本發(fā)明涉及了一種橋梁全橋多點(diǎn)撓度實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，屬于土木結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

橋梁撓度的檢測和監(jiān)測是評(píng)價(jià)橋梁性能是否良好的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)長大橋梁建設(shè)健康監(jiān)測系統(tǒng)、對(duì)中小橋梁進(jìn)行定期不定期的安全檢測顯得尤為重要，因此，如何準(zhǔn)確把握橋梁結(jié)構(gòu)本身和撓度測量的差異，針對(duì)橋梁跨度、檢測監(jiān)測精度要求、作業(yè)條件等因素的差異，合理地選擇一種穩(wěn)定、準(zhǔn)確的橋梁撓度檢測設(shè)備和方法，在橋梁監(jiān)測與檢測、危橋改造以及新橋驗(yàn)收等方面尤為重要，對(duì)保證橋梁的正常使用、保障橋梁的安全運(yùn)營具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義

傳統(tǒng)的測量方法主要有精密水準(zhǔn)儀法、經(jīng)緯儀法、百分表法、全站儀法等。但是傳統(tǒng)的撓度測量方法難以滿足動(dòng)撓度測量的要求，而且傳統(tǒng)的測量方法也存在著費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、在線檢測困難和操作困難等不足之處。為了解決這些問題，出現(xiàn)了很多常見的現(xiàn)代測量方法，如傾角儀法、激光法、光電成像法、連通管法等。這些現(xiàn)代的測量方法在某些程度或某些方面對(duì)傳統(tǒng)的測量方法進(jìn)行了改善。如申請(qǐng)?zhí)枮?01410379770.1、公布號(hào)為CN 105320596 A、名稱為“一種基于傾角儀的橋梁撓度測試方法及其系統(tǒng)”的中國發(fā)明專利，其方法理論上具有可行性，但實(shí)際操作過程中尤其在橋梁需要測量撓度的各個(gè)截面位置不等間距時(shí)，由于理論的局限性無法測試。因此，現(xiàn)有橋梁撓度測試方法及系統(tǒng)存在如下缺陷：1、受環(huán)境干擾大、測試精度低；2、測試點(diǎn)位置單一(以跨中、四分點(diǎn)、八分店居多)、測試點(diǎn)數(shù)量較少(由于技術(shù)局限，難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步采集)；3、無法實(shí)時(shí)呈現(xiàn)橋梁全橋變形情況，對(duì)于關(guān)鍵位置撓度變化狀況的獲取存在滯后性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種橋梁全橋多點(diǎn)撓度實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，具有高精度、多點(diǎn)同步、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，并且具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值。

一種橋梁全橋多點(diǎn)撓度實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，包括上位機(jī)監(jiān)測PC機(jī)、CAN總線和用于連接所述上位機(jī)監(jiān)測PC機(jī)、CAN總線的USB轉(zhuǎn)CAN總線接口，所述CAN總線的從節(jié)點(diǎn)上連接有傾角儀，其中，所述上位機(jī)監(jiān)測PC機(jī)內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過各傾角儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示的步驟如下：

(1)對(duì)系統(tǒng)各模塊完成初始化，并讀取系統(tǒng)配置文件，包括數(shù)據(jù)庫路徑、數(shù)據(jù)保存路徑、COM端口等信息，同時(shí)發(fā)送命令使采集設(shè)備進(jìn)行自檢；

(2)從數(shù)據(jù)庫中讀取程序所用的傳感器信息，包括編碼、類型、位置、通道號(hào)等相關(guān)信息；并以傳感器信息中的通道號(hào)作為每個(gè)傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址，依次發(fā)送傾角測量命令；

(3)每次發(fā)送完采集命令后，對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式判斷，即判斷返回的校驗(yàn)和是否一致；

(4)如果返回?cái)?shù)據(jù)格式正確，則解析出當(dāng)前傳感器的X、Y軸角度值，同時(shí)將Y軸傾角存入全局變量數(shù)組中(實(shí)際測量以Y軸角度作為被測點(diǎn)的轉(zhuǎn)角)；

