CN119803374A - 基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统及方法，所述系统包括部署在桥梁现场的拉杆角度位移计和边缘计算网关以及与所述边缘计算网关通过网络连接的远程处理终端；所述拉杆角度位移计包括用于监测拉杆位移变化的拉杆式位移计以及用于监测拉杆角度变化的角度测量环；通过边缘计算网关将拉杆角度位移计监测得到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据传输至远程处理终端；通过远程处理终端将获取到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据。本申请解决了传统拉杆式位移计安装时由于无法保证绝对水平或垂直导致桥面相对位移值无法精准获得的问题，大大提高了测量的精度和可靠性。

Description

基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统及方法

技术领域

本申请涉及桥梁位移监测技术领域，具体涉及一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统及方法。

背景技术

在桥梁的健康监测系统中，拉杆式位移计可以安装在桥墩、桥跨等部位，实时监测桥梁在车辆荷载、风荷载、温度变化等因素作用下的位移情况。如果位移超过一定的阈值，就可以及时发出预警，采取相应的维护措施。但目前拉杆式位移计仅能够测量拉杆方向上的距离变化，由于拉杆式位移计在实际应用场景中无法精确的保证其安装位置为绝对水平或垂直，因此无法精准的获取桥面的水平或垂直位移数值，导致无法准确分析桥面与桥墩之间的相对位移情况，例如水平移动或是扭转、倾覆。

发明内容

本申请提供一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统及方法，以解决目前单独拉杆式位移计无法准确获取桥面与桥墩之间的相对位移情况的问题。

根据第一方面，一种实施例中提供一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，所述系统包括部署在桥梁现场的拉杆角度位移计和边缘计算网关以及与所述边缘计算网关通过网络连接的远程处理终端；

所述拉杆角度位移计包括用于监测拉杆位移变化的拉杆式位移计以及用于监测拉杆角度变化的角度测量环，所述拉杆式位移计的一端为可伸缩端且另一端为固定端，所述可伸缩端连接桥面，所述固定端连接桥墩，所述角度测量环设置于所述固定端；

所述边缘计算网关用于将拉杆角度位移计监测得到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据传输至远程处理终端；

所述远程处理终端用于将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据。

进一步地，所述拉杆式位移计包括设置在壳体内的可伸缩的拉杆以及与所述拉杆连接的复位弹簧，所述拉杆式位移计内置有LVDT直线位移传感器。

进一步地，所述角度测量环内置有角度传感器。

进一步地，所述拉杆角度位移计还包括数字化模组及供电模块，所述LVDT直线位移传感器以及角度传感器均连接数字化模组，所述数字化模组连接边缘计算网关。

进一步地，将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据，具体包括：

假设系统部署完成后，拉杆与垂直方向之间的初始标定角度为，拉杆初始长度为，监测周期内拉杆的长度变化值为，角度变化值为，则桥面相对于桥墩的水平位移量为：

。

进一步地，所述系统还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板固定在桥墩或桥面下，用于为边缘计算网关供电。

进一步地，所述边缘计算网关通过ZigBee、4G/5G网络与远程处理终端进行数据传输。

进一步地，所述远程处理终端具体还用于，将不同监测周期内桥面相对于桥墩的水平位移量进行统计分析，并利用可视化平台进行分析数据的可视化表达，直观展现桥面相对于桥墩的水平位移量的变化趋势。

根据第二方面，一种实施例中提供一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测方法，所述方法包括：

在桥梁现场部署拉杆角度位移计和边缘计算网关，所述拉杆角度位移计包括用于监测拉杆位移变化的拉杆式位移计以及用于监测拉杆角度变化的角度测量环，所述拉杆式位移计的一端为可伸缩端且另一端为固定端，所述可伸缩端连接桥面，所述固定端连接桥墩，所述角度测量环设置于所述固定端；

调试设备及网络，对拉杆角度位移计进行初始值标定并启动监测，通过边缘计算网关将拉杆角度位移计监测得到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据传输至远程处理终端；

通过远程处理终端将获取到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据。

进一步地，将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据，具体包括：

假设系统部署完成后，拉杆与垂直方向之间的初始标定角度为，拉杆初始长度为，监测周期内拉杆的长度变化值为，角度变化值为，则桥面相对于桥墩的水平位移量为：

。

本申请提供一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统及方法，具有以下有益效果：

（1）通过在拉杆式位移计的基础上增加角度测量环，规避了因拉杆式位移计安装时无法保证绝对水平或垂直导致桥面相对位移值无法精准获得的情况，显著提升了测量的全面性和准确性；

（2）不仅解决了传统拉杆式位移计对安装位置和方向的严格限制，还降低了设备成本和复杂性，避免了多传感器组合带来的数据融合和校准难题，大大提高了测量的精度和可靠性，为桥梁的安全监测提供了更有力的支持；

（3）通过优化的数据处理和传输流程，保证了监测数据的实时性和稳定性，为桥梁的维护和管理提供了及时、准确且具有高度参考价值的位移信息。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统的结构示意图；

