随着基础设施承受的压力日益增大，对现有结构的安全性及其剩余使用寿命进行调查和评估已成为一项重要挑战。为了确保结构安全性和适用性，必须采用可靠、技术上可行且经济的计量监测解决方案。这是获取有关损伤过程和当前结构性能的有价值信息的关键前提。
作为ZIM合作项目“基于模态的桥梁上部结构损伤分析与监测系统开发”的一部分，卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）钢筋混凝土与建筑材料研究所的钢筋混凝土部门正在开发一种基于模态的桥梁上部结构监测系统的计量解决方案模型。 与所有结构一样，桥梁在受激励时会表现出振动特性，这些特性可通过固有频率和固有模态等模态参数来描述。
基于模态的监测系统的基本原理在于：损伤过程会伴随结构刚度的变化，进而导致模态参数发生可测量的变化。通过测量和表征模态参数（固有频率和固有模态），可以获得关于桥梁状况、承载能力及剩余使用寿命的深入信息。
设置
在卡尔斯鲁厄材料研究与测试研究所，由马雷克·科姆（Mareike Kohm）主持开展了组件试验，旨在对基于模态的监测系统进行实验验证和测试。一根长6.5米的简单钢筋混凝土梁被用作桥梁的类比模型。实验开始时，该钢筋混凝土梁处于完好状态，并在试验过程中通过行程控制的液压缸逐步施加损伤；见图1。
由于钢筋混凝土梁受到轴心弯拉应力作用，导致了渐进式裂缝的形成。为便于后续评估，既通过人工方式，也借助GOM Aramis光学测量系统对这一过程进行了记录。 为了对模态参数进行计量测试和验证，使用Semex-Engcon公司的MEMS加速度计在25个测量点记录了加速度时程曲线。同时，还使用了配备4个光学单元和27个传感器头的Polytec Multipoint Vibrometer （MPV-800系统），对上述25个测量点以及支撑轴上的另外2个测量点进行了测量，以检查和验证加速度计的计量结果。
MPV采用非接触式振动测量方式，其工作原理基于激光多普勒振动测量法。MPV的每个光学单元包含八个传感器头，可同时采集测量数据。因此，MPV特别适用于损伤等不可重复的事件。此外，还使用了两台来自Luna Technologies（由Polytec 分销）的法布里-珀罗光纤传感器（OS）作为加速度计，用于对测量数据进行额外验证。
通过一个简单的手动橡胶锤，在两个位置对梁体进行激励。随后，利用频域分解法确定了模态参数。该方法是运营模态分析中采用的流程之一，其中模态参数完全基于结构的响应振动进行估算。 因此，无需测量激励力。若将该方法应用于实际桥梁结构，则意味着可利用交通、风和微震等无法直接测量的自然激励源，从而在监测过程中不会造成交通中断。
图1和图2展示了传感器在钢筋混凝土梁上的布置位置。
将27个MPV传感器测头与钢筋混凝土梁顶面对齐（见图3），并安装在若干组装好的博世型材上。四个光学单元的全部27个测头均以1D模式运行。OS测量系统安装在与MEMS传感器高度相同的两个侧向测量点上。 为了将MEMS与MPV系统进行比较和验证，每个系统必须同步采集所有测量点的数据。MPV-800正是为完成这一任务而专门开发的，它凭借同步测量数据采集功能，最多可同时采集48个通道的数据。
测试程序
通过MPV、MEMS和OS这三种测量系统，在预设的触发阈值下，每个位置记录了10组测量数据。采样时间为15秒，以便在时域内捕获振动的衰减过程。每个激励点（位置1和位置2）的第一组测量数据是在液压缸开始加载之前采集的。 该测量被视为无损伤参考状态，下文中简称为BE00。在两个激励位置各完成一整组测量后，通过位于试验梁中部的液压缸对钢筋混凝土梁进行加载和卸载。使用橡胶锤对试验梁进行激励时，始终在卸载状态下进行。记录了16个应力水平，直至钢筋混凝土梁失效。
利用FDD方法对振动计数据和MEMS传感器的固有频率进行评估
利用MPVMultipoint Vibrometer 进行的评估，使得从一开始（BE00：无损伤状态下的测量）就能在MPV软件中清晰地可视化时域和频域的测量数据，包括共振频率及相应的位移波形。而使用其他两个传感器系统时，无法在现场以图形方式显示响应谱和固有模态，这些数据必须在后期处理中进行评估。 图4显示了BE00的时间测量结果以及BE00的第一至第三特征模态（第一特征频率11 Hz，第二特征频率45 Hz，第三特征频率92 Hz）。
总体结论
总体而言，这三种传感器类型之间未发现显著差异。因此，作为验证仪器，MPV-800Multipoint Vibrometer 能够验证 MEMS 传感器（监测系统）的测量结果。由此可见，MPV 不仅能提供与接触式传感器相同的测量精度，还具备非接触式、灵活的测量优势，从而在采集真实动态行为时，避免对测量结果本身产生任何影响。
更多详情请参见 应用说明《基于模态的桥梁上部结构监测系统》
