關于地脈動

地脈動也稱為地微動或地面微動，是指在地球表面的非地震引起的一種振幅很小的微弱震動噪聲，這種微小振動通常由自然震源（如風、海浪等）和人工震源（如機器振動源、交通工具等）產(chǎn)生，是地面的一種穩(wěn)定的非重復性隨機波動。地脈動具有頻率低、振幅小等特點，其位移一般只有幾微米到幾十微米，頻率變化范圍在0.3－5.0Hz之間。

目前，全國高鐵橋梁總長度超過4.5萬公里，隨高速鐵路作為現(xiàn)代社會的重要交通工具，其安全性至關重要。高鐵橋梁作為鐵路的重要組成部分，其穩(wěn)定性直接關聯(lián)到列車的運行安全。通過監(jiān)測高鐵橋路在地脈動激勵下的振動特性，可以進行路橋結(jié)構健康狀態(tài)的監(jiān)測。微振動健康監(jiān)測技術的應用，為橋梁結(jié)構的實時狀態(tài)評估提供了有效手段。

高架橋梁的監(jiān)測，關鍵需要準確測量出橋梁結(jié)構真實的振動特征，由于日間高鐵運行時列車通過會產(chǎn)生很多寬頻段的振動信號，這些信號大多不是橋梁結(jié)構真實的振動，而且日間外界各種振動干擾源較多，這時測量的橋梁振動信噪比較差，我們與某大學地震研究所合作，研究了一種通過測量橋梁在地脈動自然激勵下的振動特征信號，進行結(jié)構健康分析的新方法。在夜間列車停運，外界其它振動干擾源也大為減少，適合進行地脈動信號測量，地脈動信號可看成是量級很低的地震波信號，為了準確測量需要選用本底噪聲極低的測量儀器和微振動傳感器，微振動傳感器同時要高靈敏度。

地脈動（微振動）測試系統(tǒng)主要包括信號采集儀、微振動傳感器、振動測試分析系統(tǒng)三部分組成。傳感器將橋梁振動的振動信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，經(jīng)過線纜傳輸至信號采集儀。信號采集儀將模擬信號進行數(shù)據(jù)采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。通過信號采集儀和現(xiàn)場監(jiān)控計算機對采樣參數(shù)進行采集控制。現(xiàn)場采集的各種橋梁動態(tài)數(shù)據(jù)通過動態(tài)測試分析和模態(tài)分析軟件對橋梁振動測試分析和橋梁的振動模態(tài)進行分析。

微振動信號采集設備

Spider設備

Spider設備是一個結(jié)構上高度模塊化、真正分布式和可伸縮變化的動態(tài)測量設備。它具有便攜性和高精確的特點。多個模塊之間，可以通過網(wǎng)線級聯(lián)，測量距離能達上千米。它支持PTP協(xié)議（或IEEE1588）技術，PTP協(xié)議只要網(wǎng)線就可實現(xiàn)硬件間時鐘同步，不需要其它模擬電纜，同步精度+/-50ns。

Spider設備采用DSP處理技術，配合24位的雙A/D芯片，每個測量通道檢測小至6μV和大至±20 V這種高動態(tài)范圍技術使得Spider不需要象傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設備那樣設置輸入量程/放大系數(shù)。所謂高動態(tài)范圍技術：動態(tài)范圍的定義是在單一確定量程下，最大量程電壓值與設備輸入通道的本底噪聲之比。原理上說24位的A/D芯片,其最大分辨率只有-144dB，而目前我們采用了一種雙AD芯片采集技術，可以達到高達160dB的動態(tài)范圍，其基本原理是每個輸入通道設計了兩路AD,它們的量程不同，如一路為+/-0.1V, 一路為+/-20V, 當信號幅值小于等于0.1V時，讀取小通道的采集數(shù)據(jù)，而超過0.1V時讀取大通道的采集的數(shù)據(jù)，”拼成”一組完整的采樣波形，并且在“拼”的過程中需要一些特殊的信號處理算法避免引入異常信號成份，專門的處理技術。

地脈動（微振動）測量方案 1如下圖所示，在20V量程下，Spider的本底噪聲

地脈動（微振動）測量方案 2

可以看到Spider設備的通頻帶本底噪聲為-140dB左右，而20V量程對應26dB,因此Spider的有效動態(tài)范圍為: 26dB- (-140dB) > 160dB。該技術對信號測量精度更高，用戶不需要設置輸入量程，方便用戶使用。

