桥梁健康监测设计与数据采集分析

论文摘要

桥梁安全是举世瞩目的重大科技和社会问题。地震、飓风、洪水等自然灾害，结构与材料老化、腐蚀、环境变化等引起的自然退化，以及管理混乱、偷工减料、贪污腐败等一些非自然因素，导致工程构造破坏或潜藏不安全隐患，使人民生命财产受到严重威胁。但是，自然灾害很难精确预测，自然退化事实上不可避免，非自然因素几乎防不胜防。因此，人们希望未来的桥梁工程具有以下几个方面的特点：以生物界的方式感知结构系统内部的状态和外部的环境，并及时做出判断和反应；能感知和预报结构内部的隐患、整体与局部的变形和受损的情况；应具有信息处理系统，能迅速地处理突发事故，并能自动调节和控制，以使整个结构系统始终处于最佳工作状态。本文首先阐述了桥梁健康监测的意义，介绍了国内外研究的现状；探讨了桥梁监测的相关理论；介绍了桥梁健康监测系统的总体设计方案，并阐述了系统的试验过程。该系统已通过省级鉴定。系统选用压电片P-51作为压力传感器，采取了多传感方式，根据传感器优化理论选择布设方案。压力传感器受到压力，产生电荷，且产生电荷的大小与受到的压力大小保持对应关系，系统基于这个原理将桥梁的振动信号转化为电荷信号进行采集和处理。系统依据传感器的原理设计出4路的压电传感器放大电路，在桥梁监控系统主控板设计时为保证系统的稳定性，采用了ATmega64高性能处理器。数据信号采集过程中采用AD7708进行数模转换，并设计了合理的AD7708前端隔离电路以达到抗干扰的作用。而上位机监测系统通过软件方式连续地对数据信号进行读取，获得数据，并以数值和二维图像两种形式实时显示这些数据，从而能如实直观反映桥梁当前的受压振动情况。并对桥梁模型加载不同的荷载量，观察桥梁的振动情况，软件同时能实时地对数据做相应处理，通过实时FFT变换和小波变换，能直观得到桥梁在承载不同载荷量的情况下，桥梁振动的频率分布情况及其变化趋势，根据这些变化来判断桥梁的承载能力及承载极限。通过对模型桥梁加载不同的荷载量和各种破坏来模拟实际桥梁的健康受损情况，经采集系统对实验数据进行采集，上位机监测软件能实时地反映出桥梁振动幅度和频率的变化情况。利用傅里叶变换和小波变换对数据作细致分析，能判断出桥梁模型承受不同荷载时的变化情况。软件同时可结合一段时间内的数据对桥梁状况作整体的评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 桥梁健康监测的发展历程和国内外现状
• 1.3 桥梁健康监测的基本方法及缺陷
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 相关理论知识
• 2.1 压电式传感器的基本原理
• 2.1.1 石英晶体的压电反应
• 2.1.2 压电陶瓷的压电效应
• 2.1.3 压电式传感器的等效电路
• 2.1.4 压电式传感器的测量电路
• 2.2 传感器的优化布置
• 2.3 结构损伤识别方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 桥梁健康监测系统总体设计
• 3.1 桥梁健康监测系统数据采集电路的原理
• 3.2 前级调理电路设计
• 3.2.1 电荷放大器概述
• 3.2.2 电荷放大器实现
• 3.3 桥梁监控系统主控板设计
• 3.3.1 主控板设计
• 3.3.2 AD7708 模数转换器
• 3.3.3 数据信号采集箱控制
• 3.4 上位机接收数据存储
• 3.5 本章小结
• 第四章 桥梁健康监测系统试验应用
• 4.1 桥梁动载试验的基本方法
• 4.2 桥梁动载试验过程
• 4.3 试验结果
• 4.3.1 MATBLE 仿真结果
• 4.3.2 VC 环境试验结果
• 4.4 本章结论
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 一、在校期间发表的学术论文
• 二、在校期间参加的项目
• 三、在校期间获奖情况