泰州长江公路大桥无线振动监测系统研究与实现

论文摘要

随着近年来我国交通基础设施建设的迅猛发展,公路建设项目中的桥梁、隧道等建筑结构也不断增多,其结构也更加复杂和多样化。为避免结构意外事故或长时间运营的结构累积损伤等而造成的重大损失,需要对桥梁结构进行长期或定期的健康监测和安全性评估。无线传感器网络融合了传感器技术、通信技术和计算机技术,通过散布在监测区域内的节点协作的感知监测区域的状态信息,实现信息网络与物理世界的结合,有广泛的应用前景。本文首先对无线传感器网络进行介绍,分析节点组成、基本网络结构和相关的通信协议。其次,研究了结构健康监测的理论、系统组成和当前的研究现状。完善的桥梁健康监测系统的需要通过监测数据验证设计的假设和模型,分析响应与负载以进行损伤识别,同时对桥梁工程的进一步研究提供实验性的分析和指导。本文通过对泰州大桥结构健康监测的研究,设计出针对泰州大桥三塔两跨的特殊结构和应用特点的基于振动加速度测量的健康监测系统。使用以无线传感器网络为主的异构网络,发挥无线传感器网络在空旷环境下传输距离远和安装方便的优势,并避免在部分情况下无线通信困难的缺点；研究了无线传感器网络平台Mica系列和Imote2的特点,并设计研究用于结构健康监测的加速度传感器电路和射频功率放大器；设计了整个泰州大桥的健康监测系统的系统构架和基本节点,并应用在泰州大桥现场对桥梁实时监测。本文对泰州大桥的主梁和吊索的结构分析和模型简化,由理论模型计算出不同模态的振动频率和振型。再由实测数据计算出测量对象的实际振动频率,对比理论模型,分析桥梁在测量期间的振动状态,并由测量频率计算出的结构参数与设计参数比对,验证设计规范的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 无线传感器网络技术与特点
• 1.1.2 桥梁结构健康监测系统概况
• 1.1.3 目前的问题和研究展望
• 1.2 主要研究热点和方向
• 1.3 本文章节安排
• 第二章 无线传感器网络理论
• 2.1 无线传感器网络的体系架构
• 2.2 ZigBee与802.15.4协议
• 2.3 无线传感器网络关键问题的研究
• 2.3.1 网络可靠性
• 2.3.2 通信安全性
• 2.3.3 休眠和能量消耗
• 第三章 桥梁结构健康监测
• 3.1 几个基本术语
• 3.2 结构健康监测的理论基础
• 3.3 健康监测系统与组成
• 3.4 信号采集与损伤识别
• 3.4.1 传感器与信号采集
• 3.4.2 损伤识别类型
• 3.5 桥梁健康监测现状
• 第四章 无线传感器网络节点的硬件与软件平台
• 4.1 硬件平台性能及比较
• 4.1.1 MICA系列节点
• 4.1.2 Imote2节点
• 4.2 操作系统与程序开发
• 4.2.1 无线传感器网络操作系统
• 4.2.2 TinyOS应用程序模型和开发
• 4.3 传感器采集模块设计
• 4.3.1 加速度传感器选择
• 4.3.2 信号理调电路设计
• 4.3.3 温湿度传感器
• 4.4 射频功率放大器的设计
• 4.5 整个节点系统
• 第五章 泰州大桥健康监测系统研究
• 5.1 泰州大桥与其健康监测系统
• 5.2 健康监测系统整体构架
• 5.3 振动监测节点部署分析
• 5.4 数据传输和网络转换
• 第六章 计算模型与数据分析
• 6.1 主梁振动计算
• 6.2 吊索振动计算
• 6.3 主缆振动计算
• 6.4 一些问题和解决方法
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文和其他科研成果
• 致谢