來源：傳感器專家網(wǎng)
近日，虎門大橋“虎軀一震”給全國人民來了個(gè)“深呼吸”。
虎門大橋是廣東沿海地區(qū)重要的交通樞紐，始建于1992年，1997年通車至今，大橋一直都十分平穩(wěn)。但在5月5日下午，虎門大橋發(fā)生異常抖動(dòng)，甚至在5月6日凌晨都有振動(dòng)。
不過，幸運(yùn)的是，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜页醪秸J(rèn)定此次虎門大橋的振動(dòng)主要是因?yàn)?span style="font-weight: 600;">沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬（擋墻），破壞了大橋的斷面流線型，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生了橋梁渦振現(xiàn)象，且表示該次異常抖動(dòng)不會(huì)影響虎門大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。
但是，并不是所有的橋梁公路等基建在對抗外力的情況下都那么幸運(yùn)。關(guān)于大橋因外力坍塌最著名的例子是1940年塔科馬海峽大橋，同樣是懸索橋，但是在通車4個(gè)月后，突然被微風(fēng)摧毀。
近幾年，由于我國重型汽車數(shù)量增多等因素導(dǎo)致交通壓力越來越大，同時(shí)惡劣天氣帶來的腐蝕性也越來越高，對于有一定使用年代的橋梁和基建結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不小的負(fù)面影響。所以，橋梁的健康檢測、結(jié)構(gòu)安全評估以及損耗監(jiān)測等顯得尤為重要。
傳統(tǒng)的橋梁安全監(jiān)測，主要以人工巡查為主，并輔之以相應(yīng)的檢測設(shè)備，但是很難做到對橋梁實(shí)時(shí)、連續(xù)不間斷的監(jiān)控，監(jiān)測方式也不夠智能化。
隨著物聯(lián)網(wǎng)及智慧城市的不斷深入發(fā)展，對橋梁的健康安全監(jiān)測、重要結(jié)構(gòu)部位的養(yǎng)護(hù)，都已離不開對傳感器的應(yīng)用。一些可靠、精確和便宜的新型傳感器的開發(fā)和應(yīng)用(如位移測量傳感器、應(yīng)變測量傳感器、振動(dòng)測量傳感器等)，有力推動(dòng)了橋梁健康安全監(jiān)測的發(fā)展。
傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用
據(jù)悉，虎門大橋在設(shè)計(jì)之初就加入了GPS位移、應(yīng)變實(shí)時(shí)、長期形變、超限超載等監(jiān)測系統(tǒng)，通過這些系統(tǒng)的作用，能實(shí)時(shí)獲取橋梁在各種情況下的受力、工作狀態(tài)，以及抗風(fēng)和抗震以及繩索的張力、橋面裂痕、承壓力、位移、傾斜度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對橋梁的安全監(jiān)測。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng) （Bridge Health Monitoring System， 以下簡稱 BHMS）主要包括兩大組成部分：數(shù)據(jù)采集部分（由傳感器和單片機(jī)組成）和數(shù)據(jù)傳輸處理部分（由服務(wù)器與客戶機(jī)組成）。其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵，主要是通過各種類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
國內(nèi)典型橋梁 BHMS 建設(shè)情況
在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中會(huì)使用用多種傳感器，且會(huì)根據(jù)不同的橋梁環(huán)境，選擇不同的傳感器類型，常用的傳感器類型及優(yōu)缺點(diǎn)如下：
橋梁監(jiān)測中使用的多種傳感器
1、光纖光柵傳感器：
光纖光柵傳感器以其對環(huán)境干擾不敏感、輸出線性范圍寬、測量 的分辨率高、可以串聯(lián)，根據(jù)實(shí)際情況如測量位置、監(jiān)測對象的需要來 串聯(lián)光纖光柵傳感器，構(gòu)成傳感器組的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以優(yōu)化傳感器布設(shè)方案。在橋梁健康安全監(jiān)測中應(yīng)用較多，通常用于應(yīng)變、位移和溫度的監(jiān)測。但光纖光柵傳感器的使用要配以光纖光柵傳感解調(diào)儀。
2、GPS位移監(jiān)測傳感器：
GPS 定位系統(tǒng)和智能全站儀的出現(xiàn)讓位移監(jiān)測在自動(dòng)化、智能化上得到大幅度提升。GPS 差分定位技術(shù)采用多臺(tái)單頻或雙頻 GPS 接收機(jī)進(jìn)行同步觀測， 經(jīng)后臺(tái)差分?jǐn)?shù)據(jù)處理后得出觀測點(diǎn)間基線向量的高精度解算值。它具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。
智能全站儀通過測出已知坐標(biāo)(位 置) 點(diǎn)與被測點(diǎn)之間的距離及三個(gè)方向的夾角來確定被測點(diǎn)的位置。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、測程遠(yuǎn)，適用于不同跨徑橋梁位移的監(jiān) 測，能自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，該儀器的不足之處是受氣象條件的影響較大，在 有霧、下雨的情況下，儀器的測程、測量精度將會(huì)受到影響。
3、應(yīng)變監(jiān)測傳感器：
目前常用的應(yīng)變監(jiān)測傳感器有電阻式應(yīng)變計(jì)和振弦式應(yīng)變計(jì)。
