与发展趋势 但是这些进展在桥梁结构健康监 测数据采集的研究开发中还属于基础性 的探索，距离长期的、实时的数据采集 还有很大的差距。这是由于桥梁结构一 般十分庞大，不确定因素较多，工作环 境复杂，相应的监测点星罗棋布。因此， 为了获取结构关键位置的实时状态信息， 需要很多传感器，导致了目前桥梁结构 健康监测的许多困难归纳起来，存在的 问题有以下几点：（1）采集速度慢、 精度差、误差较大，而且布线较为复杂， 在应用上存在较大的局限性；（2）信 号调制、数据接口、系统整合等技术性 问题还有待进一步研究，以提高系统的 工作效率和抗干扰能力，降低成本； （3）如何在含噪声的环境中利用尽可 能少的传感器获取全面、精确、灵敏的 结构参数信息，并使所测结果具有良好 的实用性和代表性；（4）数据采集系