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原文传递基于光纤惯性传感的桥梁结构线形测量方法的研究

论文题名：	基于光纤惯性传感的桥梁结构线形测量方法的研究
关键词：	桥梁结构;几何线形;光纤惯性传感技术;测量精度
摘要：	桥梁是国家交通运输的重要基础设施。根据我国《公路桥梁技术状况评定标准》与《公路桥梁承载能力检测评定规程》等相关行业规范，桥梁结构的几何线形是评价桥梁安全状况最重要的参量之一，通过对桥梁结构几何形态的线形测量，可反演出桥梁结构的内力变化情况，为分析桥梁的安全状态提供可靠依据。　　我国桥梁数量众多，目前桥梁结构几何线形的测量是通过经纬仪、水准仪、全站仪等工程测量仪器完成的。这种测量方法虽然测量精度较高，但需要设定永久基准点、架设仪器、确定测量点等，测量步骤十分繁琐。因此该测量方法工作周期长、耗时费力，无法满足数量庞大的中小型桥梁结构安全检测的应用需求。GPS测量方法虽然可以实现快速的结构线形测量，但是测量精度不高，且易受拉索及桥塔的干扰。由此可见，开发与研究一种高效率的桥梁结构几何线形测量新方法，快速、准确的测量桥梁结构形变位置与形变量，实现桥梁结构的安全检测，成为一个紧迫而又极具挑战的研究课题，具有重大的研究意义和开发价值。　　在惯性导航技术领域中，惯性仪表可以准确测量运载体的运动参数，获取运载体的运动轨迹曲线。根据这一特点，可利用光纤惯性传感技术对桥梁结构的几何线形进行测量。然而，对比惯性导航领域，光纤惯性传感技术的应用环境发生了很大变化。　　一、惯性导航的测量距离较长，达到几十公里甚至上万公里，而桥梁结构待测线形的距离相对较短。　　二、惯性导航系统的运行线速度非常快，而桥梁结构线形测量对线速度的要求不高，测量速度相对较慢。　　三、惯性导航的运行轨迹是一个随机、不可重复的路线，而桥梁结构的线形是一个固定不变的曲线，可以进行重复测量。　　由此可见，在桥梁结构线形测量这个特殊应用领域中，光纤惯性传感技术的应用方式存在着较大差异，并提出了新的技术要求。　　为检测桥梁结构的安全状况，桥梁结构几何线形的测量精度需要达到毫米级甚至毫米级以下，而惯性导航则难以达到如此高的绝对测量精度。因此本文的研究重点是利用光纤惯性传感技术，设计一种线形测量方法，实现短距离、固定曲线的高精度测量，并将其应用于桥梁结构几何线形的测量，以此检测桥梁结构的健康安全状况。　　本论文的主要工作内容如下：　　一、通过对现有桥梁结构线形测量方法的概述与分析，讨论其目前存在的问题。研究采用光纤惯性传感技术对桥梁结构的几何线形进行测量，解决当前桥梁结构线形测量所面对的难题。　　二、研究光纤惯性传感技术应用于桥梁结构线形测量的原理，以此为理论基础，确定测量方法中运载体运动参数的采集方式，构建线形测量系统。利用该测量系统进行实际的线形测量，得到初步的线形测量结果。该测量结果的误差较大，且具有发散的特性。为降低线形测量误差，分析该发散性误差产生的原因。该测量误差主要来自于系统内部因素与外界应用环境因素的共同影响，以此为依据确定了光纤惯性传感技术应用于桥梁结构线形测量需要处理的关键性技术难点。　　三、研究系统自身因素对光纤惯性传感线形测量系统的影响，确定这些内部影响因素主要是由FOG的自身固有特性和运载体的运动方式所决定的。研究采用多种方法处理FOG相关特性对线形测量结果的影响，并采用适当的运载体运动方式获取准确的运动参数测量值，从源头上遏制测量误差的发散性。　　四、研究外界应用环境因素对光纤惯性传感线形测量系统的影响。这些外界影响因素主要是由于桥面的不平整所造成的，导致运载体在测量过程中会受到振动与冲击的影响，使测量信号包含有较大的噪声误差。研究这两种不同的外界激励方式对测量结果带来的影响，并根据不同的响应机理，采用不同的方式处理振动与冲击所造成的噪声误差，提高线形测量信号的信噪比，降低对线形测量系统的影响。　　五、利用桥梁结构的几何线形是一段短距离、固定的曲线这一特点，设计采用坐标变换、固定点曲线拟合、标定物误差修正、数理统计计算等方法对线形测量结果的误差进行处理，同时处理了地球曲率对测量结果的影响。这些误差处理方法大幅降低了测量误差，提高了线形测量结果的精度，使其达到毫米级以下，满足桥梁结构安全检测的精度要求。　　六、研究讨论了基于光纤惯性传感的桥梁结构线形测量方法的应用方式。通过对桥梁结构的几何线形进行测量，分析测量结果，研究桥梁结构的形变位置与形变量，确定桥梁结构的下挠是否超过了限值，以此检测桥梁结构的安全状况。通过对荷载前后桥梁结构线形测量结果的分析，评估桥梁结构的强度、刚度、稳定性与耐久性，以检测其健康安全状态。根据这两种检测方法的实际应用效果可以看出，基于光纤惯性传感的桥梁结构线形测量方法能够检测桥梁结构的健康安全状况，相比较于其他的测量方法具有巨大的应用优势。　　通过本文的研究，基于光纤惯性传感的桥梁结构线形测量方法测量速度快、精度高、重复性好、可靠性高、不需要封桥测量、不需要设立和保护永久基准点。因此，具有广阔的应用前景。
作者：	张卓敏
专业：	机械制造及其自动化
导师：	姜德生
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文