基于光纖慣性傳感的橋梁結(jié)構(gòu)線形測量方法的研究.pdf

1、橋梁是國家交通運(yùn)輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施。根據(jù)我國《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》與《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》等相關(guān)行業(yè)規(guī)范，橋梁結(jié)構(gòu)的幾何線形是評價橋梁安全狀況最重要的參量之一，通過對橋梁結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)的線形測量，可反演出橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況，為分析橋梁的安全狀態(tài)提供可靠依據(jù)。
　　我國橋梁數(shù)量眾多，目前橋梁結(jié)構(gòu)幾何線形的測量是通過經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等工程測量儀器完成的。這種測量方法雖然測量精度較高，但需要設(shè)定永久基準(zhǔn)點(diǎn)、架設(shè)儀器

2、、確定測量點(diǎn)等，測量步驟十分繁瑣。因此該測量方法工作周期長、耗時費(fèi)力，無法滿足數(shù)量龐大的中小型橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測的應(yīng)用需求。GPS測量方法雖然可以實現(xiàn)快速的結(jié)構(gòu)線形測量，但是測量精度不高，且易受拉索及橋塔的干擾。由此可見，開發(fā)與研究一種高效率的橋梁結(jié)構(gòu)幾何線形測量新方法，快速、準(zhǔn)確的測量橋梁結(jié)構(gòu)形變位置與形變量，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測，成為一個緊迫而又極具挑戰(zhàn)的研究課題，具有重大的研究意義和開發(fā)價值。
　　在慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域中，慣性

3、儀表可以準(zhǔn)確測量運(yùn)載體的運(yùn)動參數(shù)，獲取運(yùn)載體的運(yùn)動軌跡曲線。根據(jù)這一特點(diǎn)，可利用光纖慣性傳感技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的幾何線形進(jìn)行測量。然而，對比慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，光纖慣性傳感技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境發(fā)生了很大變化。
　　一、慣性導(dǎo)航的測量距離較長，達(dá)到幾十公里甚至上萬公里，而橋梁結(jié)構(gòu)待測線形的距離相對較短。
　　二、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行線速度非?？?，而橋梁結(jié)構(gòu)線形測量對線速度的要求不高，測量速度相對較慢。
　　三、慣性導(dǎo)航的運(yùn)行軌跡是一個隨機(jī)

4、、不可重復(fù)的路線，而橋梁結(jié)構(gòu)的線形是一個固定不變的曲線，可以進(jìn)行重復(fù)測量。
　　由此可見，在橋梁結(jié)構(gòu)線形測量這個特殊應(yīng)用領(lǐng)域中，光纖慣性傳感技術(shù)的應(yīng)用方式存在著較大差異，并提出了新的技術(shù)要求。
　　為檢測橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況，橋梁結(jié)構(gòu)幾何線形的測量精度需要達(dá)到毫米級甚至毫米級以下，而慣性導(dǎo)航則難以達(dá)到如此高的絕對測量精度。因此本文的研究重點(diǎn)是利用光纖慣性傳感技術(shù)，設(shè)計一種線形測量方法，實現(xiàn)短距離、固定曲線的高精度測量，并將其應(yīng)

5、用于橋梁結(jié)構(gòu)幾何線形的測量，以此檢測橋梁結(jié)構(gòu)的健康安全狀況。
　　本論文的主要工作內(nèi)容如下：
　　一、通過對現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)線形測量方法的概述與分析，討論其目前存在的問題。研究采用光纖慣性傳感技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的幾何線形進(jìn)行測量，解決當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)線形測量所面對的難題。
　　二、研究光纖慣性傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)線形測量的原理，以此為理論基礎(chǔ)，確定測量方法中運(yùn)載體運(yùn)動參數(shù)的采集方式，構(gòu)建線形測量系統(tǒng)。利用該測量系統(tǒng)進(jìn)行實際的線形

6、測量，得到初步的線形測量結(jié)果。該測量結(jié)果的誤差較大，且具有發(fā)散的特性。為降低線形測量誤差，分析該發(fā)散性誤差產(chǎn)生的原因。該測量誤差主要來自于系統(tǒng)內(nèi)部因素與外界應(yīng)用環(huán)境因素的共同影響，以此為依據(jù)確定了光纖慣性傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)線形測量需要處理的關(guān)鍵性技術(shù)難點(diǎn)。
　　三、研究系統(tǒng)自身因素對光纖慣性傳感線形測量系統(tǒng)的影響，確定這些內(nèi)部影響因素主要是由FOG的自身固有特性和運(yùn)載體的運(yùn)動方式所決定的。研究采用多種方法處理FOG相關(guān)特性對線

7、形測量結(jié)果的影響，并采用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)載體運(yùn)動方式獲取準(zhǔn)確的運(yùn)動參數(shù)測量值，從源頭上遏制測量誤差的發(fā)散性。
　　四、研究外界應(yīng)用環(huán)境因素對光纖慣性傳感線形測量系統(tǒng)的影響。這些外界影響因素主要是由于橋面的不平整所造成的，導(dǎo)致運(yùn)載體在測量過程中會受到振動與沖擊的影響，使測量信號包含有較大的噪聲誤差。研究這兩種不同的外界激勵方式對測量結(jié)果帶來的影響，并根據(jù)不同的響應(yīng)機(jī)理，采用不同的方式處理振動與沖擊所造成的噪聲誤差，提高線形測量信號的信噪比，

8、降低對線形測量系統(tǒng)的影響。
　　五、利用橋梁結(jié)構(gòu)的幾何線形是一段短距離、固定的曲線這一特點(diǎn)，設(shè)計采用坐標(biāo)變換、固定點(diǎn)曲線擬合、標(biāo)定物誤差修正、數(shù)理統(tǒng)計計算等方法對線形測量結(jié)果的誤差進(jìn)行處理，同時處理了地球曲率對測量結(jié)果的影響。這些誤差處理方法大幅降低了測量誤差，提高了線形測量結(jié)果的精度，使其達(dá)到毫米級以下，滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測的精度要求。
　　六、研究討論了基于光纖慣性傳感的橋梁結(jié)構(gòu)線形測量方法的應(yīng)用方式。通過對橋梁結(jié)構(gòu)的幾

9、何線形進(jìn)行測量，分析測量結(jié)果，研究橋梁結(jié)構(gòu)的形變位置與形變量，確定橋梁結(jié)構(gòu)的下?lián)鲜欠癯^了限值，以此檢測橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況。通過對荷載前后橋梁結(jié)構(gòu)線形測量結(jié)果的分析，評估橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與耐久性，以檢測其健康安全狀態(tài)。根據(jù)這兩種檢測方法的實際應(yīng)用效果可以看出，基于光纖慣性傳感的橋梁結(jié)構(gòu)線形測量方法能夠檢測橋梁結(jié)構(gòu)的健康安全狀況，相比較于其他的測量方法具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。
　　通過本文的研究，基于光纖慣性傳感的橋梁結(jié)構(gòu)線