桥梁健康监测传感器与数据采集系统现状与发展趋势

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【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。

【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]。

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、GPS[4]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，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，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。

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）数据采集系统在实时性、自动化、智能化方面等有待进一步发展。这涉及到结构、通讯、控制和计算机等多个学科领域；（5）实现系统的真正集成化、网络化。目前健康监测数据采集系统集成度较低，系统的真正集成化、网络化是应努力发展的方向。

【参考文献】

[1]李惠，欧进萍.智能混凝土与结构[J].工程力学，2007，24（z2）：45-61.

[2]邬晓光，徐祖恩.大型桥梁健康监测动态及发展趋势[J].长安大学学报（自然科学版），2003，23（1）：39-42.

[3]王戒躁，钟继卫，王波.大跨桥梁健康监测系统设计构成及其进展[J].桥梁建设，2009（z2）：7-12.

[4]施益峰，王帮峰，李迎.面向结构健康监测的高速数据采集系统的研究[J].传感器技术，2004，23（12）：22-24.