图4-3  动态称重系统原理图

1.1.3.2 温度计（结构）

1）监测内容

温度荷载是桥梁重要荷载，桥梁设计使用规范温度荷载进行结构验算，然而桥梁建成后温度荷载与规范荷载不同，所以为了获得桥梁温度荷载循环规律，以对结构进行评估，需要对温度荷载进行监测。

2）监测方法

本系统中将采用热电阻式混凝土表面温度计，用于测量箱梁截面结构温度。采用连续监测方式，采样频率为1小时1次，温度计输出的模拟信号传输至振弦采集仪中进行采集。温度计示意图如下所示：

图  温度计

4）技术选型

本系统中的结构温度计选用热电阻式表面温度计，其具体技术参数见下表：

表4.3 热电阻式表面温度计技术参数选型

1.1.3.3 应变计

1）监测内容

应力是结构设计重要控制参数，通过对结构关键截面应变进行监测，用来确定结构在各种荷载作用下是否处在安全范围之内，同时应变监测也能用来统计某些关键点位钢构件疲劳寿命。

2）监测方法

本系统应变监测采用振弦应变计传感器及静态连续监测的方式，采样时间与间隔根据实际情况和具体要求来进行设置。振弦应变计通过的振弦采集仪来进行数据采集。

图  应变计

4）技术选型

本系统中应变计选用振弦应变计，其具体技术选型见表4.4：

表4.4 应变计参数选型

1.1.3.4 静力水准仪

1）监测内容

桥梁挠度是反应桥梁整体刚度的重要指标，是桥梁结构安全评价的重要依据，与桥梁的承载能力和抵御地震等破坏性荷载的能力有密切关系。

2）监测方法

静力水准仪采用连通管测量原理，通过液位差测量桥梁挠度。采取连续监测方式，模拟信号经电缆直接接入电压采集仪进行采集。

图 静力水准仪

4）技术选型

本系统选用基于连通管测试原理的静力水准仪，其具体技术选型见下表：

表4.5 静力水准仪参数选型

1.1.3.5 倾角仪

1）监测内容

桥墩的位移幅度是桥重要的安全参数，可通过沿墩身布设的小量程高精度倾角仪来监测。通过监测的墩身的倾角变位可拟合其变位曲线，以评估分析桥墩结构的安全。

2）监测方法

本系统中采用单向倾角仪和静态连续监测的方式，采样时间与间隔根据实际情况和具体要求来进行设置。倾角仪的输出信号为模拟信号，通过电缆线连接到电压数据采集仪中。

4）技术选型

本系统中选用电容式单向倾角仪，其具体技术选型见下表：

表4.6 电容式倾角仪参数选型

1.1.3.6 单向加速度计

1）监测内容

结构振动监测目的是根据加速度时程数据对桥梁进行结构模态识别分析，结构模态参数（频率、振形和阻尼比等）是桥梁进行抗震设计的重要参数。同时，模态识别结果是桥梁损伤识别的重要数据，而健康监测系统主要目的就是识别桥梁损伤。

2）监测方法

本系统采用单向加速度计和动态连续监测的方式监测主梁振动，采样频率为100Hz，采样时间与间隔根据实际情况和具体要求来进行设置。加速度计的输出信号为模拟信号，通过电缆线连接到振动采集仪中，在采集仪中实现同步采集。

图  伺服式加速度计

图4-17  2号桥单向加速度计测点布置图

5）技术选型

本系统中用于结构振动监测的加速度计选用伺服式单向加速度计，其技术选型见下表；

表4.9  伺服式加速度计参数选型

1.1.3.7 位移计

1）监测内容

本系统中采用位移计来监测体位移和支座位移行程。体位移主要是监测伸缩缝的纵向位移；支座行程主要是监测箱梁相对于支座的纵向位移。

2）监测方法

位移计监测时，将一端固定在固定端，另一端固定在活动端，通过测量拉线位移来监测大桥位移和支座行程。位移计采取连续监测方式，电流信号通过电缆直接接入电压采集仪中进行数据采集。

4）技术选型

本系统选用拉线位移计，其具体技术选型见表4.10：

表4.10  拉线位移计参数选型

1.2 数据采集系统

西关环岛桥梁健康监测系统需要具有一定的性，项目采用智能仪器进行数据采集与控制。与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点：

①具有自校准功能；包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。

②具有数据预处理功能；这是智能仪器的主要优点。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以非常灵活地加以解决。

③具有较大的动态测试范围；有针对性具体进行监测时可通过人为选择合适的测试放大档位，进行长期监测时，由于桥梁的振动幅值差异大（无荷载与通过重车和地震时幅值相差百倍），考虑到测试中信号不过载，且需要保证一定的信噪比，因此设备需要有较大的动态测试范围。

