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基于光纖陀螺的橋梁微小形變檢測技術

2016-04-13 08:38:00甘維兵胡文彬符晶華
中國慣性技術學報 2016年3期
關鍵詞:線形陀螺光纖

甘維兵,胡文彬,張 瑤,劉 芳,李 盛,符晶華

(1. 武漢理工大學 光纖傳感技術與信息處理教育部重點實驗室,武漢 430070;2. 武漢理工大學 光纖傳感技術國家工程實驗室,武漢 430070)

基于光纖陀螺的橋梁微小形變檢測技術

甘維兵1,2,胡文彬2,張 瑤2,劉 芳2,李 盛2,符晶華2

(1. 武漢理工大學 光纖傳感技術與信息處理教育部重點實驗室,武漢 430070;2. 武漢理工大學 光纖傳感技術國家工程實驗室,武漢 430070)

橋梁是現代交通運輸業(yè)最重要的組成部分,形變又是評價橋梁結構健康狀況最重要的指標之一??紤]到傳統(tǒng)形變檢測技術存在諸多不足,為了實現橋梁微小形變的快速、連續(xù)檢測,準確直觀地定位橋跨最大下撓處,提出了基于光纖陀螺(FOG)的微小形變檢測新方法,設計出了基于 FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)(CDMS)。通過對標定路段和大型跨江橋梁結構線形進行測試,并輔以水準儀進行數據比對,結果表明:對于100 m的標定路段,檢測精度可以達到5 mm;對于跨徑為400 m的跨江大橋,檢測精度可以達到2 cm?;贔OG的線形檢測系統(tǒng)在橋梁結構測試過程中,無需封路,不影響交通,具有方便、快捷、測量點連續(xù)、精度高等特點,尤其是在大跨橋梁的微小形變檢測中具有傳統(tǒng)技術無可比擬的優(yōu)勢。

橋梁工程;微小形變;光纖陀螺;連續(xù)線形;最大下撓

橋梁是現代交通運輸業(yè)最重要的組成部分。橋梁結構在外力作用下會產生形變,而各種病害如裂縫、預應力損失等最終也將導致橋梁結構發(fā)生形變,因而形變是評價橋梁結構健康狀況最重要的指標之一[1]。目前形變檢測的主要方法有采用光學儀器建立水準控制網進行測量、連通管測試系統(tǒng)、激光測量系統(tǒng)、光電圖像式測量系統(tǒng)以及GPS法等新型測試方法。

利用水準測量方法實現對大跨度預應力混凝土箱梁橋撓度變形的監(jiān)測已經沿用到現在,然而水準控制網的建立過程較為復雜,耗時長,受環(huán)境影響較大。王安元[2]在重慶菜園壩長江大橋橋梁荷載試驗過程中使用了連通管測試技術,該系統(tǒng)通過測量各測點與基準點的液面壓力差來得到各測點的撓度值,不僅需要預鋪水管,而且在使用過程中存在著響應時間慢,施工及維護成本高等缺點。熊友誼[3]等人采用激光掃描的方法對橋梁形變進行檢測,并輔以精密水準測量進行對比。楊小森、Yan Yu[4-5]等人提出了一種基于傾角儀和振型分解法的橋梁結構撓度測試方法。激光測量系統(tǒng)和光電圖像式測量系統(tǒng)主要是通過光學系統(tǒng)捕捉光斑或成像的位置變化得出光源的相對位置變化,這兩種測量系統(tǒng)都必須在橋上安裝固定設備作為參考點,當設備移動后無法獲得最初的測量基準狀態(tài),無法滿足長期測量要求,而且不同氣候條件對測量均有影響。劉浩、Ting-Hua Yi[6-10]等人采用GPS技術對大跨度橋梁結構的承載力進行檢測,對形變部位的坐標值進行殘差修正補償,減小轉化坐標誤差對測量的影響,并提出了采用CFRP加固方法進行數據修復。GPS技術通過接收導航衛(wèi)星的載波相位差分數據來實時測定站點的三維坐標,是一種新型的實時測量技術。GPS受外界環(huán)境影響小,可以在暴風雨中進行監(jiān)測,可以實現三維坐標的自動監(jiān)測。然而該技術在測量高程上精度較差,無法達到橋梁結構高精度形變測量要求,且成本較高,易受橋塔或斜拉索的干擾,無法展開大規(guī)模應用。

