如何为桥梁结构健康监测选择合适的远距离、毫米级精度传感器，以应对户外恶劣环境挑战？【形变监测技术】

1. 桥梁的基本结构与技术要求

桥梁作为重要的基础设施，其结构健康状况直接关系到公共安全和交通运营。桥梁的基本结构通常包括主梁（或桥面板）、桥墩、桥台、以及斜拉索或吊杆（对于斜拉桥和悬索桥）。这些构件在长期荷载、环境变化（如温度、风力、地震）以及材料老化等因素影响下，都可能发生微小的几何形状或位置变化，我们称之为形变。

对桥梁进行形变监测，就像给桥梁做定期体检。我们需要关注几个核心的技术要求：

• 精度要求：桥梁的形变往往是毫米甚至亚毫米级的，因此监测系统需要具备高精度，才能捕捉到这些细微的变化，及时发现潜在问题。

• 实时性要求：在某些情况下，例如桥梁在重载通行或遭受突发冲击时，形变可能快速发生，需要实时或准实时的监测能力来捕捉动态响应。

• 长期稳定性：桥梁的服役周期很长，监测系统需要在数年甚至数十年内保持稳定的性能，不受环境因素的显著影响。

• 远距离测量能力：由于桥梁跨度大、高度高，很多监测点位于难以接近的位置，因此测量设备需要具备在数十米乃至数百米外进行有效测量的能力。

• 环境适应性：桥梁通常暴露在室外，监测设备需要能够承受各种恶劣天气条件，如高温、严寒、大风、雨雪、灰尘等。

2. 针对桥梁的相关技术标准简介

为了确保桥梁结构安全，行业内制定了多项技术标准来指导桥梁健康监测。这些标准通常定义了需要监测的参数、评价方法以及数据处理流程。在远距离形变监测中，常见的监测参数及其评价方法包括：

• 位移/变形：

  • 定义：指桥梁结构（如主梁、桥塔、桥面等）在荷载、温度变化或其他因素作用下，相对于其初始位置发生的线位移。它通常包括垂直位移（挠度）、水平位移（侧向位移）和沉降。

  • 评价方法：将实时监测到的位移数据与设计值、历史数据、或根据荷载和温度计算出的理论值进行对比。如果位移超出预设的报警阈值，则可能指示结构异常。例如，监测主梁的挠度，就好比测量一根尺子在两端支撑、中间受力后向下弯曲的程度。当弯曲程度超过某个限度，就说明它可能要断了。

• 倾斜/转角：

  • 定义：指桥梁结构构件（如桥塔、桥墩）相对于其垂直或水平参考轴线发生的角度变化。

  • 评价方法：通过监测不同点位的倾斜传感器数据，计算出结构体的转动角度。这类似于观察一栋高楼是否在持续向某一个方向倾斜。

• 振动：

  • 定义：指桥梁结构在动荷载（如车辆通行、风力）作用下发生的周期性往复运动。其特征参数包括振动频率、振幅和阻尼比。

  • 评价方法：分析振动信号的频谱，提取结构固有频率，并与设计值进行对比。固有频率的变化可能预示着结构刚度的改变或损伤。

3. 实时监测/检测技术方法

本节将深入探讨市面上几种主流的远距离形变监测技术方案，并对比相关品牌产品。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 激光三角测量法

想象一下，你站在一个房间里，用手电筒照墙壁。如果你往后退，手电筒的光斑就会在墙上移动。激光三角测量法就是利用这个原理。它通常包含一个激光发射器和一个接收器（比如CMOS或CCD图像传感器），两者之间有一个固定的基线距离。激光束以某个角度投射到被测物体表面形成一个光点。当物体表面发生位移时，反射光点在接收器上的位置也会发生变化。传感器通过精确测量光点在接收器上的位置变化，再结合三角几何关系，就能计算出物体相对于传感器的距离或位移。

其核心几何关系可以用一个简化公式来表示：d = B * sin(α) / sin(β)其中，d是被测物体到传感器基线的距离，B是激光发射器和接收器之间的基线距离，α是激光发射角度，β是反射光线进入接收器的角度。当被测物体发生位移时，d会改变，从而导致β角发生变化，反映在接收器上的光点位置也会随之移动。

• 核心性能参数（典型范围）：

  • 测量范围：从几毫米到几米（例如10毫米至4000毫米）。

  • 精度：可达微米级到几十微米（例如0.005微米至0.03毫米）。

  • 分辨率：最高可达0.001毫米。

  • 响应频率：最高可达50千赫兹甚至更高。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：精度极高，响应速度快，非常适合对中短距离物体进行高精度的实时动态和静态位移监测。可以提供非常详细的表面轮廓数据，甚至实现三维测量。

