一种道路桥梁损伤的智能监测装置及其监测方法与流程

本发明涉及桥梁监测，尤其涉及一种道路桥梁损伤的智能监测装置及其监测方法。

背景技术：

1、道路桥梁作为交通网络的关键枢纽，其结构健康状态直接关系到公共安全与运营效率。对桥梁损伤（如裂缝、剥落、锈蚀、位移等）进行及时、精准的监测，是预防结构性失效、指导科学养护、延长桥梁寿命的核心环节。传统的桥梁损伤监测技术主要遵循以下几种范式，但均存在显著局限性：

2、首先，人工定期巡检。该种方式依赖经验丰富的工程师进行目视检查或借助简单工具（如裂缝观测仪、敲击锤）进行判断，其主观性强、效率低下、存在高空作业安全风险，且难以发现早期、隐蔽或微小的损伤，更无法实现损伤的定量化与连续跟踪。且监测周期长，无法适应对重点桥梁或突发事件的实时性要求。

3、其次，固定传感器网络监测。该种方式主要是在桥梁关键部位预埋或粘贴智能传感器（如应变片、加速度计、光纤光栅传感器）。其虽然能实现连续、定量的数据采集，然而弊端突出：安装过程通常需要在结构上钻孔、焊接或大面积粘贴，对桥梁本体可能造成损伤或应力集中；传感器网络布设密度有限，存在监测盲区，难以捕捉随机萌生的新损伤；系统布线复杂，长期可靠性受环境影响大，维护与更新成本高昂。

4、再者，移动式机器人或无人机巡检方式。这种方式搭载视觉、激光等传感器的移动平台，提高了监测的灵活性与可达性。但此类方案依赖复杂机电系统，购置与维护成本高；需人工操作或复杂路径规划，自动化程度受限；其作业受天气、桥梁交通状况影响显著，难以在车流密集时或恶劣气候下执行；通常侧重于宏观图像采集，缺乏对微细损伤进行接触式或高精度定量检测的能力，且难以实现特定点的长期、定点、高频次跟踪监测。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题是提供一种道路桥梁损伤的智能监测装置及其监测方法。

2、本技术提供一种道路桥梁损伤的智能监测装置，包括：

3、楔形自锁放大底座，其构造为在旋紧时发生径向弹性扩张，以利用桥梁结构上的既有孔洞实现无损伤锚固，并基于斜面副滑移将所述桥梁结构的微米级变形放大为毫米级可测位移；

4、智能传感与扫描单元，其承载于所述楔形自锁放大底座上，并与该楔形自锁放大底座构成协同触发与验证关系，具体为：所述楔形自锁放大底座输出的所述毫米级可测位移作为初级损伤触发信号，直接驱动所述智能传感与扫描单元由低功耗休眠模式切换至主动精细扫描模式；

5、多自由度自适应承载平台，其设置于所述楔形自锁放大底座与所述智能传感与扫描单元之间，具有主动调平与振动主动抑制功能，以在桥梁活载环境下为所述智能传感与扫描单元提供稳定的测量基准与成像条件；

6、防护壳体，包覆所述智能传感与扫描单元及多自由度自适应承载平台，所述防护壳体上集成有供能模块与通信模块。

7、进一步的，所述楔形自锁放大底座包括：

8、下楔块，插入所述桥梁结构的既有孔洞，其顶部设有第一斜面，侧壁设有硬质合金刀口，且内部预埋有螺纹套；

9、上压板，其底部设有与所述第一斜面相配合的第二斜面滑槽，顶面设有用于承载的位移基准面；

10、锁紧螺杆，其自所述上压板顶面垂直穿入，依次穿过蝶形弹簧组及垫圈后旋入所述螺纹套；

11、其中，旋紧所述锁紧螺杆时，所述第一斜面与第二斜面滑槽相对运动，迫使下楔块径向扩张直至刀口咬入孔壁混凝土，同时所述蝶形弹簧组被压缩以提供持续的、可自适应补偿混凝土徐变的锚固预紧力。

12、进一步的，所述协同触发与验证关系通过以下结构实现：所述下楔块上固定有霍尔传感器，所述上压板的位移基准面上贴附有与所述霍尔传感器相对设置的磁栅条，构成位移传感模块，用于实时输出所述毫米级位移对应的电信号；该电信号连接至所述智能传感与扫描单元的主控制器，作为模式切换的触发依据。