綜上所述,傳統(tǒng)測量方法均存在檢測周期長,實施成本高,測量點不連續(xù)等特點,很容易遺漏結構存在的潛在病害部位,難以滿足橋梁結構對微小形變檢測的快速、連續(xù)、精準需求。王立新[11]等人最早于2002年就提出了將光纖陀螺用于工程結構形變測量,張卓敏[12]等人也于2014年提出了將光纖陀螺用于大跨橋梁連續(xù)線形檢測,兩者均采用的是結構形變測量的近似算法,測量誤差較大,精度很難得到保證。本文根據光纖陀螺(FOG)對角速度敏感的特性,結合載體運行時提供的高分辨率里程信息,采用微小形變檢測新算法推導了FOG用于形變測量的基本原理和方法,設計出了基于光纖陀螺的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)(CDMS),并將該系統(tǒng)應用于試驗段小型拱橋和大型跨江橋梁結構線形測試,其檢測精度較高,測試效果良好。

1 光纖陀螺用于形變檢測的原理及算法

1.1 光纖陀螺用于形變測量的近似算法

利用光纖陀螺可精確測量載體運動姿態(tài)角的特點。采集當載體運動時陀螺儀和加速度計相對慣性空間的轉動角速度和線加速度沿運載體坐標系分量,結合里程儀的輸出信息,采用捷聯矩陣及積分運算方法即可推導出載體的運動軌跡[13-15]。具體描述如圖1所示。

圖1 光纖陀螺用于形變測量的基本原理Fig.1 Principle of deformation detection based on FOG

假設運載體從i點運動到i+1點,根據積分極限相似理論,當其運行時間間隔t極限小時,第i+1點的坐標(Xi+1,Yi+1)可以近似表示為:

其中,運載體的線速度為 Vi+1,角速度為 ωi+1,運載體與結構表面的初始夾角為θi。假設載體前后輪間距L是可以忽略不計的,將運載體視為一個質點,根據式(1)和(2)建立的遞推函數關系,即可開展運載體沿待測結構表面運行時連續(xù)線形軌跡的計算,質點運行的軌跡即為待測結構表面形變曲線。

1.2 光纖陀螺用于微小形變檢測的改進算法

在檢測結構微小形變時,將載體視為一個質點,用質點運動的軌跡來代替結構表面形變將會給測量帶來較大偏差。在實際測量時,運載體承載平臺與待測結構表面曲線的位置關系如圖2所示,B、A分別為運載體前、后車輪與待測曲線的接觸點,前后車輪間距AB為L。當載體沿著結構表面運行時,陀螺的輸出與割線AB傾斜角變化直接相關,前、后輪里程計分別記錄B、A兩點行進的距離。

圖2 運載體與待測曲線的位置關系Fig.2 Position relationship between the carrier and the curve

假定A、B兩點在曲線f(x)上運動,A、B兩點屬于剛性連接,在運動過程中距離保持恒定。i時刻A、 B兩點在處,i + 1時刻A、 B兩點運動到從i到 i+1時刻,B、A兩點行進的距離分別為 Δsb、Δsa,其中AiBi與Ai+1Bi+1的夾角為 θi,其輸出模型為:

由以上輸出模型可知:相比將運載體視為一個質點的近似算法,新算法中的運載體與曲線接觸點A、B更好地把握了系統(tǒng)與待測曲線在實際運動中的位置關系,客觀地采用割線AB傾斜角的變化反映陀螺的輸出,無需考慮割線AB是否近似為切線的問題,其測量結果更加真實、準確,特別適合結構微小形變的精確測量。

2 系統(tǒng)構成及檢測精度分析

2.1 系統(tǒng)構成

基于FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)主要由剛性四輪小車(運載體)、數據采集系統(tǒng)、里程儀及接口電路、蓄電池、光纖陀螺五大部分構成,如圖3所示。