④具有友好的人机对话能力；智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。

⑤具有可远程控制操作的能力；一般智能仪器都配有标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。

1.2.1 采集系统概述

数据采集系统由各种数据采集设备构成，用于WIM、加速度计、位移计、倾角仪、应变计、温度计等传感器的数据采集并进行预处理。

1）采集设备类型

根据传感器信号种类、工作原理及其采集方式的不同，西关环岛立交桥的数据采集系统中包括以下4类采集设备：

(1)                 振弦采集仪：用于采集应变计、温度计的数据；

(2)                 电压采集仪：用于采集电类信号输出的传感器数据，包括位移计、倾角仪、静力水准仪的数据；

(3)                 振动采集仪：用于实时采集加速度传感器的数据；

(4)                 高速称重主机：用于实时采集桥上交通荷载的车速和车载情况；

1.2.2 振弦数据采集仪

振弦采集仪用于自动化采集信号，前端可接各类单线圈振弦式传感器，频率采集范围可从200 Hz—5000 Hz，精度0.1 Hz,分辨率0.01 Hz.。测量精度高，抗干扰能力强，运行稳定。可选通道8、16、32。该模块通讯接口采用通用标准RS232/485can总线，数据接口处设有防雷保护模块，保证了非电源线引发的瞬间过流疏通。

表4.14 振弦采集仪主要技术指标

1.2.3 电压采集仪

电压采集仪用于自动化采集电信号，测量精度高，抗干扰能力强，前端可接标准电压变送器，采集范围可选：-10v～+10v，-5v～+5v，0～10v，0～5v。采集通道单线接入达32通道，双线接入达16通道。 该模块通讯接口采用通用标准RS232/485，数据接口处设有防雷保护模块，保证了非电源线引发的瞬间过流疏通。

图  电压采集仪

主要技术指标：

采集范围：-10v～+10v，-5v～+5v，0～10v，0～5v;

通道数： 8、16、32通道可选

1.2.4 振动采集系统

动态信号采集与分析系统由系列智能信号调理与采集仪和工程测试与信号分析软件组成，可进行信号示波、采集、分析、结果显示以及报告生成，全面解决现场数据采集和分析问题，多种采集方式和功能分析功能可以满足对桥梁结构振动的测试需求，非常适合现场振动、冲击和噪声的信号采集与分析。

图  振动采集仪

 振动采集系统设备特点：

表4.18 振动采集仪与接入传感器的对应关系

1.2.5 数据采集制度

各类传感器采集制度见下表所示。

表4.19  传感器采集制度

1.2.6 数据采集时间一致性

在桥梁结构健康监测系统中多种设备同时运行，不同的设备间存在时间一致性的问题（或相位一致性），如果不解决这个问题可能会导致评估出现误差甚至错误。

桥梁结构健康监测系统的信号采集拟通过各采集模块与系统进行统一对时，读取同一服务器上的时间，然后与本机器的时间进行对照，以免除时间不一致而带来的数据无法统一处理的问题。

时间一致性为两重对表程序。系统与标准时间的校准，校准对象为服务器，通过与标准北京时间对照，如有误差，进行调整，到秒；系统内部各子系统的时间校准，参考服务器时钟，每天按每小时进行一次校核，至秒，此程序参照点为服务器。系统时间校准流程如下图所示。

图系统时钟校准流程

1.3 数据传输系统

本系统中的数据传输系统由桥址传输网络、环形骨干网络和监控中心局域网构成。

1.3.1 桥址传输网络

桥址传输网络包括传感传输网络、采集传输网络。

传感传输网络：用于连接传感器系统与相应的数据采集设备，根据实际情况采用光纤或屏蔽线缆（带宽取决于采集设备）。

采集传输网络：用于将各数据采集设备接入相应的桥址交换机。采集传输网络采用光缆或电缆，网络支持至少100M传输能力。

1.3.2 环形骨干网络

环形骨干网络用于连接桥址交换机与监控中心交换机，交换机之间通过环形链路实现数据传输和信息交互。网络支持至少100M传输能力。

本系统包含2台桥址交换机、1台监控中心交换机、2台串口服务器。具体线路将在监控中心位置确定后再进行详细设计。

1.3.3 监控中心局域网

监控中心内工作站、服务器与中心交换机共同组成了监控中心局域网，网络支持至少100M传输能力。工作站、服务器之间可以通过中心局域网实现信息互访。

1.4 供电及防雷设计

桥梁健康监测系统设备耗电量不大，大功耗小于2kW，考虑系统的可扩展性以及分阶段实施可能出现的需求，外场站需要4kW的电力容量。考虑各桥梁的状况有所不同，采取太阳能供电结合市电的方案，太阳能作为方案，市电根据不同桥梁的情况采取选择性方案。

系统的防雷接地等措施均按照要求单独考虑。

1.4.1 直击雷防雷设计

直击雷的防雷主要采用避雷针引雷的方式，采用直径为19mm镀锌圆钢，避雷针采用直径25mm镀锌钢管。采用镀锌钢管制作针尖，管壁厚度不得小于3mm，针尖刷锡长度不小于70mm。

接地系统主要包括现场避雷针接地系统、设备箱接地系统，现场接地系统。通过埋设接地桩进行接地防护。接地桩采用角铁，埋设深度一米，接地线与接地桩采用焊接连接，连接处采用涂抹防锈漆等手段，接地电阻不大于10Ω。

