對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測中的傳感器原位自標(biāo)定系統(tǒng)的討論

概述

 

自《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(JT/T 1037-2016)發(fā)布以來，橋梁健康監(jiān)測行業(yè)進入快速發(fā)展階段。

2020年12月，交通運輸部發(fā)布《關(guān)于進一步提升公路橋梁安全耐久性水平的意見》，提出了兩階段目標(biāo)：2025年底前實現(xiàn)跨江跨海跨峽谷等特殊橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)全面覆蓋，到2035年橋梁監(jiān)測系統(tǒng)全覆蓋。

2023年11月，交通運輸部又發(fā)布了《關(guān)于進一步推動公路橋梁隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)工作實施方案》，將監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍擴大到471座特大橋梁和2200座中小橋梁。

2024年6月，交通運輸部選定2651座橋梁作為全國輕量化結(jié)構(gòu)監(jiān)測試點，正式開啟大規(guī)模應(yīng)用的步伐。

路安交科作為專業(yè)從事橋梁健康監(jiān)測的企業(yè)，自2015年至今參與了國內(nèi)多種橋型、多個大跨徑橋梁健康監(jiān)測項目。傳感器涉及《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(JT/T 1037-2022)‌中所述的環(huán)境、作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的各種傳感器。在傳感器的應(yīng)用使用方面積累了許多經(jīng)驗。

眾多傳感器中尤其以低頻振動加速度傳感器及其相關(guān)的動態(tài)采集系統(tǒng)調(diào)試難度最大。

如何確定正常信號波形？是否存在干擾信號？是否存在零點漂移？采集底部噪聲是否在合理區(qū)間？信噪比是否合理？什么是衰減曲線？什么是沖擊曲線？傳感器的靈敏度系數(shù)是否準(zhǔn)確？橋梁各個構(gòu)件振動頻率在哪個數(shù)值區(qū)間？現(xiàn)場采集系統(tǒng)接地是否合格？如何測試一個加速度傳感器？

以上這些專業(yè)問題初學(xué)者往往難以把握。技術(shù)人員需要有豐富的經(jīng)驗、較高的綜合判斷能力，才能確定加速度傳感器和采集儀是否處于正常工作狀態(tài)。

那么有沒有相對簡潔的方法或者儀器能夠幫助普通施工技術(shù)人員比較容易的確定傳感器和采集儀都處于正常的工作狀態(tài)呢？如果低頻振動加速度傳感器能夠不需要拆卸傳感器的情況下實現(xiàn)施工現(xiàn)場自標(biāo)定，這樣就可以確定加速度傳感器性能及功能是處于正常工作狀態(tài)。這樣的好產(chǎn)品對于橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)部署和實施太有幫助了！

基于這個想法，我單位開發(fā)出一款自帶標(biāo)定功能的低頻振動加速度傳感器，型號為RS-BD。

 

自帶標(biāo)定功能的低頻振動加速度傳感器原理功能

 

自帶標(biāo)定功能的低頻振動加速度傳感器RS-BD采用差分式磁鋼感應(yīng)振動原理，利用無源閉環(huán)伺服技術(shù)獲得良好的低頻特性和良好的阻抗匹配特性，可輸出振動加速度和速度兩種參量。傳感器內(nèi)置標(biāo)定功能，與配套采集儀使用，可實現(xiàn)傳感器的幅頻曲線的在線標(biāo)定，基于在線標(biāo)定結(jié)果確定傳感器是否正常工作，無需拆卸傳感器即可在項目現(xiàn)場進行標(biāo)定。

硬件工作原理：傳感器內(nèi)置主線圈和標(biāo)定線圈，兩個線圈通過特定的方式纏繞在一起。正常監(jiān)測狀態(tài)下只采集主線圈的信號，振動信號對線圈的作用遠大于標(biāo)定線圈，所以標(biāo)定線圈不會對常規(guī)采集產(chǎn)生影響。標(biāo)定情況下，采集儀給標(biāo)定線圈提供不同頻率的標(biāo)定信號，受標(biāo)定信號影響，傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊發(fā)生位移，主線圈同時產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)信號，這個感應(yīng)信號就是我們在軟件上看到的波形。