圖3 基于光纖陀螺的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)Fig.3 Line-shape detection system for based on FOG

光纖陀螺用來敏感載體運動時的角速度變化,前、后輪高分辨率里程儀用來實時記錄載體運行時的里程信息,輔助加裝的位置傳感器用于修正邊界點,減振器用來緩解路面不平整帶來的顛簸,便攜式計算機用來實時采集和分析來自車體的相關信息。采用剛性四輪小車將以上各種傳感器、裝置及FOG集成于一體,即可構成基于FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)。其解算基本思路是將光纖捷聯慣導系統(tǒng)及里程計的輸出信息進行解算和航位推算就可以得到載體運行的軌跡,再利用起始點位置信息對姿態(tài)角誤差、里程計標度因數誤差進行補償,就可以確保系統(tǒng)的檢測精度。

2.2 檢測精度的分析

在實驗室水平地面放置一座結構對稱的剛性橋模,已知檢測小車的幾何尺寸長1 m、寬0.6 m,載重30 kg,考慮到檢測小車自重對剛性橋形變測試的影響,特在剛性橋底部增加剛性支撐以確保小車自重對形變的影響可忽略不計,從而有效開展形變檢測的研究。將檢測小車沿其表面推行,其實驗系統(tǒng)以及剛性橋模的結構線形、解析式如圖4所示,小車運行的軌跡即可表征剛性橋表面線形。

圖4 線形檢測系統(tǒng)實驗Fig.4 Experiment of line-shape detection system

以剛性橋解析式f(x)及基于光纖陀螺形變檢測原理為基礎進行仿真,可以解算出基于近似、改進算法的線形檢測系統(tǒng)經過f(x)時的輸出曲線。在改進算法中,將B、A兩點行進的距離Δsb、Δsa和AiBi與Ai+1Bi+1之間的夾角θi代入式子(3)至(6)進行積分推演,可得到如圖5所示的黑實線,其線形與剛性橋表面的結構線形高度吻合。

在近似算法中,假設運載體的前、后車輪間距L是可調的,從0.8 m逐漸減小到0.05 m,每一個L值均可對應得到一組陀螺輸出值,根據光纖陀螺線形檢測的原理即可推演出其相應的線形曲線,記為g(x)。該線形曲線表征了系統(tǒng)通過剛性橋f(x)時所測得的結構表面線形,其測量結果如圖5所示的散點線。由圖5可知:隨著運載體前、后車輪間距L逐漸減小,系統(tǒng)解算出的線形曲線g(x) 整體上越來越接近f(x),當L=0.05 m時,g(x) 與f(x) 基本吻合。

圖5 不同結構尺寸的運載體線形檢測曲線Fig.5 Detection curves for different sizes of vehicles

由此可知:對于結構微小形變的檢測,切不可采用光纖陀螺形變檢測近似算法,這樣會給測量帶來較大偏差;載體前、后輪間距大小與檢測精度密切相關,輪間距越小,測量的線形曲線越接近真實值,更加能反映結構的微小形變;改善算法充分考慮了運載體前、后輪行走的距離和割線傾斜角的變化,其測量結果更加真實、準確。

2.3 保障檢測精度重要條件

與慣性導航領域中的長距離軌跡測量相比, 基于FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)在檢測過程中具有以下特殊性:1)待測橋梁距離較短,可進行多次重復測試,提高測量精度;2)檢測過程耗時較短,環(huán)境溫度變化小,可忽略時漂、溫漂等因素對光纖陀螺自身的影響;3)待測橋梁結構尺寸已知,可利用邊界條件對線形數據進行修正。

在測試過程中,光纖陀螺的角速度變化保持在5 (°)/s 以內,陀螺標定因素非線性大約為10-4,對線形的影響非常小。與此同時,考慮到系統(tǒng)誤差及陀螺的隨機游走誤差,系統(tǒng)還采取了初始對準、首尾約束以及已知點校準的方法,從而確保其檢測精度。

