一种自供电的桥梁结构位移监测装置及方法

摘要

本申请涉及一种自供电的桥梁结构位移监测装置及方法，属于桥梁技术领域。该装置包括：壳体、位于壳体内壁上的第一质量块、悬臂梁、压电换能器、第二质量块以及触发装置。悬臂梁的第一端与壳体内底部连接，悬臂梁的第二端与第二质量块连接，第二质量块中的永磁铁与第一质量块中的永磁铁相对设置，第二质量块中的永磁铁与第一质量块中的永磁铁相互排斥，压电换能器位于悬臂梁上。触发装置与压电换能器的输出端连接，触发装置，用于根据压电换能器在第二质量块非线性振动的激励下产生的正压电效应，对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移大于预设阈值时触发预警。该装置采用机电一体化设计，即可实现自供电的桥梁结构位移的智能监测和预警。

权利要求

1.一种自供电的桥梁结构位移监测装置，其特征在于，用于监测桥梁结构位移，使用时安装在待测量桥梁结构上；所述桥梁结构位移监测装置包括：壳体；

位于所述壳体内壁上的包含永磁铁的第一质量块；

竖直设置的悬臂梁、压电换能器、包含永磁铁的第二质量块，所述悬臂梁的第一端与所述壳体内底部连接，所述悬臂梁的第二端与所述第二质量块连接，所述第二质量块中的永磁铁与所述第一质量块中的永磁铁相对设置，所述第二质量块中的永磁铁与所述第一质量块中的永磁铁相互排斥，所述压电换能器位于所述悬臂梁上；以及位于所述壳体内的触发装置，所述触发装置与所述压电换能器的输出端连接，所述触发装置，用于根据所述压电换能器在所述第二质量块非线性振动的激励下产生的正压电效应，对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移大于预设阈值时触发预警，其中，所述第一质量块的数量为多个，所述第二质量块中的永磁铁为多个；所述壳体的内顶壁还设置有至少一个所述第一质量块，至少一个所述第一质量块位于所述壳体的左侧壁，至少一个所述第一质量块位于所述壳体的右侧壁，位于所述第二质量块的上表面的永磁铁与位于所述壳体的内顶壁的第一质量块对应，位于所述第二质量块的左侧面的永磁铁与位于所述壳体的左侧壁的第一质量块对应，位于所述第二质量块的右侧面的永磁铁与位于所述壳体的右侧壁的第一质量块对应，通过利用至少三对永磁铁间的相互作用，来增强非线性能量阱的弱线性刚度和强非线性刚度，以提高对振动位移的敏感度。

2.根据权利要求1所述的桥梁结构位移监测装置，其特征在于，所述桥梁结构位移监测装置还包括：调节件，所述调节件的至少部分位于所述壳体外，所述第一质量块与所述调节件位于所述壳体内的部分连接，所述调节件用于调节所述第一质量块与所述第二质量块的相对距离。

3.根据权利要求1所述的桥梁结构位移监测装置，其特征在于，所述第一质量块中的永磁铁与所述第二质量块相对应的一面，裸露在所述第一质量块的表面，所述第二质量块中的永磁铁与所述第一质量块相对应的一面，裸露在所述第二质量块的表面。

4.根据权利要求1所述的桥梁结构位移监测装置，其特征在于，所述触发装置包括：整流电路和第一芯片和第二芯片，所述第一芯片和所述第二芯片连接；

所述整流电路用于对所述压电换能器传输的电信号进行整流，并为所述第一芯片和所述第二芯片供电；

所述第一芯片，用于将输入的模拟电压信号转化为数字信号传输给所述第二芯片；

所述第二芯片，用于对所述数字信号进行等时间间隔采样处理，并在采样数据达到触发预警对应的阈值时，触发预警。

5.根据权利要求4所述的桥梁结构位移监测装置，其特征在于，所述采样数据包括N位数字信号，当所述采样数据中有A位数字信号的值为1时，所述第二芯片进行视觉预警，当所述采样数据中有B位数字信号的值为1时，所述第二芯片进行声音预警，当所述采样数据中有N位数字信号的值均为1时，所述第二芯片进行视觉预警和声音预警，A、B、N均为正整数，且A小于B，B小于N。

