桥梁结构健康监测的无线传感技术研究

摘要

近年来,随着大型桥梁建设数量的增多以及形式与功能的日趋复杂化,桥梁结构健康监测技术作为确保桥梁安全的有效方法之一,已成为国内外学术界和工程界研究的热点。采用无线传感技术的桥梁结构健康监测系统,会大大降低建设成本、缩短安装周期、提高系统可靠性。而无线通信技术、传感技术、电子技术和信号处理技术的发展,促进了无线传感技术的应用和推广。目前基于无线传感技术的桥梁结构健康监测系统还不成熟,研制开发适用于桥梁结构健康监测的无线传感器具有重要的科学意义和经济价值。本文针对桥梁结构健康监测的无线传感技术进行研究。针对桥梁结构健康监测系统构成和桥梁整体性态监测需求,采用模块化设计方法,研制了适合桥梁低频振动特性的智能无线加速度传感器。通过天津永和桥现场测试表明,该系统能准确识别0~50Hz的振动,分辨率可达0.25mg,无线传输距离在450m左右,满足桥梁结构健康监测系统要求。针对桥梁局部应变监测要求,根据振弦式应变传感器数学模型对其工作机理进行了研究,重点设计了无线振弦式传感器的激励电路与检测电路,在此基础上研制了表面粘贴的无线振弦式应变传感器,进行了实验室混凝土梁静载实验。通过与有线应变采集结果的对比分析,表明该系统抗干扰能力强,分辨率达到桥梁结构应变监测的要求。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的和意义

1.2 桥梁结构健康监测系统

1.2.1 桥梁结构健康监测系统的组成

1.2.2 桥梁结构健康监测主要内容及关键问题

1.2.3 桥梁结构健康监测系统的应用及发展

1.3 无线传感技术国内外研究现状及应用

1.3.1 无线传感技术国内外研究状况

1.3.2 无线传感技术的应用

1.3.3 无线传感技术在桥梁结构健康监测领域的发展及应用

1.4 本课题的研究内容

第2章 桥梁整体性态监测的无线加速度传感器设计

2.1 引言

2.2 加速度检测单元

2.2.1 加速度计GT02

2.2.2 加速度检测电路设计

2.3 数据处理单元

2.3.1 微控制器对比分析

2.3.2 微控制器ATmega128L

2.3.3 数据处理电路设计

2.4 无线通讯单元

2.5 能量单元

2.6 程序设计

2.7 本章小结

第3章 桥梁局部性态监测的无线振弦式应变传感器设计

3.1 引言

3.2 振弦式应变传感器

3.2.1 自由振动弦的数学模型

3.2.2 受迫振动弦的数学模型

3.2.3 振弦式应变传感器工作原理

3.2.4 振弦式传感器结构及性能分析

3.3 应变检测单元

3.3.1 激励电路

3.3.2 检测电路

3.4 数据处理单元

3.5 程序设计

3.6 本章小结

第4章 无线传感器实验研究

4.1 引言

4.2 无线振弦式应变传感器实验

4.2.1 混凝土梁静载实验

4.2.2 基于算术平均与递推估计的数据融合

4.2.3 实验数据分析

4.3 无线加速度传感器实验

4.4 无线传感器性能参数

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