斜拉索振动控制无线监测系统研发

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由于斜拉桥的结构简单、外形美观和造价便宜而被广泛采用。但作为斜拉桥主要受力结构的斜拉索,因其质量轻、阻尼小、柔性大,容易在外力尤其是横向风的作用下产生大幅度振动,这会影响行车安全和危害桥梁寿命。因此,为了保障行车安全和保证桥梁的寿命,必须对斜拉索采取有效的减振措施。特别是近年来斜拉桥发展的跨径增大,斜拉索变长,振动控制难度也越来越大。其中,被动减振控制方式效果有限,主动减振控制成本高安全系数低,而最近研究表明,基于磁流变阻尼器(MR阻尼器)可调的半主动控制方式可弥补前两者的缺陷又可达到很好的控制效果。本文基于MR阻尼器,研发了一种对斜拉索振动进行闭环控制和无线监测的系统,研发内容如下:(1)设计一种以DSP芯片为系统核心,结合MR阻尼器和加速度传感器构成一个对斜拉索进行减振的闭环系统。本系统可实现加速度信号的实时采集、提取频率信息、输出控制电压以及电压转换电流驱动磁流变阻尼器等功能。同时,该系统采用ZigBee无线模块进行通讯,并结合LabView软件开发的监测系统,从而实现了斜拉索振动控制系统的信号传输与监测。(2)在可靠的RS485通讯情况下,对比RS485和ZigBee两者通讯数据传输结果;另外,在下位机中设定固定的传输信号,实现上位机与下位机之间的无线通讯,对比保存信号与原始固定信号;通过这两个实验验证了ZigBee在近距离通讯的可行性。在ZigBee无线通讯可靠的基础上,依次验证了振动控制无线监测系统的FFT算法和输出控制电压;实验结果表明,整个系统的振动控制与无线传输的参数正确无误。(3)为了实现长距离大数据量信号的无线传输,根据ZigBee无线模块的透传性能和通讯系统的数据传输要求,设计并测试上位机与下位机之间不同的应用层通讯协议以及不同天线安装角度的影响。测试结果表明:有标识符数据包协议较无标识符数据包协议的通讯性能更稳定;在近地情况下,终端节点及协调器天线均竖直向上的无线通讯性能最佳。所测试的无线通讯模块可实现350m通讯距离内数据接收率达90%以上。该模块可用于土木工程结构(特别是大跨桥梁)健康监测系统长距离大数据量的无线通讯。(4)将振动控制无线监测系统实际安装在台州椒江二桥的斜拉索,对整个系统进行现场减振功能调试和无线数据传输效果分析。无线通讯结果表明,数据传输无误,而且数据接收率在90%以上,基本满足设计要求。同时,分析在台风影响下安装于桥上的振动控制系统的减振效果,并找出系统存在的问题和提出解决方法。
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