一种用于桥梁结构健康监测的低成本多传感器系统设计及实验室验证

《Sensors》：Design, Development, and Laboratory Validation of a Low-Cost Multi-Sensor System for Bridge Structural Health Monitoring with Scour-Related Environmental Sensing

　　

摘要

本文介绍了一种低成本多传感器系统的设计、开发和实验室验证，该系统用于桥梁结构健康监测，并辅以与冲刷相关的环境感知功能。所提出的传感装置旨在实现连续的动态（基于振动）和准静态结构监测，特别是针对桥梁应用。该系统采用分布式有线架构，包含两块定制印刷电路板：BridgeWatch 和 EnvironMonitor。BridgeWatch 节点集成了 MEMS 加速度计和陀螺仪，能够实现加速度测量、基于重力分量的准静态倾角估计、角速度测量以及结构表面温度采集。EnvironMonitor 节点采集风速、降雨量、气温、湿度和桥梁水位；这些变量为冲刷风险提供了相关的环境和水文背景信息，但并未直接测量河床高程或冲刷深度。树莓派（Raspberry Pi）通过 RS485 和 RS232 链路协调数据采集、同步和通信。硬件通过定制 PCB 设计和专用固件实现。主要贡献在于在一个开放架构中实现了结构测量与环境测量的系统级集成。实验室验证包括通信和同步检查、振动台测试、比例结构基准测试、气候箱测试和环境输入模拟。结果表明，在受控条件下能够实现功能数据采集和相关的动态特征提取。这些成果为未来的全尺寸原位验证和全尺寸案例研究测试奠定了基础。