13、进一步的，所述智能传感与扫描单元包括：

14、集成式光学扫描头，其具有一密封腔体，腔体内共光路集成有微机电系统二维快反镜、多光谱激光雷达模组、微距视觉传感器及微型热像仪；其中，所述微机电系统二维快反镜设置于入射光路前端，用于在触发后根据所述位移传感模块提供的坐标信息，将所述多光谱激光雷达模组的激光束及所述微距视觉传感器与微型热像仪的视场快速对准目标区域；

15、二维精密平移台，所述集成式光学扫描头安装于该二维精密平移台上，用于在触发后对目标区域进行局部拓展扫描。

16、进一步的，所述多自由度自适应承载平台包括：

17、调平模块，其包括固定于所述上压板顶面且呈环形的基板、通过至少三个独立控制的微型直线致动器支撑于所述基板上方的承载板以及用于感知所述承载板姿态的姿态传感器；所述承载板用于安装所述智能传感与扫描单元；

18、主动减振模块，其包括至少三个分别连接于所述基板与承载板之间的磁流变阻尼器，以及用于监测桥梁振动加速度的振动传感器；

19、其中，所述主控制器根据所述姿态传感器反馈控制各微型直线致动器协同伸缩以实现主动调平，并根据所述振动传感器反馈实时调节各磁流变阻尼器的输入电流以改变阻尼，从而抑制振动向所述集成式光学扫描头的传递。

20、进一步的，所述主控制器被配置为执行以下协同控制流程：

21、接收所述位移传感模块的信号，当位移量超过第一阈值时，生成初级触发指令；

22、响应于所述初级触发指令，启动所述集成式光学扫描头，并基于位移量及预设映射关系，控制所述微机电系统二维快反镜偏转，使光轴对准疑似损伤区域；

23、同步启动所述多光谱激光雷达模组、微距视觉传感器及微型热像仪，对所述区域进行数据采集；

24、对采集的多源数据进行融合分析，若确认损伤，则生成包含损伤类型与量化参数的报警信息并通过无线通信模块发送；若为误报，则控制装置返回休眠模式。

25、进一步的，所述主控制器还被配置为：在所述主动减振模块工作期间，根据所述振动传感器实时采集的振动频谱与幅值信息，动态调整所述多光谱激光雷达模组与微距视觉传感器的数据采集时序，使其在振动加速度低于设定门限的时段进行高精度数据捕获。

26、进一步的，所述蝶形弹簧组由多片蝶簧对合组成，其提供的预紧力设计为能补偿所述桥梁结构孔壁因混凝土徐变产生的0.3mm以内的收缩量，确保锚固力的长期稳定性。

27、进一步的，所述供能模块包括设置于所述防护壳体顶部的柔性光伏膜、设置于壳体内的储能电池以及温差发电片，所述通信模块包括lora无线通信单元，所述防护壳体内还设有与主控制器通信的环境感知模块和散热控制模块；所述环境感知模块用于监测壳体内外的温湿度及粉尘浓度；所述散热控制模块根据所述环境感知模块的数据，动态调节壳体内风扇的转速或启停；且所述防护壳体的侧壁还开设有光学窗口。

28、本技术提供一种道路桥梁损伤的智能监测方法，包括以下步骤：

29、机械锚固与信号放大步骤：将所述楔形自锁放大底座安装于桥梁的既有孔洞中，通过旋紧锁紧螺杆使其在径向扩张自锁的同时，建立将微变形转换为放大位移的机械传递链；

30、低功耗感知与智能触发步骤：通过所述位移传感模块持续监测放大位移，仅当位移量超过阈值时，才触发所述智能传感与扫描单元及所述多自由度自适应承载平台进入高功耗工作状态；

31、多模态协同验证步骤：被触发的所述智能传感与扫描单元，控制其内部共光路集成的多光谱激光雷达模组、微距视觉传感器及微型热像仪，对触发点进行同步扫描与成像，获取三维形貌、表面纹理及温度场多维度数据；

32、数据融合与决策步骤：在边缘计算单元内融合所述多维度数据，进行损伤的交叉验证与定量评估，并依据评估结果生成差异化预警信息。

33、与现有技术相比，本发明通过楔形自锁放大底座斜面副的机械放大原理，将桥梁0.01-0.1mm级的微变形（如微裂缝张开）线性放大数十倍，转换为常规、低成本的位移传感器（如霍尔元件）可稳定捕捉的毫米级信号；同时，通过多自由度自适应承载平台集成基于姿态传感器的主动调平功能和基于振动传感器的磁流变主动减振功能，可以实时补偿因基础沉降、温度梯度等引起的安装基座倾斜，并动态抑制交通荷载传递来的结构振动，为上部精密的光学扫描单元提供了稳定、水平的动态虚拟基座，确保了在不同环境与荷载条件下采集数据的一致性、可比性与高精度性。