图2为本申请一个实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统中拉杆角度位移计的结构示意图；

图3为本申请一个实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统中拉杆角度位移计的内部结构示意图；

图4为本申请一个实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统的操作流程示意图；

图5为本申请一个实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统的三角函数计算关系示意图。

其中：10-拉杆角度位移计；20-边缘计算网关；30-远程处理终端；40-太阳能电池板；50-桥面；60-桥墩；11-拉杆式位移计；12-角度测量环；111-拉杆；112-复位弹簧；113-数字化模组及供电模块。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本申请第一实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，如图1所示，该系统包括部署在桥梁现场的拉杆角度位移计10和边缘计算网关20以及与边缘计算网关20通过网络连接的远程处理终端30。

如图2和图3所示，拉杆角度位移计10包括用于监测拉杆位移变化的拉杆式位移计11以及用于监测拉杆角度变化的角度测量环12，拉杆式位移计11的一端为可伸缩端且另一端为固定端，可伸缩端连接桥面50，固定端连接桥墩60，角度测量环12设置于固定端。

具体的，本实施例中，拉杆式位移计11包括设置在壳体内的可伸缩的拉杆111以及与拉杆111连接的复位弹簧112。拉杆的外端部即为能与桥面50连接的可伸缩端，该端部设置有安装孔，可方便将位移计固定在测试平台或被测物体的支架上。复位弹簧112在使用完毕后即可自动复位。

拉杆式位移计11内置有LVDT（Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器）直线位移传感器，可将机械位移转换为电信号。角度测量环12内置有角度传感器，可将机械转动转化为电信号。拉杆角度位移计10还包括数字化模组及供电模块113，LVDT直线位移传感器以及角度传感器均连接数字化模组，数字化模组连接边缘计算网关20。

位移计使用时，先将拉杆111从壳体内拉出一部分，并将拉杆111的外端部与桥面50固定，然后将位移计的固定端固定在相对稳定的桥墩60表面。当桥面50相对于桥墩60发生位移时，会带动拉杆111伸缩并导致拉杆长度发生变化，同时会带动角度测量环12转动，此时拉杆111与垂直方向之间的角度发生变化，LVDT直线位移传感器将机械位移转换为电信号，角度传感器可将机械转动转化为电信号，并将长度变化及角度变化数据传输至后方的数字化模组中。

边缘计算网关20用于将拉杆角度位移计10监测得到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据传输至远程处理终端30。

具体的，本实施例中，边缘计算网关20通过ZigBee、4G/5G网络与远程处理终端30进行数据传输。边缘计算网关20具体由处理器、内存、通信接口、电源管理模块组成。处理器能够高效地运行边缘计算任务，处理拉杆式位移计11长度及角度的换算计算和数据处理流程。内存用于存储设备运行时的数据和程序。通信接口包含ZigBee及4G/5G接口，使网关能够在移动网络环境下与远程处理终端30进行远程通信，实现与云端的高速数据传输。

远程处理终端30用于将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面50与桥墩60之间的相对位移数据。

具体的，本实施例中，远程处理终端30作用为将边缘计算网关20中的拉杆式位移计长度变化数据及拉杆角度变化数据通过三角函数进行计算，得出桥面50与桥墩60之间的相对位移数据，并在可视化平台中呈现分析结果。

本实施例中，远程处理终端30具体还用于，将不同监测周期内桥面50相对于桥墩60的水平位移量进行统计分析，并利用可视化平台进行分析数据的可视化表达，直观展现桥面50相对于桥墩60的水平位移量的变化趋势。

