摘要：结构的变形量是结构健康状态最直接和重要的评估参考值。传统的结构变形监测，特别是结构挠度监测技术存在三大技术瓶颈：传感器网络布线复杂、静态参考点依赖性制约环境适应性以及系统扩展能力受限。因此，如何构建具备全时域监测能力与轻量化部署特性的智能监测系统，已成为结构监

1.背景

结构的变形量是结构健康状态最直接和重要的评估参考值。传统的结构变形监测，特别是结构挠度监测技术存在三大技术瓶颈：传感器网络布线复杂、静态参考点依赖性制约环境适应性以及系统扩展能力受限。因此，如何构建具备全时域监测能力与轻量化部署特性的智能监测系统，已成为结构监测领域的重要攻关方向。

针对上述挑战，本文提出了一种基于分布式倾角传感技术的连续结构位移监测方案。该系统由模块化的倾角测量设备与边缘计算主控系统组成。倾角计为本公司自研设备，支持RS-485有线通信与NB无线通信双模传输，具备局部故障容错能力，在复杂环境条件下（-20~55℃，防护等级IP68）仍能实现实时同步监测。边缘计算采用滤波预处理，随后经过拟合处理，有效解决了传统分段叠加法误差累积的问题，实现了毫米级的测量精度。该系统为复杂环境结构变形监测提供了可靠解决方案。

2.产品性能

（1）精准感知：高精度数据采集能力

系统采用自主研发的高性能倾角计，结合20位高精度ADC芯片和独特的滤波算法，在±30°量程范围内达成0.001°的静态解析精度，对应结构位移监测表现为：小变形条件下偏差≤±0.5mm，大变形条件下偏差≤±1mm。

（2）极简部署：模块化设计与全场景通信适应能力

系统基于全场景应用需求打造了“485有线与NB无线”双模产品矩阵：

a) 485有线倾角计

系统采用标准RS485工业接口，采用Modbus通信协议，最大支持256个测点并入一根总线。支持1000米以上的超远距离无损数据传输；同时设备供电电压范围宽泛（4.5-24V），可与工业PLC系统无缝对接，尤其适合在隧道、桥梁等无网络环境下稳定运行，极大提升了工程适配性与部署灵活性。

b) NB无线倾角计

设备内置NB-IoT通信模组，具备超低功耗特性（休眠电流仅0.015mA），支持太阳能充电，搭配15000mAh电池组即可实现长达10年（每天采集4次数据）的免维护工作周期，广泛适用于偏远、复杂环境下的结构监测场景。同时，该设备支持中国移动、联通、电信的全网通制式，空旷地带通信覆盖半径可达到5公里以上，彻底摆脱复杂布线施工与维护成本的束缚。

上述双模倾角传感设备采用模块化设计，安装简便快捷，可根据桥梁结构实际需求自由增减测点数量；同时具备局部故障容错能力，任何单点故障均不影响整体监测系统的运行，显著提升了系统在实际工程中的适应性和稳定性。

（3）智能算法：从“数据堆砌”到“趋势预警”的高效数据处理

系统在数据处理算法方面集成了先进的数据预处理与智能拟合技术。首先，通过滤波技术动态处理实时采集到的含噪声的倾角数据，实现数据的有效降噪；随后，利用自主研发的拟合算法，融合光滑因子、惩罚因子以及数据权重进行智能调整，使拟合曲线与实际测量数据高度吻合，并满足结构力学基本规律，解决了传统方法计算误差累积的问题。此外，引入深度学习对拟合参数进行自动优化，快速获得拟合曲线的最佳参数组合，实现对桥梁结构变形趋势的高精度预测与异常预警，最终将原始数据转化为结构健康监测的有效决策支持信息。

3.产品优点

（1）安装便捷

测量系统中的倾角测点使用自研的高精度倾角传感器，传感器之间相互独立，将传感器直接固定在对应测点位置即可（NB无线型，485型则只需连接一根485总线），没有其它配套连接附件。相比于常规静力水准仪设备（需要接连通管，灌注防冻液，排气等等），本产品安装方便，施工难度大大降低。

（2）测量自由度大，没有位移量程限制

本产品可以准确测量连续结构的变形位移，不仅仅可测量结构的竖向位移（如桥梁挠度），还可以测量结构的横向位移（如风电塔变形）。测量系统没有位移量程限制，只要变形前后结构的倾角变化在传感器量程范围内即可。本系统非常适合于超大型结构的整体变形测量。