6.根据权利要求4或5所述的桥梁结构位移监测装置，其特征在于，所述第二芯片包括：

处理器和通信模块；

所述处理器经所述通信模块与外部终端连接。

7.一种桥梁结构位移监测方法，其特征在于，所述方法包括：

利用如权利要求1‑6任一项所述的桥梁结构位移监测装置将桥梁在振动过程中产生的振动能量转换为模拟电压信号；

通过对所述模拟电压信号进行数字采样，并基于数字采样所得的采样数据对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移满足不同的预设阈值时触发不同的预警信息。

说明书

一种自供电的桥梁结构位移监测装置及方法

技术领域

[0001] 本申请属于桥梁技术领域，具体涉及一种自供电的桥梁结构位移监测装置及方法。

背景技术

[0002] 桥梁在实际服役过程中，桥梁结构长期承受来自车载、风载及地震等方面的作用而发生受迫振动，进而易引发其结构或构件的疲劳破坏等安全问题，严重时甚至可能诱发桥梁结构完全被破坏而导致难以估量的生命及财产损失。通常，振动位移的幅度是反映桥梁结构是否处于安全状态的一个重要指标，也是其健康监测的关键数据之一。因此，如何准确测量桥梁的振动位移关系到能否准确反映桥梁结构的安全状态。

发明内容

[0003] 鉴于此，本申请的目的在于提供一种自供电的桥梁结构位移监测装置及方法，以达到自供电的桥梁结构位移的智能监测和预警的效果。

[0004] 本申请的实施例是这样实现的：

[0005] 第一方面，本申请实施例提供了一种自供电的桥梁结构位移监测装置，用于监测桥梁结构位移，使用时安装在待测量桥梁结构上；所述桥梁结构位移监测装置包括：壳体、位于壳体内壁上的包含永磁铁的第一质量块、悬臂梁、压电换能器、包含永磁铁的第二质量块以及触发装置；所述悬臂梁的第一端与所述壳体内底部连接，所述悬臂梁的第二端与所述第二质量块连接，所述第二质量块中的永磁铁与所述第一质量块中的永磁铁相对设置，所述第二质量块中的永磁铁与所述第一质量块中的永磁铁相互排斥，所述压电换能器位于所述悬臂梁上；所述触发装置与所述压电换能器的输出端连接，所述触发装置，用于根据所述压电换能器在所述第二质量块非线性振动的激励下产生的正压电效应，对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移大于预设阈值时触发预警。本申请实施例中，当车辆通过桥梁时，桥梁将在运动车辆激励下受迫上下振动，振动能量沿着该桥梁结构位移监测装置传递到悬臂梁自由端的第二质量块，并带动第二质量块上下振动，振动能量沿着悬臂梁传递到压电换能器，从而激发压电换能器产生正压电效应，该装置采用机电一体化系统集成设计，结构小巧简单，造价较低，无需外部电源供给，即可实现自供电的桥梁结构位移的智能监测和预警，使得对野外供电不足或没有电的地方的桥梁结构位移的智能监测和预警成为可能，本申请的自供电的桥梁结构位移监测装置对于野外供电不足或没有电的地方的桥梁结构位移监测的重要性和必要性不言而喻。

[0006] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述桥梁结构位移监测装置还包括：调节件，所述调节件的至少部分位于所述壳体外，所述第一质量块与所述调节件位于所述壳体内的部分连接，所述调节件用于调节所述第一质量块与所述第二质量块的相对距离。本申请实施例中，同构设置调节件来调节第一质量块与第二质量块的相对距离，从而可以调节第一质量块与第二质量块之间的排斥力，第一质量块与第二质量块距离越近，排斥力越大，在传递进来的振动能量较大时，该装置的非线性力学特性表现更强。

[0007] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述调节件为调节螺杆，所述壳体开设有螺纹孔，所述调节螺杆的一端穿过该螺纹孔，并与所述第一质量块连接，所述调节螺杆的另一端位于所述壳体外。本申请实施例中，通过采用螺纹孔与调节螺杆相配合的方式，便可调节第一质量块与第二质量块的相对距离，具备结构简单、成本低廉的优点。

[0008] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述第一质量块位于所述壳体的内顶壁。

[0009] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述第一质量块的数量为多个，所述第二质量块中的永磁铁为多个；至少一个所述第一质量块位于所述壳体的左侧壁，至少一个所述第一质量块位于所述壳体的右侧壁，位于所述第二质量块的左侧面的永磁铁与位于所述壳体的左侧壁的第一质量块对应，位于所述第二质量块的右侧面的永磁铁与位于所述壳体的右侧壁的第一质量块对应。本申请实施例中，通过在壳体的作用两侧均设置于第二质量块相对应的第一质量块，使得结构对称，以保证性能的稳定性。

