基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置的制作方法

1.本实用新型属于传感器应用技术领域，更具体地为一种基于变电容式加速度计的大型(多孔跨径总长大于等于100m)斜拉式桥梁挠度监测装置。


背景技术：

2.当前，我国桥梁数目日益增多，为提供最佳的营养决策以提高桥梁的使用寿命，针对桥梁结构本身的特点设计相应的结构健康监测系统愈发具有必要性。桥梁挠度作为结构健康监测内容的重要对象之一，相比起其他的监测对象对桥梁潜移默化、不易察觉的影响，它能够直观地反映出桥梁的整体结构稳定性，因此，长久以来一直是健康监测系统的重点研究方向。
3.桥梁挠度的监测通常通过使用倾角仪、自动全站仪、数字水准仪、gps等设备实现。倾角仪的测量精度较高，但其测量误差会受到测量选点的影响，如将其安装在桥墩附近会对测量结果产生较大误差。全站仪具有测量精度高的优势，但其体积大、成本高，同时安装位置受到限制。数字水准仪的测量会受到光照影响，同时其测量范围有限，无法测量大跨度桥梁。gps测量范围广，且能实现非接触测量，但其测量精度较低。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置，以避免安装麻烦、测量精度受到选点影响大及精度有限等问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
6.一种基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置，包括大型斜拉式桥梁模型、变电容式加速度计、一维电压信号采集与传输设备、数据处理与显示单元。
7.进一步地，大型斜拉式桥梁模型为实际桥梁的等比例缩放模型；所述变电容式加速度计紧固于大型斜拉式桥梁模型的桥梁桥面中点上方，用于监测大型斜拉式桥梁模型的挠度。一维电压信号采集与传输设备与变电容式加速度计连接，用于采集与传输变电容式加速度计的输出电压信号。所述数据处理与显示单元与一维电压信号采集与传输设备连接；所述变电容式加速度计为msv3100a-02；所述一维电压信号采集与传输设备为inv3068智能采集仪。
8.进一步地，所述大型斜拉式桥梁模型为三孔五跨的双塔双索面模型。
9.进一步地，所述变电容加速度计是单轴或者多轴加速度计。
10.本实用新型的有益效果：本实用新型利用大型斜拉式桥梁模型模拟真实桥梁振动，变电容式加速度计安装于桥梁模型的桥面中点用于监测桥梁模型的挠度。通过处理与显示单元保存与显示加速度计输出的电压信号以及结合变电容式加速度计的标度系数与电压信号解算桥梁的挠度。本实用新型具有测量方便、过程简单、高效、时间短、测量精度高的优势。相比于当前大型桥梁常用的倾角仪法、自动全站仪法、数字水准仪法、gps法等存在测量方式麻烦、高成本、精度低、易受干扰、无法测量动挠度等问题，本装置仅需将加速度计
安装于桥梁表面即可实时测量其振动时产生的加速度，并能通过系统迅速解算成挠度，具有测量方便、过程简单、高效、测量精度高的优势。
附图说明
11.图1是本实用新型的具体实施实例中基于变电容加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置示意图。
12.图中：
13.1、大型斜拉式桥梁模型；2、变电容式加速度计；3、一维电压信号采集与传输设备；4、数据处理与显示单元。
具体实施方式
14.为了便于本领域相关技术人员对本实用新型专利技术方案的理解，同时，为了使本实用新型的技术目的、方案及有益效果更加清楚、明确，并使权利要求书的保护范围得到充分的支持，下面以具体实例的形式对本实用新型的技术方案做出更进一步的、详细的说明。
15.如图1所示，一种基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置，包括大型斜拉式桥梁模型、变电容式加速度计、一维电压信号采集与传输设备、数据处理与显示单元。所述大型斜拉式桥梁模型垂直放置于地面，用于模拟实际的大型斜拉式桥梁，所述变电容式加速度计紧固于所述斜拉式桥梁模型桥面中点上方，用于测量所述大型斜拉式桥梁模型的挠度。所述一维电压信号采集与传输设备用于采集传输所述变电容式加速度计的输出电压信号。所述数据处理与显示单元处理一维电压信号采集与传输设备采集的电压信号，结合所述变电容式加速度计的标度系数与电压信号解算桥梁挠度，并保存与显示电压信号以及计算的桥梁挠度结果。
16.本装置用于测量桥梁的挠度中，所述大型斜拉式桥梁模型结构特点为三孔五跨、双塔双索面，其采用实际大型斜拉式桥梁的结构原料等效比例制成。所述变电容加速度计可以是单轴或者多轴加速度计，所述一维电压信号采集与传输设备型号为东方所inv3068数据采集仪。
17.工作原理：将大型斜拉式桥梁模型垂直于地面放置，对大型斜拉式桥梁模型施加外力，使其产生振动，安装于桥梁桥面中点上方的变电容式加速度计用于监测大型斜拉式桥梁模型的挠度。一维电压信号采集与传输设备采集加速度计的输出电压信号。数据处理与显示单元用于处理一维电压信号采集与传输设备所采集的电压信号，结合变电容式加速度计的标度系数与电压信号解算桥梁挠度，保存与显示电压信号以及计算所得的挠度结果。
