为基于CompactRIO的大型桥梁结构安全监测系统研究

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1、作者：周兵孙小飞中交公路规划设计院有限公司应用领域：远程结构监测、分布式数据釆集、数字化桥梁挑战：大跨径特大型桥梁是一个分布式、非线性、强耦合、多变量和时变性复杂的系统,对其结构参数的验证与分析是一项庞大的工程。国内首次将CompactRIO分布式采集系统成功应用到大跨径特大型桥梁的结构监测中去，通过先进的自动化测试技术，对大桥的静/动态响应、动态交通荷载、环境荷载等信号进行实时、精确同步的测量和分析,为实时监测结构损伤及内力状态，有效的掌控运营期桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势，并为制定相应的大桥管理对策提供技术支持建立桥梁全寿命期的数字化、信息化“档案”提供了科学依据。应用

2、方案：基于CompactRIO的可重配置平台和丰富的信号采集模块，利用NILabVIEWFPGA开发一套适用于整个大桥结构监测的分布式信号采集系统。同时，结合NILabVIEW提供的大量经典的信号处理函数和现代的高级信号分析工具，迅速、准确的完成结构参数的在线分析和二次处理，为大跨径特大型桥梁综合监测系统有关数据采集传输预处理与控制的建立提供了一套完备而系统的方案。使用的产品：LabVIEW8.2软件开发平台LabVIEWRT8.2实时模块LabVIEWFPGA8.2工具包LabVIEWInternetToolkit6.0工具包LabVIEW.Database.Connectiv

3、ity.Toolkit.v1.0.2工具包MeasurementStudio6.0类库和控件库CompactRIO-9104可重新配置嵌入式机箱CompactRIO-9014嵌入式控制器CompactRIO-9401高速同步计时卡CompactRIO-9215高速电压信号釆集模块CompactRIO-9871标准串口转换模块CompactRIO-9203模拟电流釆集模块正文：一.引言随着桥梁设计水平和施工技术的日见成熟，桥梁的建设取得了突破性的成就，一批大跨径桥梁应运而牛，桥梁建设正朝着规模的大型化、形式的轻柔化、功能的复杂化发展。同时，桥梁结构的安全性与耐久性越來越受到人们的高

4、度重视，有关大型桥梁的结构健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界必须解决的问题。目前,随着传感测试技术、计算机信息处理技术、结构分析技术和桥梁工程技术等相关学科的进一步发展，针对特大型桥梁结构的安全监测与安全预警研究和实践成为可能。原本应用于军事领域的先进智能材料与结构技术，也在桥梁结构健康监测领域得到应用，使得对大型桥梁结构进行健康监测的技术总体上正朝着智能化和系统化的方向发展。一.集美大桥的系统背景与设计原则厦门集美大桥及接线工程是厦门市城市道路交通网络布局中本岛与大陆腹地跨海通道的重要组成部分，也是厦门市出岛交通路网规划中重要的跨海通道之一。大桥建成后将

5、承担巨大的岀入岛交通流，因此，结构安全监测的重要性就显得格外突出。系统整体监测项目如下：1）荷载源监测：主要为桥址区域环境荷载监测：①风荷载监测；②温度、湿度监测;③控制截面温度梯度监测；④交通荷载（与计重收费系统共用）2）结构动、静态响应监测①主桥的空间位置变化监测，主要为各跨跨中下挠监测；②主、引桥控制截面静应力监测；③主、引桥体外预应力监测；④主、引桥体内预应力监测；④主、引桥结构动力及振动特性及其变化监测二.桥梁结构监测安全预警系统的总体设计根据系统的功能要求本系统包括以下子系统：1）自动化传感测试子系统，其包括以下几大模块：①传感器子模块通过传感器将各类监测转换为电（光

6、）信号。①数据釆集与传输模块将监测信号转换为数字信号并完成远程传输。②数据处理与控制模块将监测信号进行预处理以向其它子系统提供有效的监测数据，根据需要控制监测参数的采集。以上3部分构成自动化传感测试子系统。2）电子化人工巡检养护管理子系统3）综合安全评估子系统4）中心数据库子系统5）用户界面子系统其结构示意图如图1所示：图1桥梁结构安全监测系统结构示意图接下来将重点介绍监测系统的数据采集、传输、预处理与控制的子系统。1.自动化传感测试子系统各类信号采集、处理方案整个系统共设置3个cRIO采集站。采集站在左右两幅桥各布置一个，BRT桥布置一个。实现的采集工作包括加速度同步采集压力变

7、送器、温湿度仪、风速仪、振弦式应力计、磁通量索力计信号和串口信号的采集。这些传感器输出信号种类多种多样，大大增加了采集系统构筑的难度。系统针对不同类型的传感器，选用合适的采集设备和方案。系统结构组成如图2所示。I图2自动化传感子系统结构示意图cRIO可编程工业I/O系统具有嵌入式控制器和机箱，选配多种功能的信号采集卡,完全工业级的设计。*采用的cRIO控制器NI9014为嵌入式控制器。*采用的cRIO机箱NI-9104为8槽嵌入式机箱，具W-4O-7O0C的操作温度范围，3百万可