1.4.2 电源线路强电防雷设计

电源线路强电防雷的设计，在各主要电源进口端加强电防雷模块，采用带国标的生产厂家的强电防雷器。

电源PE的阻值不大于4欧姆。共用接地应小于1欧姆，电源防雷器必须连接在主电路断路装置的输出端，并采用对地并联。电源防雷器的连服务接引线小于0.5米，并要短而平直。标准参照《建筑物防雷设计规范》GB50057-94。

1.5 系统布设其他技术问题

1.5.1 系统自诊断

传感器所采集信号的正确与否对后续的安全评估有着直观重要的影响，只有将监测系统中故障传感器剔除了，保证采集到正确的信号，才能客观正确地评价桥梁安全状况。另外本项目采用稳定性好、寿命长，并且适用于桥梁特性的传感器。桥梁检测中，检测前后均可对传感器进行，来验证其有效性，而桥梁监测中，由于传感器必须长时间固定在测点上，因此不可避免的会碰上这类问题。

对监测系统中传感器或调理设备的自诊断可通过以下几种方法进行分析：

1、   自动对传感器以及采集设备是否正常运行损坏进行判断，判断方法为检查是否能监测到设备或传感器的编号，测试得到的数据是否为有效值（无效值为0、空或者其它数值）。

2、   利用测试得到的历史数据进行综合整理，作为评估监测系统自身的样本，通过样本和测试数据的对比分析，确定不符合实际情况的数据为疑似故障测点；

定义，如果过大，则认为该参数预示着可能存在安全问题。其中为用于评估的原始状态，为待评估的状态，如果将待诊断数据与原始状态进行分析，如果变化较大，排除结构的损伤外，则可认为传感器或者调理设备存在故障。

3、   对具有相关性的传感器进行多组相关性分析，测点间的传递函数/传递率，固有频率下两个测点间的传递函数与结构的位移模态振型比例是近似的，可以利用已知的结构模态振型比值，观测各测点间的传递函数的变化过程，来判断传感器的完好性。

定义，其中、为i、j点的信号频谱结果，为两点间的传递率，通过比较不同测点间的传递率变化，利用各测点间的相互关系，可以判断传感器的完好性。

利用测点间相关性进行传感器完好性的评判流程如图4.2所示。

图4-24  利用相关性进行测点完好性诊断框图

4、   利用传感器的冗余信息对监测系统自身进行自诊断，在同一部位中2个或2个以上传感器进行对比（如锚下压力传感器和振动传感器）；

5、   必要时采取放置对比传感器的方法进行诊断；

6、   对于部分振动传感器，如果操作方便，可将传感器取下进行。

7、   除了对监测传感器以及设备进行诊断外，还需对系统的电力进行监测，出现断电或其他异常情况应予以报警。

利用多种方法来评判监测系统的自身健康，及时对监测系统的损坏情况给予检修，以保障健康与安全监控预警系统良好地发挥作用。

系统自诊断分为系统整体的诊断以及各传感单元的自诊断。

作为一个完整的健康监测系统，需要从各方面考虑系统的完好性。即需要考虑结构的硬件系统，也要考虑系统的软件系统，看软件系统是否能完好的工作。软件系统包括信号传输、显示的功能，报表的生成，数据的运转等，这些都需要进行分析，以保证整个系统的完好，如下图所示。

图4-25  系统自诊断框图

1.5.2 设备可更换性

大桥的寿命比一般的电子元件寿命长很多，因此为了保证大桥健康与安全监测系统能一直服务于桥梁的运营管理，必须考虑到设备的可更换性。

因此进行系统规划时，需要考虑到各子系统的可更换性，主要有以下内容：

1、监测用元器件的可更换或可替换性。即当传感器出现损坏时，必须可以更换或者可通过其他途径将测试信息延续。所以在进行设计时，一般以表贴式传感器为主。

2、测试设备的可更换以及延续性。即当某设备出现故障时，可对该设备进行独立的撤换或维修，此时不能影响其他设备的使用，因此在进行系统硬件设计时应考虑相对独立的设计。

3、保证数据的连续性。当传感器和测试设备出现故障时，对其进行更换后，可保证数据的延续性，即利用传感器间的相关性以及数据的特点来保证，我们在数据库设计以及数据分析时也考虑了这点。

1.5.3 系统分阶段实施

桥梁健康监测系统自身有使用期及寿命的问题，而且由于系统大多使用电子设备，在恶劣环境中损坏的可能性很大，导致桥梁还未出现损伤而监测设备已经不能使用的情况，这给健康与安全监测及状况评估造成了很大的识别困难。另外考虑到桥梁在不同阶段可能出现的问题不同，不同使用事情健康监测系统的重点也不一样。分阶段实施可以有针对性的进行大桥健康监测，减少一次性投入，提高系统利用效率。本方案基于使用、经济的角度，从健康监测、大桥初始运营数据采集的角度出发进行设计。