3 系統(tǒng)的標定與測試

3.1 試驗場景

如圖6所示,該標定路段為某省道的重要組成部分,雙向四車道,設計時速60 km/h,于2012年建成通車,路段全長100 m,路面寬15 m,如圖7所示。在標定路段設置6個等距離的標志性坐標,以便線形檢測系統(tǒng)與水準測量方法進行數據比對。

圖6 標定路段試驗場景Fig.6 Test scenario of calibration road

圖7 參考點坐標分布Fig.7 Coordinate distribution of reference points

3.2 測試方法

采用水準儀按照圖7所示的位置對以上6個標志點進行閉合式測量,計算出其相對起點的高程值。然后,在標定路段兩端分別放置位置傳感器作為檢測小車運行的起點和終點,小車每次測試均從起點開始,終點結束,沿著馬路旁邊的白直線推行,其運行總里程為100 m。

在線形系統(tǒng)檢測前,將檢測小車對準即將運行的方向約120 s,采集靜態(tài)數據以便消除地球自轉及系統(tǒng)本身帶來的誤差;小車檢測過程中始終沿著路邊白直線推行從而確保軌跡的一致性;通過參考水準儀測試的起點、終點坐標進行校正,減少陀螺的隨機游走和發(fā)散性誤差;沿途設置若干位置傳感器準確定位各已知點物理位置,以便檢驗線形檢測系統(tǒng)在各已知點的測量精度。

3.3 標定實驗

讓檢測小車沿著同一路徑在標定路段表面空載運行8趟,通過對8趟數據的分析和整理,可知該系統(tǒng)的重復性如圖8所示。

從圖8可知,橫坐標表示起點到終點之間的里程距離,縱坐標表示相對起點的路面標高。從以上8趟數據曲線可以看出:該系統(tǒng)的一致性較好,基本能夠反映路面的結構線形;路面微小的不平整度也有所體現;多趟數據的發(fā)散性控制在1 cm以內,是因為采用了首尾數據約束的處理方法,從而控制了終點數據的發(fā)散性,使得中間里程的數據看起來離散型較大。

考慮到每趟人為推行檢測小車帶來的不確定性誤差,將線形系統(tǒng)(CDMS)在各已知點檢測的8趟數據進行平均處理,然后與水準儀測試的數據進行比對,可知該系統(tǒng)的檢測精度如表1所示。

由表1可知,線形檢測系統(tǒng)處理后的平均值與水準儀測試的數據十分接近,最大誤差為5 mm。

圖8 線形系統(tǒng)重復性測試Fig.8 Repeatability of the CDMS

表1 線形檢測系統(tǒng)與水準儀測試的數據對比Tab.1 Comparison of CDMS and level gauge

3.4 實驗小結

由圖8可知,系統(tǒng)在測試100 m路段的形變時,其重復性良好,最大偏差在1 cm以內,且能夠檢測到路面微小不平整度;由表1可以看出:采取多趟數據平均和首尾約束的處理方法可以大大提高系統(tǒng)的檢測精度;檢測的速度很快,100 m的待測路面大約在8 min左右完成,基本上可以不考慮溫度漂移對光纖陀螺的影響;其檢測精度較高,滿足結構工程測量對精度的要求。

4 實橋測試

4.1 工程概況

某跨江大橋是長江上第一座特大型預應力混凝土斜拉橋,是國家“八五”期間重點建設項目。大橋全長4407.6 m,主橋為雙塔雙索面鋼筋混凝土斜拉橋,跨徑為180 m +400 m +180 m,寬26.5 m,設6車道,H型主塔高153.6 m,高強平行鋼絲斜拉索。該橋日通車能力50 000輛,于1995年6月通車,如圖9所示。

圖9 某跨江大橋概貌Fig.9 Overview of a river-crossing bridge in China

4.2 主橋連續(xù)線形測試

為了進一步驗證線形系統(tǒng)在實際橋梁應用中的可靠性和檢測精度,利用該系統(tǒng)完成某跨江大橋主體橋梁結構連續(xù)線形檢測工作,且在部分區(qū)域采用水準儀對控制點相對高程進行復核,其主體橋梁連續(xù)線形曲線如圖10所示。