[0010] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述壳体的内顶壁还设置有至少一个所述第一质量块，位于所述第二质量块的上表面的永磁铁与位于所述壳体的内顶壁的第一质量块对应。本申请实施例中，还可以在壳体的内顶壁设置第一质量块，利用至少三对永磁铁之间的相互作用，来增强非线性能量阱的弱线性刚度和强非线性刚度，以提高对振动位移的敏感度。

[0011] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述第一质量块中的永磁铁与所述第二质量块相对应的一面，裸露在所述第一质量块的表面，所述第二质量块中的永磁铁与所述第一质量块相对应的一面，裸露在所述第二质量块的表面。本申请实施例中，通过将相对的永磁铁裸露在外面，以增强非线性刚度，可以提高能量收集的有效带宽和该频带范围内的能量收集效率。

[0012] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述触发装置包括：整流电路和第一芯片和第二芯片，所述第一芯片和所述第二芯片连接；所述整流电路用于对所述压电换能器传输的电信号进行整流，并为所述第一芯片和所述第二芯片供电；所述第一芯片，用于将输入的模拟电压信号转化为数字信号传输给所述第二芯片；所述第二芯片，用于对所述数字信号进行等时间间隔采样处理，并在采样数据达到触发预警对应的阈值时，触发预警。本申请实施例中，通过整流电路对压电换能器传输的电信号进行整流，并为第一芯片和第二芯片供电，从而使得无需外部电源供电，同时通过第二芯片来对数字信号进行等时间间隔采样处理，并在采样数据达到触发预警对应的阈值时触发预警，以实现对桥梁结构位移的科学监测和智能预警。

[0013] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述采样数据包括N位数字信号，当所述采样数据中有A位数字信号的值为1时，所述第二芯片进行视觉预警，当所述采样数据中有B位数字信号的值为1时，所述第二芯片进行声音预警，当所述采样数据中有N位数字信号的值均为1时，所述第二芯片进行视觉预警和声音预警，A、B、N均为正整数，且A小于B，B小于N。本申请实施例中，不同的电压可以触发不同的预警信号，通过不同的预警便可直观的了解到桥梁的振动位移的幅度大小。

[0014] 结合第一方面的一种可能的实施方式，所述第二芯片包括：处理器和通信模块；所述处理器经所述通信模块与外部终端连接。本申请实施例中，通过通信模块便可实现该装置与外部终端的远距离交互，增强的方案的适用性。

[0015] 第二方面，本申请实施例还提供了一种桥梁结构位移监测方法，所述方法包括：利用如上述第一方面实施例和/或结合第一方面的任一种可能的实施方式提供的所述的桥梁结构位移监测装置将桥梁在振动过程中产生的振动能量转换为模拟电压信号；通过对所述模拟电压信号进行数字采样，并基于数字采样所得的采样数据对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移满足不同的预设阈值时触发不同的预警信息。

[0016] 本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本申请的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

[0018] 图1为本申请和实施例提供的一种自供电的桥梁结构位移监测装置的结构示意图。

[0019] 图2示出了本申请实施例提供的一种自供电的桥梁结构位移监测装置安装于桥梁结构的示意图。

[0020] 图3示出了本申请实施例的触发装置与外部终端连接示意图。

[0021] 图4示出了本申请实施例提供的自供电的桥梁结构位移监测装置对应的力学物理模型示意图。

[0022] 图5示出了本申请实施例提供的自供电的桥梁结构位移监测装置的振动位移与作用力的曲线示意图。

[0023] 图6示出了本申请实施例提供的一种桥梁结构位移监测方法的流程示意图。

[0024] 100‑桥梁结构位移监测装置；1‑调节件；2‑壳体；3‑永磁铁；4‑第二质量块；5‑第一质量块；6‑悬臂梁；7‑压电换能器；8‑触发装置；9‑固定件。

具体实施方式

[0025] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

[0026] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0027] 在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0028] 此外，术语“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0029] 由于振动位移的幅度是反映桥梁结构是否处于安全状态的一个重要指标，也是其健康监测的关键数据之一。因此，本申请实施例中提供了一种自供电的桥梁结构位移监测装置100，用于监测桥梁结构位移。