  • 缺点：测量范围相对有限，通常在几米以内。容易受到被测物体表面颜色、粗糙度、反射率以及环境光线的影响。如果目标表面是镜面反射，测量可能会失效。需要保持清晰的视线，不能有遮挡。

  • 成本考量：中等到偏高，具体取决于所需的精度和测量范围。

b. 激光飞行时间（ToF）原理

激光飞行时间原理，顾名思义，是测量激光从传感器发射出去，碰到目标物体表面反射回来，再被传感器接收到的“飞行时间”。由于激光以光速传播，而光速是一个已知且极高的常数，所以通过精确测量这个时间间隔，就能计算出传感器到目标的距离。你可以把这想象成回声定位：你喊一声，声音碰到远处的墙壁反射回来，你听到回声，根据声音来回的时间就能估算出墙壁的远近。

其距离计算公式为：D = (c * t) / 2其中，D是传感器到目标的距离，c是光速（约3 x 10^8 米/秒），t是激光往返的总时间。除以2是因为激光走了去和回两次。

• 核心性能参数（典型范围）：

  • 测量范围：从几厘米到数百米甚至数公里（例如0.15米至300米）。

  • 精度：可达毫米级到厘米级（例如±1毫米）。

  • 重复精度：通常在毫米级以下（例如±0.5毫米）。

  • 响应频率：最高可达1千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：测量距离非常远，远超三角测量法。对目标表面颜色、粗糙度影响较小，适应性强。结构相对简单，坚固耐用。

  • 缺点：相较于激光三角测量法，其在短距离内的绝对精度通常较低。受大气环境（如温度、湿度、空气密度变化）影响，会轻微改变光速，从而影响精度。高精度ToF传感器的采样频率可能不如三角测量法高。

  • 成本考量：中等到偏高，性能越好成本越高。

c. 调频连续波（FMCW）雷达技术

FMCW雷达技术类似于激光ToF，但它使用的是微波信号而不是激光。它的独特之处在于发射的微波信号频率是连续变化的（比如，从某个频率线性增加到另一个频率）。当这个变化的信号碰到目标物体反射回来时，传感器会接收到一个“旧”一点的信号。传感器内部会将发射信号和接收信号混合，通过计算它们之间的频率差（这个频率差与距离成正比），就能精确测算出目标距离。可以理解为，你发射出去的是一辆不断加速的汽车，它碰到墙壁回来，你收到的仍然是这辆车，但它比你刚发射出去时“更慢”了一点（频率更低），这个“慢”的程度就告诉你它走了多远。

其距离计算公式涉及到频率差与距离的关系：D = (c * T_sweep * Δf) / (2 * B_sweep)其中，D是被测距离，c是电磁波在介质中的速度，T_sweep是频率扫描周期，Δf是发射信号与接收信号的频率差（拍频），B_sweep是频率扫描带宽。

• 核心性能参数（典型范围）：

  • 测量范围：从几厘米到几十米（例如0.05米至8米）。

  • 精度：可达毫米级到厘米级（例如±1毫米）。

  • 重复精度：通常在毫米级以下（例如小于0.5毫米）。

  • 采样频率：最高可达1千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：对恶劣环境（如灰尘、烟雾、蒸汽、雨雪）具有极强的穿透能力和抗干扰性，这是激光技术难以比拟的。非接触式、免维护，可靠性高。

  • 缺点：分辨率通常不如激光传感器高，特别是在细节测量方面。测量范围通常不如激光ToF远。易受物体介电常数影响。

  • 成本考量：中等到偏高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在远距离快速位置测量领域具有代表性的国际品牌及其产品特点，帮助您更好地理解不同技术方案的实际应用。

a. 德国西克 (采用激光飞行时间ToF原理)

德国西克是全球领先的传感器及传感器解决方案供应商，其DL系列激光测距传感器在工业界享有盛誉。* 核心性能参数：例如DL1000系列，测量范围可达0.15米至300米（使用反射板可达300米），精度通常在±1毫米，重复精度可达±0.5毫米，测量频率最高可达1千赫兹。* 应用特点与独特优势：德国西克的产品以其工业级坚固性、高可靠性和超长测量距离著称。它能够适应各种恶劣的工业环境，常用于物流自动化中的起重机定位、高精度货物堆叠，以及钢铁、港口等重工业领域的距离测量，市场占有率高。对于桥梁健康监测中的超长跨度点位或大型构件的整体位移监测，DL系列是一个可靠的选择。

b. 英国真尚有 (采用高精度激光三角测量法)