電阻式應(yīng)變計(jì)敏感性好，但穩(wěn)定性差，長時(shí)間測量會(huì)產(chǎn)生漂移，適用于短時(shí)間的靜力或動(dòng)力試驗(yàn)；振弦式應(yīng)變計(jì)穩(wěn)定性好，但由于其尺寸不能做得很小，對應(yīng)力梯度大的部位難以測出某一點(diǎn)的應(yīng)變，適用于靜態(tài)應(yīng)變或應(yīng)變變化較慢的長期監(jiān)測。
4、拉索索力、吊桿張力監(jiān)測：
常用監(jiān)測方法是頻率法，采用加速度傳感器測量索的振動(dòng)頻率，并用頻率法來推算索力或吊桿張力，該法已經(jīng)能滿足斜拉橋索力測量高精度的要求。
一些新型傳感器，如磁彈和光纖光柵壓力傳感器也逐步在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。磁彈儀開始較多地應(yīng)用于索力監(jiān)測，它是利用磁通量的變化與拉索應(yīng)力的改變有關(guān) 這一特性研制而成的，內(nèi)設(shè)溫度補(bǔ)償。磁彈儀及其組件可以直接安裝在索股上，對索股無損傷。
此傳感器技術(shù)先進(jìn)、安裝方便、實(shí)時(shí)性好，適用于拉索的長期監(jiān)測，不足之處是對不同的材料必須標(biāo)定調(diào)試，儀器的抗干擾性和穩(wěn)定性還不夠好。
5、振動(dòng)監(jiān)測傳感器：
振動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用最普遍的還是加速度傳感器，常用壓電式、壓阻式、電容式、力平衡式等。
壓電式加速度計(jì)的敏感性較高，與之相匹配的是電荷放大器；壓阻式加速度計(jì)的敏感元件是固定在懸臂梁上的應(yīng)變計(jì)，與之匹配的放大器是動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀；電容式加速度計(jì)低頻響應(yīng)好、阻尼穩(wěn)定且過載能力強(qiáng)，適用于低頻、微振等振動(dòng)測 量；力平衡式加速度計(jì)更加小巧，適用于直流與低頻振動(dòng)測量。
6、工作環(huán)境監(jiān)測傳感器：
橋梁工作環(huán)境監(jiān)測包括：
①風(fēng)速、風(fēng)向，常 用風(fēng)速儀。
②溫度荷載，采用電子溫度計(jì)或應(yīng)變式溫度計(jì)。
③車輛荷 載，基本采用動(dòng)態(tài)地秤、車速車軸儀對公路、鐵路荷載進(jìn)行監(jiān)測。
④偶 然荷載，如地震或船舶撞擊等荷載，采用三向加速度傳感器。
物聯(lián)網(wǎng)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用
顯然，在橋梁監(jiān)測的過程僅靠人力是不可能的——費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)成本不說，還無法做到監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠(yuǎn)程橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，成為一個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
一方面，是對超限超載的監(jiān)測。
在高架橋兩端加裝路面壓力傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行車輛載重和類型識(shí)別，和攝像頭聯(lián)接獲取違規(guī)車輛的車牌信息，在進(jìn)行分級(jí)實(shí)時(shí)告警的同時(shí)，還可以統(tǒng)計(jì)路面總體載荷。
另一方面，是對橋梁健康狀況進(jìn)行日常監(jiān)測。
在大橋中植入若干個(gè)不同種類的傳感設(shè)備，另設(shè)立匯集節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)關(guān)和實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺(tái)，利用低功耗廣域網(wǎng)等技術(shù)無線傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)至匯集節(jié)點(diǎn)，再將數(shù)據(jù)傳入平臺(tái)層進(jìn)行儲(chǔ)存、處理與分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)采取應(yīng)對措施，比如當(dāng)橋梁極限承載力損失嚴(yán)重時(shí)，考慮將其拆除。
結(jié)語：
據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，我國已有200到300座大橋采取了加裝傳感器的方式來加強(qiáng)對橋梁健康的監(jiān)測，費(fèi)用從百萬元到千萬元不等。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，我國橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)，未來將是一個(gè)每年數(shù)千億元的大市場。
此次，虎門大橋“振動(dòng)”事件給全國橋梁安全防護(hù)敲響了警鐘，相關(guān)部門在加強(qiáng)對過往車輛監(jiān)管的同時(shí)，也應(yīng)充分意識(shí)到橋梁運(yùn)維管理信息化的必要性。橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)在很大程度上方便了橋梁檢測工作，能夠做到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。相信未來，將會(huì)更多地運(yùn)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，對橋梁健康進(jìn)行更精準(zhǔn)的監(jiān)測，進(jìn)一步確保橋梁的安全，保障人類的生活。