[0030] 下面将结合图1对本申请实施例提供的自供电的桥梁结构位移监测装置100进行说明。该桥梁结构位移监测装置100包括：壳体2、位于壳体2内壁上的包含永磁铁3的第一质量块5、悬臂梁6、压电换能器7、包含永磁铁3的第二质量块4以及触发装置8。

[0031] 壳体2用于直接或间接支撑固定第一质量块5、悬臂梁6、压电换能器7以及第二质量块4以及触发装置8。此外，还可以起到保护作用，以避免元器件直接暴露在外从而减少使用寿命。需要说明的是，壳体2的形状可以是呈长方体形、三角形、圆柱形等多种形状，因此不能将图1所示的长方体形的结构理解成对本申请的限制。此外，图1所示的示意图中壳体2为半封闭状态，其是为了便于清楚展现壳体2内部结构，而在实际中，其壳体2为全封闭状态。

[0032] 第一质量块5位于壳体2内壁上，例如，可以是位于壳体2左侧壁、右侧壁、内顶壁等位置。第二质量块4与悬臂梁6的第二端连接，悬臂梁6的第一端与壳体2内底部连接，该悬臂梁6用于支撑固定第二质量块4以及传递第二质量块4的振动能量。第二质量块4中的永磁铁3与第一质量块5中的永磁铁3相对设置，第二质量块4中的永磁铁3与第一质量块5中的永磁铁3相互排斥，使得该桥梁结构位移监测装置100具备强非线性力学特性(强非线性刚度)和弱线性力学特性(弱线性刚度)。

[0033] 悬臂梁6的第一端可以通过一固定件9固定安装在壳体2内底部，呈竖直状。该固定件可以是螺母或者固定夹子。悬臂梁6具体一定的弹性度，其可以是弹性片。

[0034] 压电换能器7位于悬臂梁6上，且位于悬臂梁6靠近内底部的一侧，用于在第二质量块4非线性振动的激励下产生正压电效应。压电换能器7包含具备压电效应的电压片。触发装置8与压电换能器7的输出端连接，触发装置8，用于根据压电换能器7在第二质量块4非线性振动的激励下产生的正压电效应，对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移大于预设阈值时触发预警，以便实现对桥梁振动位移的监测。

[0035] 其中，使用时，该桥梁结构位移监测装置100安装在待测量桥梁结构上，例如可以安装在桥梁结构跨中的侧面位置，其示意图如图2所示。当车辆通过桥梁时，桥梁将在运动车辆激励下受迫上下振动，振动能量沿着该桥梁结构位移监测装置100传递到悬臂梁6自由端的第二质量块4，并带动第二质量块4上下振动，振动能量沿着悬臂梁6传递到压电换能器7，从而激发压电换能器7产生正压电效应。振动能量越大对应的振动位移就越大，产生的正压电效应也越大，输出的电压与越大。该桥梁结构位移监测装置100能实现桥梁结构在宽频带范围内的振动能量收集，并根据不同的位移激励，输出不同的电压。当该桥梁结构位移监测装置100处于静止状态时，悬臂梁6处于平衡状态，压电换能器7不触发正压电效应。

[0036] 一种实施方式下，第一质量块5可以仅位于壳体2的内顶壁，与位于第二质量块4上表面的永磁铁3对应。

[0037] 一种实施方式下，第一质量块5可以不位于壳体2的内顶壁，而是位于壳体2的左侧壁以及右侧壁。该种实施方式下，第一质量块5的数量为多个，第二质量块4中的永磁铁3为多个。至少一个第一质量块5位于壳体2的左侧壁，至少一个第一质量块5位于壳体2的右侧壁，位于第二质量块4的左侧面的永磁铁3与位于壳体2的左侧壁的第一质量块5对应，位于第二质量块4的右侧面的永磁铁3与位于壳体2的右侧壁的第一质量块5对应。

[0038] 一种实施方式下，第一质量块5可以同时位于壳体2的内顶壁、左侧壁以及右侧壁。该种实施方式下，第一质量块5的数量为多个，第二质量块4中的永磁铁3为多个。至少一个第一质量块5位于壳体2的左侧壁，至少一个第一质量块5位于壳体2的右侧壁，至少一个第一质量块5位于壳体2的内顶壁，位于第二质量块4的左侧面的永磁铁3与位于壳体2的左侧壁的第一质量块5对应，位于第二质量块4的右侧面的永磁铁3与位于壳体2的右侧壁的第一质量块5对应，位于第二质量块4的上表面的永磁铁3与位于壳体2的内顶壁的第一质量块5对应。