地脈動（微振動）測量方案 3

產(chǎn)品客戶群體有中國中車車廂及軌道振動測試、某高層建筑監(jiān)測、中國某技術公司高精度機械臂生產(chǎn)線等，適用于高鐵橋梁、高層建筑、醫(yī)療機器臂等受地脈動或外圍環(huán)境影響的微振動測試。

這種方式測量，在距離上很大情況下受制于傳感器線纜長度制約，線纜長度的增加會導致信號傳輸中的衰減和延遲，影響信號的質(zhì)量和測量精度。當距離測量距離超過上百公里同時測量時，這種方式就不適用了。

GRS設備

地脈動（微振動）測量方案 4

GRS [官網(wǎng)：https://www.crystalinstruments.com/ground-recorder-system]是一種堅固耐用，重量輕，電池供電的動態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀和實時動態(tài)信號分析儀，具有無與倫比的性能和精度。它是理想的廣泛的行業(yè)，需要高品質(zhì)的聲學和振動測量。除了現(xiàn)場實時處理外，這些行業(yè)還需要快速、簡單和準確的數(shù)據(jù)記錄。它具備以下特點：

  • 堅固耐用的防風雨外殼。它的設計可以承受強風、沙塵和大雨。
  • 兩個外部電池電源保證12小時的完全運行。
  • 太陽能電池板可用于為GRS供電并為其外部電池充電，以方便連續(xù)遠程操作。
  • 四個輸入通道可用，24位雙AD芯片提供服務。DSP實現(xiàn)專利技術(美國專利號:7,302,354)，以達到優(yōu)于150 dBFS的效果。對微振動信號能夠進行高精度的采集和分析。
  • 大容量存儲空間，存儲空間可以記錄幾個月GPS接收器允許時間同步數(shù)據(jù)采樣高達100納秒的精度使用晶鉆儀器的專利(美國專利號:11,611,946) GPS時間同步技術。
  • ?配備蜂窩和衛(wèi)星模塊，允許遠程操作。
  • 調(diào)度功能，完全自主操作

晶鉆儀器GRS設備，憑借其高精度和便攜性，配合晶鉆的時間戳同步技術[說明]，它可以同時完成上百乃至上千公里距離的監(jiān)測，成為進行此類監(jiān)測的理想選擇。

地脈動（微振動）測量方案 5GRS設備的時間戳同步技術：晶鉆儀器推出了以GPS為時間源的精確時間戳技術[官網(wǎng)：https://www.crystalinstruments.com/spectral-processing-for-gps-time-stamped-signals?rq=GRS]，該技術部署在CoCo-80X便攜式分析儀和GRS上。并成功應用在美國NASA對X-59飛機音爆試驗中[官網(wǎng)：https://www.space.com/nasa-x-59-sonic-boom-f-18-recording]。時間標記可以精確到100納秒。利用這種時間戳技術，我們開發(fā)了理論和算法來計算相隔數(shù)千英里的不同數(shù)據(jù)采集單元上測量通道之間的自譜和互頻譜。該技術允許相隔很遠的測量通道同步獲取數(shù)據(jù)，而無需任何連接的電線。

安裝在GRS或CoCo中的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)為世界各地要求苛刻的應用提供高完整性，精確的定時。除了GPS(全球定位系統(tǒng))之外，還支持北斗、GLONASS和伽利略衛(wèi)星導航，使其符合國家要求。增強的靈敏度和并發(fā)衛(wèi)星接收擴展了具有挑戰(zhàn)性的信號環(huán)境的覆蓋和完整性。測量和定位導航減少時間抖動，即使在低信號水平，并使同步保持在只有一個單一的衛(wèi)星在視野。

多個GRS或CoCo數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以同時獲取數(shù)據(jù)，而它們在物理上分布在數(shù)百公里之外。除了各自接收GPS信號外，這些單元不共享任何直接的硬件連接。精確的時間戳技術與GPS時基實現(xiàn)，使采集的信號在晶鉆儀器的后處理軟件，后分析軟件(PA)中排列。

時鐘信號、定時和位置信號可以從每個GRS或CoCo單元內(nèi)部的GPS芯片信號中獲得。實現(xiàn)了一個實時、零延遲的硬件邏輯，用測量的GPS時基對A/D采樣時鐘進行時間戳。