英国真尚有ZLDS115是一款高性能的激光位移传感器，在激光三角测量法中，它在保证较高精度的同时，也具备了相对较长的测量范围。* 核心性能参数：ZLDS115的最大测量范围可达2000mm（部分型号可达4000mm），最高分辨率0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，更新频率为1kHz，温度偏差为±0.03% FS/°C，防护等级达到IP65标准。* 应用特点与独特优势：英国真尚有ZLDS115在高精度和相对较大测量范围之间取得了良好的平衡，尤其适合需要毫米级精度和较长测量距离的位移监测，如桥梁伸缩缝和支座。其快速响应能力使其能够捕捉桥梁的动态微小振动或快速形变。同时，良好的温度稳定性和防护等级使其能够适应桥梁户外复杂多变的环境条件。此外，该传感器内置多种滤波器并支持用户自定义设置，使其在数据处理上具有较高的灵活性。

c. 日本基恩士 (采用高精度激光三角测量法)

日本基恩士在自动化和检测领域处于领先地位，其LK-G系列激光位移传感器以其高精度和高速测量能力而闻名。* 核心性能参数：例如LK-G5000系列，测量范围通常在10毫米至300毫米，但其重复精度可达0.005微米（即5纳米），采样速度高达50千赫兹。线性度通常为±0.03% F.S.。* 应用特点与独特优势：日本基恩士LK-G系列的核心优势在于其超高精度和超快响应速度。它能够在微米甚至纳米级别对物体进行非接触式位置测量，并能稳定监测高速移动的物体。在桥梁健康监测中，它更适合于对关键受力构件进行超高精度的微变形监测，或是实验室环境下对材料性能进行精细分析。然而，其测量范围相对较短，通常不适用于几十米开外的远距离监测。

d. 瑞士堡盟 (采用调频连续波FMCW雷达技术)

瑞士堡盟集团是全球传感器制造领域的佼佼者，其OM70系列雷达传感器在恶劣环境下的可靠性备受推崇。* 核心性能参数：例如OM70-P型号，测量范围通常在0.05米至8米，精度可达±1毫米，重复精度小于0.5毫米，采样频率最高可达1千赫兹。* 应用特点与独特优势：瑞士堡盟OM70系列的最大优势在于其卓越的环境适应性。无论是在灰尘弥漫、雾气笼罩、高湿度甚至高温的环境中，FMCW雷达技术都能提供可靠的距离测量，这是激光技术难以企及的。在桥梁监测中，如果某些关键测点处于风沙大、粉尘多、或者经常有水雾凝结的环境，FMCW雷达传感器能够提供比激光传感器更稳定的数据。然而，其测量范围和分辨率通常不及高精度激光传感器。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的形变监测设备，需要根据桥梁的具体情况和监测目标来定。

• 测量范围：

  • 实际意义：决定了传感器能够监测的最大距离和被测物体可能的最大位移量。

  • 影响：如果测量范围不足，传感器可能无法覆盖所有监测点或无法捕捉到所有预期的变形。

  • 选型建议：对于桥梁整体的远距离、大尺度形变（如主梁跨中沉降），可能需要选择几十米甚至数百米测量范围的ToF激光传感器。对于局部构件（如伸缩缝、支座）的相对位移，几米范围的激光三角测量传感器已足够。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义：精度表示测量结果与真实值之间的接近程度，分辨率表示传感器能够分辨出的最小变化量。

  • 影响：精度和分辨率直接决定了监测数据是否可靠和有意义。毫米级或亚毫米级通常是桥梁监测的基本要求。

  • 选型建议：如果目标是捕捉桥梁微小的结构变化或裂缝发展，应优先选择分辨率高、精度好的激光三角测量传感器。如果监测目标是大范围的毫米级位移趋势，ToF激光传感器也能胜任。

• 响应频率/采样速度：

  • 实际意义：表示传感器在单位时间内能够进行多少次测量。

  • 影响：高响应频率对捕捉桥梁的动态响应（如车辆通过时的瞬时振动、风致振动）至关重要。静态形变监测则对响应频率要求不高。

  • 选型建议：需要监测桥梁振动特性时，选择高响应频率的激光传感器。如果只是监测桥梁的长期沉降或静态位移，几赫兹甚至更低的采样频率即可。

• 环境适应性：

  • 实际意义：传感器在各种恶劣环境（温度、湿度、灰尘、雨雪、电磁干扰）下稳定工作的能力。

  • 影响：环境因素是影响户外监测设备可靠性和数据准确性的主要因素。

  • 选型建议：户外安装应选择防护等级高、宽工作温度范围的传感器。如果现场环境多尘、多雾，FMCW雷达或具备强穿透能力的ToF激光传感器可能更合适。

• 成本：

  • 实际意义：包括设备的采购成本、安装成本、运行维护成本以及长期电力消耗。

  • 影响：总成本是项目可行性的重要考量。

  • 选型建议：在满足技术要求的前提下，综合考虑设备的初始投入和长期运行维护成本。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在桥梁健康监测的实际应用中，即使选择了合适的传感器，也可能遇到各种挑战。