校準(zhǔn)計算方法：軟件內(nèi)置了采集儀輸出的標(biāo)定信號系數(shù)，這個系數(shù)是固定的，系數(shù)等于采集儀輸出的標(biāo)定信號幅值（峰值），與采集回來振動傳感器響應(yīng)的幅值做比較，公式是傳感器響應(yīng)的幅值/固定系數(shù)。每個傳感器在出廠時，都經(jīng)過振動臺測試，都有固定的標(biāo)定系數(shù)。現(xiàn)場標(biāo)定產(chǎn)生的系數(shù)如果與出廠標(biāo)定系數(shù)差值較大，則說明傳感器工作存在異常。如果差值較小，說明傳感器工作正常。

功能：該傳感器設(shè)有加速度、小速度、中速度、大速度四個檔位，用戶可以根據(jù)需求撥動上面微型開關(guān)選擇相應(yīng)的檔位。

 

撥檔說明

 

性能參數(shù)

 

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

 

配套動態(tài)采集儀

 

特點

動態(tài)采集儀，特點如下：

● 配套低頻振動加速度傳感器，實現(xiàn)傳感器項目現(xiàn)場標(biāo)定功能；

●可向第三方提供標(biāo)準(zhǔn)MQTT標(biāo)定命令；

● AD分辨率：24位,4～16路模擬量信號同步采集、存儲及實時上傳；

● 支持北斗、GPS、上位機網(wǎng)絡(luò)三種方式進行校時；

● 支持遠程修改參數(shù)、拷貝數(shù)據(jù)、存儲監(jiān)控、支持二次開發(fā)等；

● 可同時采集電壓、電流信號；可接入輸出信號為模擬電壓/電流的傳感器；

● 配套恒流源（4mA）可采集IEPE電壓輸出型壓電傳感器信號；

● 數(shù)據(jù)上傳接口：以太網(wǎng)接口，支持MQTT協(xié)議；

● 廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、邊坡等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集；也可應(yīng)用于機械設(shè)備如汽輪機組工等大型工業(yè)機械振動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集；

 

技術(shù)參數(shù)

 

配套調(diào)試軟件

配套調(diào)試軟件操作簡單，易學(xué)易用。

 

單次標(biāo)定過程分為五步：

（1）動態(tài)采集儀連接模式和IP地址、端口號設(shè)置

（2）啟動連接后的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)確認(rèn)

（3）選擇標(biāo)定通道和標(biāo)定值類型

（4）確定標(biāo)定結(jié)果存儲位置

（5）點擊自標(biāo)定開始，標(biāo)定結(jié)果顯示在軟件右下角數(shù)據(jù)表格中。

 

說明：

（1）現(xiàn)場標(biāo)定需在設(shè)備安裝完畢后進行第一次初始值標(biāo)定。如下圖

 

其目的是獲得初始標(biāo)定值。標(biāo)定結(jié)果如下圖：

 

 

標(biāo)定頻率分為1赫茲、5赫茲、10赫茲、15赫茲、20赫茲、25赫茲、30赫茲，標(biāo)定過程采集儀自動掃描各個頻率，生成各個頻率下的原始標(biāo)定值。

（2）施工后，系統(tǒng)進入正常運行階段。此時可以定期自動對振動系統(tǒng)進行運行狀態(tài)下的設(shè)備標(biāo)定：

 

 

由標(biāo)定結(jié)果可知，標(biāo)定值變化比值為0.2%。說明此振動加速度傳感器性能良好。

 

優(yōu)點總結(jié)

 

上文所述標(biāo)定過程，可以通過技術(shù)人員在施工現(xiàn)場進行設(shè)備標(biāo)定。也可以通過監(jiān)測云平臺在云端定期自動進行標(biāo)定測試。這為健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)驗證帶來了極大的方便，解決了振動傳感器人工校準(zhǔn)的難題。系統(tǒng)自動遠程校準(zhǔn)，無論是業(yè)主方還是施工方，都可以節(jié)省標(biāo)定人力成本、節(jié)省標(biāo)定時間、增強數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、減少人為誤差和實現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)直觀及可視化提高管理效率‌。