GRS或CoCo的時間戳工作原理簡圖如下:

地脈動（微振動）測量方案 6下面的示例演示了如何在使用附加的時間戳信號應用采樣率校正后繪制信號。
第一張圖描繪了觸發(fā)點所在時區(qū)的兩個信號。每個信號都是用不同的GRS單元捕獲的。

地脈動（微振動）測量方案 7

上面顯示的時差是由使用每個GRS單元的標稱采樣率引起的，它可能略有不同。第二幅圖顯示了對兩個信號的采樣率進行一階校正后，在記錄結(jié)束時相同的瞬態(tài)事件:

地脈動（微振動）測量方案 8

這兩個信號在橫軸上排成一條漂亮的線。

微振動傳感器

晶鉆儀器的Spider-80X, GRS，CoCo-80X動態(tài)信號分析儀采用了高動態(tài)范圍測量技術，具備10?7 V/√Hz以下的本底噪聲，但如果微振動傳感器自身本地噪聲高的話，也會導致測量精度降低。振動傳感器可選用加速度型和速度型微振動傳感器，它們靈敏度通常很高，能夠檢測到微小的振動，頻率范圍很低，只有0.1到幾百赫茲，抗干擾能力強，信噪比低，體積比較大，質(zhì)量很重，容易安裝。安裝方式簡單，通常放置在振動物體表面平滑位置或通過螺栓固定在質(zhì)量塊上，將質(zhì)量塊埋入地表之下。常用的幾種型號如下：
加速度型：393B04、393B12、393B31、731-207
速度型：VSE-151D-6

地脈動（微振動）測量方案 9晶鉆儀器與微振動傳感器組合后有效地脈動加速度值可達10-8g/√Hz。

長距離微振動監(jiān)測的應用

在高鐵橋墩的關鍵部位安裝GRS設備，確保監(jiān)測點覆蓋結(jié)構的代表性區(qū)域。GRS設備相隔距離根據(jù)實際測量要求進行評估，如1公里。根據(jù)監(jiān)測需求，設置GRS設備的采樣率、記錄時長和觸發(fā)條件。通過GRS調(diào)度功能，設置測試計劃表，可按照指定的間隔重復操作。通過通信模塊，GRS設備支持遠程操作和數(shù)據(jù)傳輸，適用于分布廣泛的監(jiān)測點。GRS設備實時采集橋墩受到地脈動影響而產(chǎn)生的微振動數(shù)據(jù)，并進行時間標記，通過無線網(wǎng)絡，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至云端中心數(shù)據(jù)庫進行存儲和分析。利用晶鉆后處理軟件，對收集的數(shù)據(jù)進行詳細分析，評估橋墩的健康狀況。配合晶鉆儀器模態(tài)分析軟件，將采集的輸入導入模態(tài)軟件中，對橋梁的振動模態(tài)進行分析，生成振型動畫及計算出模態(tài)參數(shù)。最后根據(jù)分析結(jié)果，生成監(jiān)測報告，提出維護和修復建議。

GRS設備設計有長時間的電池續(xù)航能力，結(jié)合太陽能充電，適合長期無人值守的監(jiān)測環(huán)境。配合晶鉆狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠完成對橋路24小時不間斷監(jiān)測。

地脈動（微振動）測量方案 10

地脈動（微振動）測量方案 11

振動監(jiān)測功能客戶端包括監(jiān)測點的管理、實時信號顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、報表的管理、報警管理。用戶可安裝在能夠訪問云端數(shù)據(jù)的任何辦公地址鏈接查看振動信號數(shù)據(jù)。實時信號顯示能夠遠程查看GRS采集的振動信號數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)目前支持查看、導出今天、本周、本月、本年的數(shù)據(jù)。報表管理可選擇報告時間范圍，輸入報表標題、名稱、目的。插入實驗示意圖，即實驗監(jiān)測點位布置圖。自動生成報表。格式可定義。

地脈動（微振動）測量方案 12并支持預警提醒功能，報警設置可選擇短信和郵件，編輯報警內(nèi)容。

結(jié)論

晶鉆儀器設備以其卓越的性能和便攜性，為高鐵橋墩、高層建筑、工業(yè)生產(chǎn)等微振動健康監(jiān)測提供了一種高效、可靠的解決方案。通過地脈動的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，有助于確保測試結(jié)構的長期穩(wěn)定性和安全性，為其的安全運營保駕護航。