[0039] 需要说明的是，图1所示的在壳体2的内顶壁、左侧壁以及右侧壁同时设置第一质量块5的情形仅为本申请众多实施例中的一种，因此不能将图1所述的实施例理解成是对本申请的限制。

[0040] 可选地，第一质量块5以及第二质量块4中的永磁铁3有至少一面裸露在质量块表面。例如，第一质量块5中的永磁铁3与第二质量块4相对应的一面，裸露在第一质量块5的表面；第二质量块4中的永磁铁3与第一质量块5相对应的一面，裸露在第二质量块4的表面。通过将两个质量块中永磁铁3相对应的一面裸露在外，以增强桥梁结构位移监测装置100的强非线性力学特性。

[0041] 一种可选实施方式下，桥梁结构位移监测装置100还包括：调节件1。调节件1的至少部分位于壳体2外，第一质量块5与调节件1位于壳体2内的部分连接，调节件1用于调节第一质量块5与第二质量块4的相对距离。其中，第一质量块5与第二质量块4距离越近，排斥力越大，在传递进来的振动能量较大时，该装置的非线性力学特性表现更强。

[0042] 调节件1数量与第一质量块5的数量一致，一个第一质量块5对应一个调节件1。例如，当只有一个第一质量块5时，对应的也只有一个调节件1；若有两个第一质量，对应的也有两个调节件1。

[0043] 可选地，调节件1为调节螺杆，相应地，壳体2开设有螺纹孔，调节螺杆的一端穿过该螺纹孔，并与第一质量块5连接，调节螺杆的另一端位于壳体2外，以方便进行调节。

[0044] 其中，如图3所示，触发装置8包括：整流电路和第一芯片和第二芯片。整流电路用于对压电换能器7传输的电信号进行整流，并为第一芯片和第二芯片供电。其整流电路可以包括目前常见的整流桥。第一芯片，用于将输入的模拟电压信号转化为数字信号传输给第二芯片。第二芯片，用于对数字信号进行等时间间隔采样处理，并在采样数据达到触发预警对应的阈值时，触发预警。

[0045] 其中，第一芯片可以是模数转换器或者为包含模数转换器的芯片。第二芯片可以包括处理器和通信模块，处理器经通信模块与外部终端连接。第一芯片和第二芯片可以集成在一起，以减少体积。两个芯片工作所需要的电量皆由压电换能器7振动所产生的电量提供，使得该组桥梁结构位移监测装置100不需要添加额外的电源。

[0046] 通信模块，用于实现外部终端与该第二芯片通信，如向外部终端发送预警信号。该通信模块可以是蓝牙、WiFi、4G、5G等无线通信模块。

[0047] 处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

[0048] 下面将对第二芯片在对数字信号进行等时间间隔采样处理，并在采样数据达到触发预警对应的阈值时触发预警的过程进行说明。当桥梁振动位移超过预设的不同阈值时，将对应地激发压电换能器7产生不同程度的正压电效应，进而产生不同的电能，第二个芯片将对产生的电能大小进行判别，以便进行预警，其预警方式可以是视觉预警和/或声音预警。接收到预警信号的外部终端将对应地向相关人员或机构发出预警(视觉、声音和/或短信)，从而实现桥梁结构位移的科学监测和智能预警。

[0049] 其中，第二芯片对数字信号进行等时间间隔采样处理时，可以是以N位数字信号为一组形成采样数据。当采样数据中有A位数字信号的值为1时，第二芯片可以进行视觉预警，当采样数据中有B位数字信号的值为1时，第二芯片进行可以声音预警，当采样数据中有N位数字信号的值均为1时，第二芯片进行视觉预警和声音预警，A、B、N均为正整数，且A小于B，B小于N。例如，以8个数字信号为1组形成采样数据，当1组采样数据内有4个数字信号值为1时，则第二芯片传达视觉预警信号激发外部终端的信号灯闪烁。当1组采样数据内有6个数字信号值为1时，则第二芯片传达声音预警信号激发外部终端的声音传感器报警。当1组采样数据内有8个数字信号值全为1时，则第二芯片传达视觉预警信号+声音预警信号激发外部终端的信号灯闪烁以及声音传感器报警。

