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土木工程学报 2024年

作者：吴桐周志祥唐亮深圳大学土木与交通工程学院重庆交通大学土木工程学院

为改善现有计算机视觉技术在桥梁结构动态位移监测精度、采样频率、便捷性等方面存在的不足，并充分挖掘各类监测响应中的有效信息，提出一种基于视觉位移和加速度多尺度滤波重构位移的方法，可实现位移在时域和频域的精度提升。首先推... 详细信息

为改善现有计算机视觉技术在桥梁结构动态位移监测精度、采样频率、便捷性等方面存在的不足，并充分挖掘各类监测响应中的有效信息，提出一种基于视觉位移和加速度多尺度滤波重构位移的方法，可实现位移在时域和频域的精度提升。首先推导了位移重构过程在时域和频域的理论表达式，分析了目标精度、时窗长度及采样频率的影响及取值依据，提出由视觉位移提供位移的准静力分量，由加速度提供位移的动力分量，二者通过互补滤波融合实现高精度位移重构；其次，由视觉位移和加速度中的同频带响应进行最小二乘拟合，可以在无需任何结构尺寸与测量参数条件下，快捷、自动计算视觉位移的比例因子。通过对实验室悬索桥缩尺模型进行两种工况的试验和户外两跨连续梁桥的动载试验，验证所提出方法对桥梁位移监测的可行性。模型桥试验中，以位移计实测位移为参考，融合位移的误差比视觉位移最大减小了约50%，比例因子计算误差小于2%；实桥试验中，比例因子计算与传统计算方法的误差小于8%。在两类试验中，相比视觉位移，融合位移均能够获取试验桥梁的高阶响应。研究结果表明所提出的方法能得到高精度、宽频域和低噪声的位移，可推进计算机视觉在桥梁结构健康监测领域的进一步应用。

关键词：桥梁工程桥梁位移监测计算机视觉数据融合互补滤波比例因子

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基于多模干涉的光纤超声波位移传感器系统的优化研究

基于多模干涉的光纤超声波位移传感器系统的优化研究

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作者：赵扬阳东南大学

学位级别：硕士

随着科学技术的进步和城镇化建设的推进,土木交通事业得到了蓬勃的发展。为了满足地区间的联系和解决交通拥堵的问题,桥梁的建设数量日益增加,一大批桥梁相继建成,其结构形式和功能日益多样化,逐渐地承担了区域经济增长的重任。然而桥... 详细信息

随着科学技术的进步和城镇化建设的推进,土木交通事业得到了蓬勃的发展。为了满足地区间的联系和解决交通拥堵的问题,桥梁的建设数量日益增加,一大批桥梁相继建成,其结构形式和功能日益多样化,逐渐地承担了区域经济增长的重任。然而桥梁作为百年大计,其服役年限达到几十年甚至百年,期间荷载情况极其复杂,如风荷载、温度、车辆荷载及地震荷载等,其安全性时刻受到环境的考验。为了保证桥梁的安全性、耐久性和适用性,构建一个经济且有效的桥梁位移监测系统是极其重要的,其能及时地反馈桥梁安全状况,对即将产生的灾害发出预警,防止生命财产的损失。鉴于现有桥梁位移监测系统技术的局限性,本文研发了新型桥梁位移监测系统,具有重要的工程实用价值及经济意义。本论文首先分析了桥梁位移监测的研究背景和意义,通过对现阶段国内外的桥梁位移监测技术、光纤传感器技术和超声波测距技术原理及优缺点的比较分析,总结了目前桥梁位移监测技术的局限性,为本论文新型位移监测技术的开发提供了参考依据。其次针对桥梁位移监测系统适用性的要求,本论文提出了基于多模干涉的光纤超声波传感器系统用于桥梁三维位移非接触式监测,并开展了光纤传感器封装材料优化选择及传感器结构性能的优化设计等方面的研究。最后针对桥梁监测系统高精度的要求以及三维位移监测的需求,本论文开展该传感器系统温湿度环境因素串扰影响的实验研究及其误差修正方法的提出、光纤超声波三维位移传感器机理、模型、系统的理论及实验研究、基于斜向位移传感的三维传感器系统的可行性分析、简化后的三维位移传感实验和桥梁位移模拟监测实验等多方面研究。本论文的主要研究内容包括:1、系统分析了现有桥梁位移监测技术现状,对比分析其优缺点及使用范围,总结了目前桥梁位移监测技术的局限性,并调研了光纤传感器技术、超声波测距技术的研究现状,提出了基于高弹振膜的多模干涉型光纤传感器系统运用于桥梁结构的三维位移监测。2、理论结合实验研究了传感器振膜材料特性优化技术,分析了高弹振膜的弹性模量、泊松比等材料特性对传感器灵敏度的影响,并结合25kHz连续超声波探测实验结果,验证了通过对材料优化设计来提高光纤传感器灵敏度的可行性,并进一步开展振膜结构优化技术研究,通过ABAQUS软件对高弹振膜在25kHz的简谐荷载作用下的稳态位移进行了有限元分析,得到了传感器膜片厚度对其灵敏度影响的一般规律,结合超声波探测实验,验证了通过对传感器结构优化来提高传感器灵敏度的可行性。在此基础上,通过有限元模拟和实验研究,得到了相对最优的传感器高弹振膜结构(直径10mm且厚度0.25mm)。经过材料和结构优化后传感器的灵敏度由原有的63.2mV增加至326.1mV,非接触探测距离从原有的7m提高到15m,有效地提高了光纤传感器的响应灵敏度和响应强度,实现该传感器系统非接触式位移探测距离的大幅增加。3、搭设了基于多模干涉的光纤超声波位移传感器系统,结合位移传感实验,验证了光纤超声波位移传感器系统进行高精度位移传感的可行性。在此基础上,本论文进行了温湿度环境因素串扰影响研究,通过环境串扰实验对该系统的精度的稳定性进行实验研究,并得到了环境温湿度变化对系统的精度影响的规律。结合实验结果分析,建立了该系统精度的温湿度误差修正方法。经实验研究证明,经过修正以后的传感器系统最大误差由原先的4.8%降低至3.46%。4、首次提出了基于空间解析的光纤超声波三维位移传感方法及其理论模型,通过超声波脉冲信号探测实验和斜向位移传感实验,验证了建立三维位移传感实验的可行性,并开展了简化后的三维位移传感探索性实验研究。研究结果表明,当该系统在X轴、Y轴和Z轴同时进行3mm位移传感时,其最大误差为0.18mm,相对误差为6%,能够实现了三维位移传感器的高精度非接触式位移传感,验证了该传感器系统对三维位移探测的可行性。5、研究了桥梁完工后位移变化的一般规律和特性,在实验中模拟不同阶段工况下桥梁的单方向大位移、单方向小位移和三维位移,采用所设计传感系统的最大相对误差为3.28%,初步实现了光纤超声波三维传感器系统进行桥梁完工初期大挠度、完工后期小挠度及运营期桥梁三维位移的非接触式位移模拟监测,验证了光纤超声波三维位移传感器系统高精度地测量测点的单方向大位移、单方向小位移和三维位移的可行性,为实际的桥梁位移监测提供了实验基础与理论依据。

关键词：桥梁位移监测超声波光纤传感器光纤超声波传感器系统三维位移

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