(5)利用算法進(jìn)行被測點(diǎn)的撓度值計(jì)算；

(6)對(duì)實(shí)測撓度值進(jìn)行二進(jìn)制文件保存，判斷是否達(dá)到一個(gè)小時(shí)，若是則創(chuàng)建新文件夾，然后進(jìn)行二進(jìn)制文件保存，如不是則將數(shù)據(jù)依然保存在原有文件中；

(7)結(jié)束采集，釋放資源，同時(shí)進(jìn)行保存退出采集記錄信息。

前述的一種橋梁全橋多點(diǎn)撓度實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，其特征在于：所述步驟(5)中利用算法進(jìn)行被測點(diǎn)撓度值計(jì)算時(shí)，采用以下公式：

$I={\∫}_a^{b}f\left(x\right)dx---\left(1\right)$

其中，式(1)中a，b表示兩測量點(diǎn)之間的軸向坐標(biāo)；

并通過一個(gè)二次插值多項(xiàng)式來近似表達(dá)式中的f(x)；該多項(xiàng)式由三個(gè)點(diǎn)上的函數(shù)值決定：x₁＝a，x₂＝a+h₁，x₃＝a+h₁+h₂＝b，則可得到

$I={\∫}_a^{b}f\left(x\right)dx={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{A}_{k}f\left(k\right)---\left(2\right)$

其中，A_k表示第k個(gè)插值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的求積系數(shù)，k表示插值點(diǎn)數(shù)；

根據(jù)拉格朗日插值積分

$A_k={\∫}_a^b{l}_k\left(x\right)dx,k=1,2,3---\left(3\right)$

其中，L_k表示第K個(gè)插值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拉格朗日插值基函數(shù)；

其中拉格朗日插值基函數(shù)：

$l_k\left(x\right)={\mathrm{\Π}}_{i=1,i\≠k}^3\frac{x-x_i}{x_k-x_i}---\left(4\right)$

通過計(jì)算可以求得：

$A_1=\frac{2h_1^2+h_1{h}_2-h_2^2}{6h_1}---\left(5\right)$

$A_2=\frac{{(h_1+h_2)}^3}{6h_1{h}_2}---\left(6\right)$

$A_3=\frac{2h_2^2+h_1{h}_2-h_1^2}{6h_1}---\left(7\right)$

前述的一種橋梁全橋多點(diǎn)撓度實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，其特征在于：所述CAN總線的末端設(shè)置有120Ω匹配阻抗。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)可多點(diǎn)同步測量；

(2)所依據(jù)的優(yōu)化算法可提高全橋各位置撓度測量精度；

(3)形成了橋梁整體變形的動(dòng)態(tài)可視化方法，實(shí)現(xiàn)全橋變形場實(shí)時(shí)展示。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖；

圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種橋梁全橋多點(diǎn)撓度實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)測PC機(jī)、CAN總線和用于連接所述上位機(jī)監(jiān)測PC機(jī)、CAN總線的USB轉(zhuǎn)CAN總線接口，所述CAN總線的從節(jié)點(diǎn)上連接有傾角儀。其中信號(hào)傳輸通過CAN(Controller Area Network)總線來實(shí)現(xiàn)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN屬于現(xiàn)場總線范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

所述上位機(jī)監(jiān)測PC機(jī)內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個(gè)采集系統(tǒng)以NI公司的NI-VISA驅(qū)動(dòng)軟件為核心，在LabVIEW8.6平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。對(duì)于其他外部接口，采用LabVIEW自帶的互連接口函數(shù)直接調(diào)用外部動(dòng)態(tài)鏈接庫。首先利用VISA庫實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傾角的數(shù)據(jù)采集然后利用算法求出被測點(diǎn)的實(shí)際撓度值，數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖2所示。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過各傾角儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示的步驟如下：

(1)對(duì)系統(tǒng)各模塊完成初始化，并讀取系統(tǒng)配置文件，包括數(shù)據(jù)庫路徑、數(shù)據(jù)保存路徑、COM端口等信息，同時(shí)發(fā)送命令使采集設(shè)備進(jìn)行自檢；