18.所使用的变电容式加速度计为美泰msv3100a-02，精度达到小数点后八位。
19.在本实施案例中，选择msv3100a-02变电容式加速度计、inv3068智能采集仪为一维电压信号采集与传输设备、以及便携式笔记本为数据处理与显示单元组成实用新型的硬件系统。
20.将所测得的加速度转换为挠度的计算过程如下。
21.首先，根据变电容式加速度计的标度系数sm，将通过一维电压信号采集与传输设
备采集的电压信号v(t)转换成所测得的加速度a(t)：
22.a(t)＝v(t)/sm＝a'(t)+ε (1)
23.式中，a’(t)表示振动时的真实加速度，ε表示高频噪声。
24.其次，先利用低通滤波器过滤加速度中的高频噪声，再使用梯形积分法对加速度积分获得速度：
25.v'(i)＝v'(i-1)+[a(i)+a(i-1)]ts/2 (2)
[0026]
其中v’(i)表示速度，i＝1,2,3
……
n。n表示所采集的数据个数，ts是一维电压信号采集与传输设备的采样时长。
[0027]
由于积分后的结果中存在一次趋势项，导致积分结果存在严重偏移，因此需要将其消除。通过多项式极值拟合法拟合式(2)的数据，求解其包含的一次趋势项。设v(i)中所包含的多项式趋势项为求解式(3)中的k
p
使得i
min
取最小值：
[0028][0029]
则v’(i)中的趋势项可表示为fv(i)＝k
0v
i+k
1v
，消除一次趋势项后的速度v(i)可表示为:
[0030]
v(i)＝v'(i)-fv(i) (4)
[0031]
对v(i)积分，可得
[0032]
s'(i)＝s'(i-1)+[v(i)+v(i-1)]ts/2 (5)
[0033]
式中s’(i)表示挠度。
[0034]
对加速度二次积分后，挠度中会包含二次趋势项，同样利用式(3)对s’(i)进行拟合，求解多项式的系数，则s’(i)中的趋势项可表示为fs(i)＝k
0s
i2+k
1s
i+k
2s
。消除二次趋势项后的挠度s(i)可表示为：
[0035]
s(i)＝s'(i)-fs(i) (6)
[0036]
上述挠度的计算基于扰度计算原理进行，挠度的计算分析过程仅是为了便于本领域技术人员充分理解本技术方案的实施过程，该实施计算过程为计算机软件固定计算程序，不应被理解为实施本实用新型的必要技术手段。
[0037]
上述详细描述为本实用新型的一个具体实施实例，以便于本领域内相关技术人员的理解，其并非用以限定本实用新型的应用范围。显然本实用新型不限制于上述示范性实施实例的细节，本领域相关技术人员可以在本实用新型的基础上做出一系列的优化与改进、等同修改等。因此，应将实施实例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的保护范围应由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置，其特征在于，包括大型斜拉式桥梁模型、变电容式加速度计、一维电压信号采集与传输设备、数据处理与显示单元；大型斜拉式桥梁模型为实际桥梁的等比例缩放模型；所述变电容式加速度计紧固于大型斜拉式桥梁模型的桥梁桥面中点上方，用于监测大型斜拉式桥梁模型的挠度；一维电压信号采集与传输设备与变电容式加速度计连接，用于采集与传输变电容式加速度计的输出电压信号；所述数据处理与显示单元与一维电压信号采集与传输设备连接；所述变电容式加速度计为msv3100a-02；所述一维电压信号采集与传输设备为inv3068智能采集仪。2.根据权利要求1所述的基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置，其特征在于，所述大型斜拉式桥梁模型为三孔五跨的双塔双索面模型。3.根据权利要求1所述的基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置，其特征在于，所述变电容式加速度计是单轴或者多轴加速度计。

技术总结
本实用新型公开了基于变电容式加速度计的大型斜拉式桥梁挠度监测装置，该装置包括大型斜拉式桥梁模型、变电容式加速度计、一维电压信号采集与传输设备、数据处理与显示单元。大型斜拉式桥梁模型用于模拟实际的桥梁工作状态；变电容式加速度计用于监测大型斜拉式桥梁模型的挠度；一维电压信号采集与传输设备采集变电容式加速度计的输出电压信号；数据处理与显示单元处理采集的电压信号，实现从电压信号到桥梁挠度的解算，同时保存采集的电压信号与桥梁挠度监测结果。本实用新型具有测量方便、过程简单、高效、时间短、测量精度高的优势。时间短、测量精度高的优势。时间短、测量精度高的优势。


技术研发人员：蔡晨光 黄海辉 杨明 刘志华 刘文峰
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：2022.09.15
技术公布日：2023/10/20