• 环境因素影响：

  • 问题：灰尘、雨雪、大雾、强风、太阳直射等会干扰激光信号，导致测量中断或精度下降；环境温度剧烈变化可能导致传感器自身误差或被测构件热胀冷缩，影响数据判读。

  • 原因与影响：激光在恶劣天气中衰减严重；温度变化影响传感器内部电子元件性能及桥梁结构真实尺寸。

  • 解决建议：

    • 选用高防护等级的传感器，并加装专业防护罩，避免雨水和灰尘直接侵蚀。

    • 对于激光传感器，可考虑选择波长穿透性更好的激光或采用具有高级滤波和信号处理算法的传感器。

    • 在极端天气下，可考虑结合FMCW雷达等抗干扰能力强的技术作为补充。

    • 配置气象站同步监测环境温度、湿度等参数，对测量数据进行温度补偿和校正。

    • 传感器安装位置应尽量避免太阳直射，或加装遮阳板。

• 目标表面特性：

  • 问题：被测目标表面颜色深、粗糙、反射率低或存在镜面反射，可能导致激光回波信号弱或光斑不清晰。

  • 原因与影响：激光传感器依赖于目标表面的漫反射特性。

  • 解决建议：

    • 在关键监测点安装专用的高反射率反光板，以增强激光信号的回波强度和稳定性。

    • 调整传感器的安装角度，避免镜面反射导致信号丢失。

    • 对于某些非漫反射或吸收性强的表面，可能需要使用对表面特性不敏感的ToF激光传感器或FMCW雷达。

• 供电与数据传输：

  • 问题：桥梁现场往往难以获取稳定的市电，长距离数据线缆易受电磁干扰和信号衰减。

  • 原因与影响：供电不足导致传感器停机；数据传输不稳定或失真影响监测的连续性和准确性。

  • 解决建议：

    • 采用太阳能板+蓄电池的独立供电系统，确保传感器持续运行。

    • 使用工业级光纤或无线传输模块进行数据传输，有效解决长距离信号衰减和抗干扰问题。

    • 部署边缘计算设备，在现场对数据进行预处理和压缩，减少传输带宽需求。

• 数据处理与分析：

  • 问题：海量监测数据的存储、管理、异常值识别、趋势分析和预警机制建立。

  • 原因与影响：数据量大，人工分析效率低，难以发现潜在风险。

  • 解决建议：

    • 建立云平台或本地服务器，统一存储和管理监测数据。

    • 开发或引入专业的数据分析软件，集成多种滤波算法和异常值检测算法。

    • 利用机器学习和人工智能技术，自动识别数据模式、预测形变趋势，并及时触发预警。

4. 应用案例分享

• 桥梁主梁挠度监测：在桥梁主梁跨中和四分点处安装激光位移传感器，实时监测车辆通过或温度变化引起的主梁垂直位移，评估其整体刚度和承载能力。例如，使用高精度激光三角测量传感器，可以准确捕捉主梁在荷载作用下的微小挠度变化。

• 桥塔或桥墩倾斜监测：将激光位移传感器固定在桥塔或桥墩的侧面，以地面或相邻结构作为参考，持续监测桥塔或桥墩的微小倾斜变形，预警潜在的失稳风险。

• 伸缩缝位移监测：在桥梁伸缩缝两侧安装激光位移传感器，测量其在温度变化、车辆荷载下的张开或闭合量，确保伸缩缝正常工作，防止病害发生。例如，英国真尚有ZLDS115 激光位移传感器具有良好的温度稳定性，能够准确监测伸缩缝在不同温度下的位移变化。

• 拉索索力变化引起的位移监测：在斜拉桥拉索锚固点附近或索身上安装激光位移传感器，通过监测其相对位移，间接反映拉索索力的变化情况，评估拉索的健康状态。

在选择桥梁健康监测系统时，需要综合考虑测量范围、精度、响应频率、环境适应性和成本等因素。对于不同的监测需求和应用场景，应选择最适合的传感器类型和品牌。