本实施例中，该系统还包括太阳能电池板40，太阳能电池板40为光伏电池板组，固定在桥墩60或桥面下，用于为边缘计算网关20供电。

本实施例提出的一种基于拉杆角度位移计10的桥梁位移监测系统，适用于桥面相对位移的监测，如图4所示，操作过程具体包括以下几个步骤：

（1）桥梁位移监测系统设备现场部署

1、将拉杆式位移计11的拉杆111拉出一部分，并将拉杆111端部固定在被监测物体的表面，本实施例被监测物体为桥梁的桥面50，具体安装位置见图2；

2、将拉杆式位移计11另一端固定在相对稳定的桥墩60表面；

3、将拉杆式位移计11与边缘计算网关20相连；

4、将太阳能电池板40与边缘计算网关20相连；

5、调试设备及网络，将拉杆角度位移计10与远程处理终端30使用网络进行连接。

（2）桥面相对位移监测

1、设备初始值标定，在系统部署完成后首先获取拉杆与垂直方向之间的初始标定角度为，拉杆初始长度为，然后开始监测；

2、拉杆式位移计11在监测周期内收集桥面50与桥墩60的相对位移情况，其收集到的数据分为两种，一是拉杆的长度变化值，二是拉杆与垂直方向的角度变化值；

3、将收集到的数据储存至边缘计算网关20，在固定的监测周期内向远程处理终端30发送数据。

（3）远程处理终端30处理

1、远程处理终端30收到监测周期内的数据后在后台进行数据处理与分析计算，最终输出桥面50相对桥墩60在水平方向的位移数据。如图5所示，计算过程如下：

在本申请中，假设系统部署完成后，拉杆与垂直方向之间的初始标定角度为，拉杆初始长度为，监测周期内拉杆的长度变化值为，角度变化值为，则桥梁的水平位移量为：

。

2、当前监测周期完成后，在下一监测周期重复上述步骤。将不同监测周期内桥梁的水平位移量在远程处理终端30中进行统计分析，并利用可视化平台进行分析数据的可视化表达，直观展现桥梁水平位移量的变化趋势。完成监测任务后输出监测报告。

在上述公开的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统的基础上，本申请实施例还公开了一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测方法，其具体包括以下步骤：

S100，在桥梁现场部署拉杆角度位移计10和边缘计算网关20，拉杆角度位移计10包括用于监测拉杆位移变化的拉杆式位移计11以及用于监测拉杆角度变化的角度测量环12，拉杆式位移计11的一端为可伸缩端且另一端为固定端，可伸缩端连接桥面50，固定端连接桥墩60，角度测量环12设置于固定端；

S200，调试设备及网络，对拉杆角度位移计10进行初始值标定并启动监测，通过边缘计算网关20将拉杆角度位移计监测得到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据传输至远程处理终端30；

S300，通过远程处理终端30将获取到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面50与桥墩60之间的相对位移数据。

进一步地，将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据，具体包括：

假设系统部署完成后，拉杆与垂直方向之间的初始标定角度为，拉杆初始长度为，监测周期内拉杆的长度变化值为，角度变化值为，则桥面相对于桥墩的水平位移量为：

。

需要说明的是，对于本申请实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测方法的详细步骤描述可以参考对本申请实施例提供的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统的相关描述，这里不再赘述。

以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，所述系统包括部署在桥梁现场的拉杆角度位移计和边缘计算网关以及与所述边缘计算网关通过网络连接的远程处理终端；

所述拉杆角度位移计包括用于监测拉杆位移变化的拉杆式位移计以及用于监测拉杆角度变化的角度测量环，所述拉杆式位移计的一端为可伸缩端且另一端为固定端，所述可伸缩端连接桥面，所述固定端连接桥墩，所述角度测量环设置于所述固定端；

所述边缘计算网关用于将拉杆角度位移计监测得到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据传输至远程处理终端；

所述远程处理终端用于将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据。

2.如权利要求1所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，所述拉杆式位移计包括设置在壳体内的可伸缩的拉杆以及与所述拉杆连接的复位弹簧，所述拉杆式位移计内置有LVDT直线位移传感器。

3.如权利要求2所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，所述角度测量环内置有角度传感器。

4.如权利要求3所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，所述拉杆角度位移计还包括数字化模组及供电模块，所述LVDT直线位移传感器以及角度传感器均连接数字化模组，所述数字化模组连接边缘计算网关。

5.如权利要求1所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据，具体包括：

假设系统部署完成后，拉杆与垂直方向之间的初始标定角度为 ，拉杆初始长度为，监测周期内拉杆的长度变化值为，角度变化值为，则桥面相对于桥墩的水平位移量为：

。

6.如权利要求1所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，所述系统还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板固定在桥墩或桥面下，用于为边缘计算网关供电。

7.如权利要求1所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，所述边缘计算网关通过ZigBee、4G/5G网络与远程处理终端进行数据传输。

8.如权利要求1所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测系统，其特征在于，所述远程处理终端具体还用于，将不同监测周期内桥面相对于桥墩的水平位移值进行统计分析，并利用可视化平台进行分析数据的可视化表达，直观展现桥面相对于桥墩的水平位移值的变化趋势。

9.一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测方法，其特征在于，所述方法包括：

在桥梁现场部署拉杆角度位移计和边缘计算网关，所述拉杆角度位移计包括用于监测拉杆位移变化的拉杆式位移计以及用于监测拉杆角度变化的角度测量环，所述拉杆式位移计的一端为可伸缩端且另一端为固定端，所述可伸缩端连接桥面，所述固定端连接桥墩，所述角度测量环设置于所述固定端；

调试设备及网络，对拉杆角度位移计进行初始值标定并启动监测，通过边缘计算网关将拉杆角度位移计监测得到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据传输至远程处理终端；

通过远程处理终端将获取到的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据。

10.根据权利要求9所述的一种基于拉杆角度位移计的桥梁位移监测方法，其特征在于，将获取的拉杆位移变化和拉杆角度变化数据进行三角函数计算处理得到桥面与桥墩之间的相对位移数据，具体包括：

假设系统部署完成后，拉杆与垂直方向之间的初始标定角度为，拉杆初始长度为，监测周期内拉杆的长度变化值为，角度变化值为，则桥面相对于桥墩的水平位移量为：

。