[0050] 本申请运用非线性动力学理论，提出了一种基于非线性能量阱的“触发式”自供电的用于桥梁结构位移监测的桥梁结构位移监测装置100。当车辆通过桥梁时，桥梁将在运动车辆激励下受迫上下振动，振动能量沿着该桥梁结构位移监测装置100传递到悬臂梁6自由端的第二质量块4，并带动第二质量块4上下振动。根据振动力学原理，该桥梁结构位移监测装置100的振动力学物理模型图可以如图4所示。其中，该力学物理模型由第二质量块4、弱线性弹簧、强非线性弹簧、阻尼器以及压电换能器7组成。振动力学原理如公式(1)所示：

[0051]

[0052] Ma表示包含永磁铁3的第二质量块4的质量，K1表示弱线性弹簧的若线性刚度，K3表示强非线性弹簧的强非线性刚度，Da表示阻尼器的阻尼。xp为桥梁结构的位移，z，分别为桥梁结构位移监测装置100相对于桥梁结构的位移、速度和加速度，Cp为压电换能器7的电容，vp为压电换能器7上的电压，i为流入触发装置8的电流，Θ为机电耦合系数。

[0053] 在公式(1)中，桥梁结构位移监测装置100的物理参数K1，K3，Da是未知数。已知桥梁结构位移监测装的运动方程为：

[0054]

[0055] 在公式(2)中，首先，通过测量桥梁结构位移监测装置100的自由振动响应来确定阻尼。通过采用很小的初始位移对桥梁结构位移监测装置100的梁端质量块(即第二质量块4)进行控制，以保证其自由振动响应是准线性的。本案例中，桥梁结构位移监测装置100的阻尼通过对数衰减法得到Da＝0.049N·s/m。其次，当在 的断面时，则有F(z,0)＝K1z
+K3z3+ΘV。并在短路条件下，可测得桥梁结构位移监测装置100恢复力F(z,0)＝K1z+K3z3，如图5中黑点所示，可反映出桥梁结构位移监测装置100具有较弱的线性刚度和较强得非线性刚度。在此基础上，通过曲线拟合(黑色实线)确定K1和K3的值。本案例中，K1＝195.6N/m，K3＝1.71×107N/m3。

[0056] 本申请基于非线性能量阱结构，利用非线性能量阱的非线性刚度等特性，可以提高有效的工作带宽及宽带范围内的俘能效率，且对振动位移变化较为敏感。当桥梁位移超过预设的不同阈值时，将根据产生的不同电压激活不同的预警信息，从而实现对桥梁结构位移更为科学和智能的监测和预警。本申请中，桥梁结构位移监测装置100将采用机电一体化系统集成设计，结构小巧简单，造价较低，无需外部电源供给，即利用桥梁自身振动位移产生的不同电压，对应地触发不同的阈值，从而实现自供电的桥梁结构位移的智能监测和预警。本申请可实现再生能源低成本、规模化的开发利用，符合可持续的新基建发展理念。

[0057] 基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种桥梁结构位移监测方法，如图6所示。下面将结合图6对其所包含的步骤流程进行说明。

[0058] 步骤S101：利用上述的桥梁结构位移监测装置将桥梁在振动过程中产生的振动能量转换为模拟电压信号。

[0059] 本申请实施例中，利用上述的桥梁结构位移监测装置将桥梁在振动过程中产生的振动能量转换为模拟电压信号。当车辆通过桥梁时，桥梁将在运动车辆激励下受迫上下振动，振动能量沿着该桥梁结构位移监测装置100传递到悬臂梁6自由端的第二质量块4，并带动第二质量块4上下振动，振动能量沿着悬臂梁6传递到压电换能器7，从而激发压电换能器7产生正压电效应，从而实现将桥梁在振动过程中产生的振动能量转换为模拟电压信号输出。

[0060] 步骤S102：通过对所述模拟电压信号进行数字采样，并基于数字采样所得的采样数据对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移满足不同的预设阈值时触发不同的预警信息。

[0061] 通过对模拟电压信号进行数字采样，并基于数字采样所得的采样数据对桥梁结构位移进行监测，并在桥梁结构位移满足不同的预设阈值时触发不同的预警信息。

[0062] 其中，在对数字信号进行采样时是对数字信号进行等时间间隔采样处理，可以是以N位数字信号为一组形成采样数据。当采样数据中有A位数字信号的值为1时，可以进行视觉预警，当采样数据中有B位数字信号的值为1时，进行可以声音预警，当采样数据中有N位数字信号的值均为1时，进行视觉预警和声音预警，A、B、N均为正整数，且A小于B，B小于N。

[0063] 需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

[0064] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。