（3）兼具多物理量测量

本产品测量系统具备多物理量测量特点，常规情况可输出位移值和倾角值。后续根据需要可输出加速度值和温度值。这些物理量都是非常重要的结构响应和环境参考信息。产品具备“一器多能”特点，是一种高性能复合型测量装置，无论是大型结构的全面健康监测还是小型结构的轻量化监测，本产品均可从容应对。

（4）环境适应性好

本产品分布式位移测量装置，是通过集成一系列倾角传感器来进行整体位移变形的测量。倾角传感器是利用地球的重力特性进行倾角测量，测量稳定性和抗干扰能力强，不受天气环境影响。可以监测室内结构物、室外结构物，也可以监测水下结构物。

4.应用场景

下面探讨分布式位移计在不同工程实际中的应用场景。通过这些具体案例，展示分布式位移计在多种工程领域中的广泛应用和重要性。

4.1. 桥梁挠度监测

桥梁挠度监测是确保桥梁结构安全性和运营可靠性的重要手段。通过实时监测桥梁在各种荷载作用下的变形情况，能够及时发现潜在的结构损伤、评估桥梁的健康状况，并为维护决策提供科学依据。传统的挠度监测设备往往存在传感器安装繁琐，测点安装位置限制大，环境条件影响大等等缺陷。

针对上述问题，分布式位移计利用多个相互独立的倾角传感器组合构成整体测量网络，结合高性能处理算法，实现了挠度的毫米级的测量精度。该系统为复杂桥梁结构变形监测提供了可靠解决方案。

4.2. 桥拱监测

拱桥作为一种古老且重要的桥梁结构，其在现代工程中的应用依然十分广泛。拱桥的结构形式使得其在承受荷载时，主要依靠拱形结构的压缩力进行力的传递，具有较强的抗弯能力和稳定性。然而，拱桥在长期使用中可能出现局部应力集中、变形过大或材料疲劳等问题，影响整体安全性。因此，实时监测其受力和变形状态非常关键。

传统的静力水准仪只能测量单一位置的垂直位移，无法全面反映拱桥的整体变形。而分布式位移计能够沿着拱肋布设传感器，实时采集从拱脚到拱顶的连续位移数据。特别是在拱脚、拱顶等关键位置的位移和变形情况。该技术能够有效捕捉到微小的位移变化，及时发现拱桥可能存在的结构问题，如裂缝的扩展、局部沉降等，有助于提前进行结构加固或维修。

4.3. 风电塔监测

风电塔是风力发电的重要组成部分，其主要任务是支撑风力发电机组，并在强风和震动的作用下保持稳定。风电塔的设计通常采用锥度管节结构。这种变截面设计（如底部直径4.5m渐变至顶部3.2m）可以优化风荷载分布，减少材料用量，但也引入了结构刚度的梯度变化。与此同时，分段塔筒的连接通过高强度螺栓法兰连接，这种连接方式可能会导致局部刚度突变，从而影响塔身的动态响应。

针对上述问题，分布式位移计通过多传感器协同测量与智能算法补偿，实现以下技术突破：

1. 全域变形监测：沿塔身分布式布设传感器，实时捕捉从塔基到塔顶的连续位移场，精度达±1mm；

2. 刚度突变解析：基于重构技术，精准识别法兰连接区等局部刚度突变位置的异常变形；

4.4. 塔吊监测

塔吊是建筑工地中常见的起重设备，其主要用于高空物料的运输和安装。塔吊的稳定性直接影响建筑施工的安全，而塔吊在长期工作中，可能会受到操作误差、风荷载、负载不均等因素的影响，导致塔吊结构发生变形或失稳。

分布式位移计能够有效测量塔吊的变形情况，通过布设传感器实时监测塔吊的各个部位，包括塔身、臂架和基础等。该技术能够捕捉到塔吊在变幅和吊载作用下的微小变形，及时发现塔吊结构中可能存在的问题，为塔吊的稳定性和安全性提供实时数据支持。这些精确的监测数据有助于及时发现潜在的结构问题，确保塔吊在施工过程中的安全运行。

5.总结

总的来说，分布式位移计凭借其易部署、适用范围广的优势，必将成为工程结构健康监测的重要工具。它不仅帮助我们实现了对结构的全面监控，还能有效预警潜在的风险，提升了结构的安全性和可靠性。未来，随着技术的不断进步，分布式位移计将在更多领域得到广泛应用，为我们提供更安全、更智能的工程监测解决方案。

来源：鼠meme