由表2可知,兩者在各控制點的相對誤差控制在1.5 cm以內,相對于主跨徑(11#和12# 墩之間)為400 m 的斜拉索橋,其檢測精度已經達到了較高的水平。

圖10 主體橋梁連續(xù)線形曲線Fig.10 Major bridge’s continuous line-shape curve

表2 CDMS與全站儀在各控制點的相對高程對比值Tab.2 Comparison on CDMS and indicator

4.3 最大下撓處定位

由于CDMS采用連續(xù)測量方法,運載體所經過之處,其結構線形隨即輸出。通過對橋梁主體結構線形進行觀察、分析,發(fā)現9#~10#墩之間存在變形較大區(qū)域,我們將該段數據進行精細化處理、分析,發(fā)現兩跨之間的最大變形區(qū)域并非跨中,而是偏離跨中23 m左右,如圖11所示。通過采用水準儀對該點進行重新復核,驗證了該系統(tǒng)的可靠性和準確性。

圖11 橋梁結構最大下撓處的準確定位Fig.11 Precise locate the maximum deflection of bridge structure

4.4 試驗小結

從圖10可知,沿橋縱向主梁形變是對稱的,與橋梁結構對稱的特性是相符的;由表2可知,線形系統(tǒng)測得的相對高程值與高精度全站儀最大偏差為 1.5 cm;由圖 11可知,線形系統(tǒng)能夠準確的定位橋梁結構最大下撓處,不會遺漏結構存在的任何病害處。對于400 m 跨徑橋梁而言,當相對高程差達到米級時,該測量精度滿足工程測量要求。

5 結 論

基于光纖陀螺的連續(xù)線形檢測系統(tǒng)借助運載平臺對結構表面進行移動式檢測時,待測結構表面無需安裝任何傳感器,在檢測過程中無需封路,不影響交通,具有方便、快捷、測量點連續(xù)、精度高等特點;該系統(tǒng)使用便捷、移植靈活,對于中小型橋梁可以選擇小推車作為運載體進行檢測,對于大跨度橋梁可以采用小汽車作為載體進行檢測;該檢測系統(tǒng)具有測量點連續(xù)的特點,能夠準確定位橋跨最大下撓處,不遺漏任何病害部位,尤其是在大跨橋梁的微小形變檢測中具有傳統(tǒng)技術無可比擬的優(yōu)勢。

該技術已經在30多座大、中型橋梁結構線形測量中得到推廣使用。與此同時,該技術同樣適合高速公路路面不平整度的檢測、機場軌道和高速鐵路軌道不平順性測試以及煤礦巷道形變檢測,值得推廣應用。

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Detection technique for bridge’s micro-deformation based on FOG

GAN Wei-bing1,2, HU Wen-bin2, ZHANG Yao2, LIU Fang2, LI Sheng2, FU Jing-hua2
(1. Key Laboratory of Fiber Optic Sensing Technology and Information Processing of Ministry of Education, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Bridge is an important part of modern transportation systems, and the deformation is a key index for bridge’s safety evaluation. Considering that the traditional deformation detection technology has many shortcomings, a continuous deformation measurement system (CDMS) based on fiber optic gyroscope is presented and validated to rapidly achieve the curve measurement of long-span bridge and to timely and accurately locate the bridge’s maximum deflection. Experiments on the structure profiles of the calibration road and the solid bridge are made, aided by data comparison with leveling instruments. The results show that the detection accuracy can reach 5 mm for 100 m model bridge, and the detection accuracy can reach 2 cm for the solid bridge with the span of 400 m. The CDMS has no influence on the testing process, which has the advantages of convenient, fast, continuous measurement and high accuracy, especially in large-span bridges.

bridge engineering; micro deformation; fiber optic gyroscope; continuous linear; maximum deflection

U666.1

:A

2016-01-26;

:2016-05-16

國家自然科學基金資助項目(61402345);國家科技支撐計劃課題任務書(2014BAG07B01);

中央高?;究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(WUT: 2014-II-012 , WUT: 2014-IV-009)

甘維兵(1978—),男,博士,副教授,從事光纖傳感應用研究。E-mail: ganweibing@whut.edu.cn

1005-6734(2016)03-0415-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.03.025

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