(2)從數(shù)據(jù)庫中讀取程序所用的傳感器信息，包括編碼、類型、位置、通道號(hào)等相關(guān)信息；并以傳感器信息中的通道號(hào)作為每個(gè)傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址，依次發(fā)送傾角測量命令；

(3)每次發(fā)送完采集命令后，對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式判斷，即判斷返回的校驗(yàn)和是否一致；

(4)如果返回?cái)?shù)據(jù)格式正確，則解析出當(dāng)前傳感器的X、Y軸角度值，同時(shí)將Y軸傾角存入全局變量數(shù)組中(實(shí)際測量以Y軸角度作為被測點(diǎn)的轉(zhuǎn)角)；

(5)利用算法進(jìn)行被測點(diǎn)的撓度值計(jì)算；

(6)對(duì)實(shí)測撓度值進(jìn)行二進(jìn)制文件保存，判斷是否達(dá)到一個(gè)小時(shí)，若是則創(chuàng)建新文件夾，然后進(jìn)行二進(jìn)制文件保存，如不是則將數(shù)據(jù)依然保存在原有文件中；

(7)結(jié)束采集，釋放資源，同時(shí)進(jìn)行保存退出采集記錄信息。

傳統(tǒng)的基于辛普森數(shù)值積分法根據(jù)傾角求撓度存在一定的局限性，具體表現(xiàn)為：辛普森數(shù)值積分法的核心是利用區(qū)分二等分的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行積分插值(衍生的辛普森3/8數(shù)值積分是利用區(qū)分三等分的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行積分插值)。

而本發(fā)明中，步驟(5)中利用算法進(jìn)行被測點(diǎn)撓度值計(jì)算時(shí)，采用以下公式：

$I={\∫}_a^{b}f\left(x\right)dx---\left(1\right)$

其中，式(1)中a，b表示兩測量點(diǎn)之間的軸向坐標(biāo)；

并通過一個(gè)二次插值多項(xiàng)式來近似表達(dá)式中的f(x)；該多項(xiàng)式由三個(gè)點(diǎn)上的函數(shù)值決定：x₁＝a，x₂＝a+h₁，x₃＝a+h₁+h₂＝b，則可得到

$I={\∫}_a^{b}f\left(x\right)dx={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{A}_{k}f\left(k\right)---\left(2\right)$

根據(jù)拉格朗日插值積分

$A_k={\∫}_a^b{l}_k\left(x\right)dx,k=1,2,3---\left(3\right)$

其中拉格朗日插值基函數(shù)：

$l_k\left(x\right)={\mathrm{\Π}}_{i=1,i\≠k}^3\frac{x-x_i}{x_k-x_i}---\left(4\right)$

通過計(jì)算可以求得：

$A_1=\frac{2h_1^2+h_1{h}_2-h_2^2}{6h_1}---\left(5\right)$

$A_2=\frac{{(h_1+h_2)}^3}{6h_1{h}_2}---\left(6\right)$

$A_3=\frac{2h_2^2+h_1{h}_2-h_1^2}{6h_1}---\left(7\right)$

類似地，該多項(xiàng)式由四個(gè)點(diǎn)上的函數(shù)值決定：x₁＝a，x₂＝a+h₁，x₃＝a+h₁+h₂，x₄＝a+h₁+2h₂，對(duì)應(yīng)的函數(shù)值分別是f1，f2，f3，f4，

$A_1=\frac{h_1(h_1+2h_2)}{4(h_1+h_2)}---\left(8\right)$

$A_2=\frac{{(\frac{h_1}{2}+h_2)}^3}{3h_2^2}---\left(9\right)$

$A_3=\frac{(2h_2+h_1)3(2h_2-h_1)}{12(h_1+h_2)h_2^2}---\left(10\right)$

$A_4=\frac{h_1^3+8h_2^3}{24h_2^2}---\left(11\right).$

本實(shí)施例中，所述CAN總線的末端設(shè)置有120Ω匹配阻抗，防止反射產(chǎn)生駐波。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種橋梁全橋多點(diǎn)撓度實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，具有高精度、多點(diǎn)同步、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，并且具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界。