关于地脉动

地脉动也称为地微动或地面微动，是指在地球表面的非地震引起的一种振幅很小的微弱震动噪声，这种微小振动通常由自然震源（如风、海浪等）和人工震源（如机器振动源、交通工具等）产生，是地面的一种稳定的非重复性随机波动。地脉动具有频率低、振幅小等特点，其位移一般只有几微米到几十微米，频率变化范围在0.3－5.0Hz之间。

目前，全国高铁桥梁总长度超过4.5万公里，随高速铁路作为现代社会的重要交通工具，其安全性至关重要。高铁桥梁作为铁路的重要组成部分，其稳定性直接关联到列车的运行安全。通过监测高铁桥路在地脉动激励下的振动特性，可以进行路桥结构健康状态的监测。微振动健康监测技术的应用，为桥梁结构的实时状态评估提供了有效手段。

高架桥梁的监测，关键需要准确测量出桥梁结构真实的振动特征，由于日间高铁运行时列车通过会产生很多宽频段的振动信号，这些信号大多不是桥梁结构真实的振动，而且日间外界各种振动干扰源较多，这时测量的桥梁振动信噪比较差，我们与某大学地震研究所合作，研究了一种通过测量桥梁在地脉动自然激励下的振动特征信号，进行结构健康分析的新方法。在夜间列车停运，外界其它振动干扰源也大为减少，适合进行地脉动信号测量，地脉动信号可看成是量级很低的地震波信号，为了准确测量需要选用本底噪声极低的测量仪器和微振动传感器，微振动传感器同时要高灵敏度。

地脉动（微振动）测试系统主要包括信号采集仪、微振动传感器、振动测试分析系统三部分组成。传感器将桥梁振动的振动信号转化成模拟信号，经过线缆传输至信号采集仪。信号采集仪将模拟信号进行数据采集，并通过A/D转换模块将模拟信号转化成数字信号。通过信号采集仪和现场监控计算机对采样参数进行采集控制。现场采集的各种桥梁动态数据通过动态测试分析和模态分析软件对桥梁振动测试分析和桥梁的振动模态进行分析。

微振动信号采集设备

Spider设备

Spider设备是一个结构上高度模块化、真正分布式和可伸缩变化的动态测量设备。它具有便携性和高精确的特点。多个模块之间，可以通过网线级联，测量距离能达上千米。它支持PTP协议（或IEEE1588）技术，PTP协议只要网线就可实现硬件间时钟同步，不需要其它模拟电缆，同步精度+/-50ns。

Spider设备采用DSP处理技术，配合24位的双A/D芯片，每个测量通道检测小至6μV和大至±20 V这种高动态范围技术使得Spider不需要象传统数据采集设备那样设置输入量程/放大系数。所谓高动态范围技术：动态范围的定义是在单一确定量程下，最大量程电压值与设备输入通道的本底噪声之比。原理上说24位的A/D芯片,其最大分辨率只有-144dB，而目前我们采用了一种双AD芯片采集技术，可以达到高达160dB的动态范围，其基本原理是每个输入通道设计了两路AD,它们的量程不同，如一路为+/-0.1V, 一路为+/-20V, 当信号幅值小于等于0.1V时，读取小通道的采集数据，而超过0.1V时读取大通道的采集的数据，”拼成”一组完整的采样波形，并且在“拼”的过程中需要一些特殊的信号处理算法避免引入异常信号成份，专门的处理技术。

地脉动（微振动）测量方案 1如下图所示，在20V量程下，Spider的本底噪声

地脉动（微振动）测量方案 2

可以看到Spider设备的通频带本底噪声为-140dB左右，而20V量程对应26dB,因此Spider的有效动态范围为: 26dB- (-140dB) > 160dB。该技术对信号测量精度更高，用户不需要设置输入量程，方便用户使用。

地脉动（微振动）测量方案 3

产品客户群体有中国中车车厢及轨道振动测试、某高层建筑监测、中国某技术公司高精度机械臂生产线等，适用于高铁桥梁、高层建筑、医疗机器臂等受地脉动或外围环境影响的微振动测试。

这种方式测量，在距离上很大情况下受制于传感器线缆长度制约，线缆长度的增加会导致信号传输中的衰减和延迟，影响信号的质量和测量精度。当距离测量距离超过上百公里同时测量时，这种方式就不适用了。

GRS设备

地脉动（微振动）测量方案 4

GRS [官网：https://www.crystalinstruments.com/ground-recorder-system]是一种坚固耐用，重量轻，电池供电的动态数据记录仪和实时动态信号分析仪，具有无与伦比的性能和精度。它是理想的广泛的行业，需要高品质的声学和振动测量。除了现场实时处理外，这些行业还需要快速、简单和准确的数据记录。它具备以下特点：

  • 坚固耐用的防风雨外壳。它的设计可以承受强风、沙尘和大雨。
  • 两个外部电池电源保证12小时的完全运行。
  • 太阳能电池板可用于为GRS供电并为其外部电池充电，以方便连续远程操作。
  • 四个输入通道可用，24位双AD芯片提供服务。DSP实现专利技术(美国专利号:7,302,354)，以达到优于150 dBFS的效果。对微振动信号能够进行高精度的采集和分析。
  • 大容量存储空间，存储空间可以记录几个月GPS接收器允许时间同步数据采样高达100纳秒的精度使用晶钻仪器的专利(美国专利号:11,611,946) GPS时间同步技术。
  •  配备蜂窝和卫星模块，允许远程操作。
  • 调度功能，完全自主操作

晶钻仪器GRS设备，凭借其高精度和便携性，配合晶钻的时间戳同步技术[说明]，它可以同时完成上百乃至上千公里距离的监测，成为进行此类监测的理想选择。

地脉动（微振动）测量方案 5GRS设备的时间戳同步技术：晶钻仪器推出了以GPS为时间源的精确时间戳技术[官网：https://www.crystalinstruments.com/spectral-processing-for-gps-time-stamped-signals?rq=GRS]，该技术部署在CoCo-80X便携式分析仪和GRS上。并成功应用在美国NASA对X-59飞机音爆试验中[官网：https://www.space.com/nasa-x-59-sonic-boom-f-18-recording]。时间标记可以精确到100纳秒。利用这种时间戳技术，我们开发了理论和算法来计算相隔数千英里的不同数据采集单元上测量通道之间的自谱和互频谱。该技术允许相隔很远的测量通道同步获取数据，而无需任何连接的电线。

安装在GRS或CoCo中的全球导航卫星系统(GNSS)为世界各地要求苛刻的应用提供高完整性，精确的定时。除了GPS(全球定位系统)之外，还支持北斗、GLONASS和伽利略卫星导航，使其符合国家要求。增强的灵敏度和并发卫星接收扩展了具有挑战性的信号环境的覆盖和完整性。测量和定位导航减少时间抖动，即使在低信号水平，并使同步保持在只有一个单一的卫星在视野。

多个GRS或CoCo数据采集系统可以同时获取数据，而它们在物理上分布在数百公里之外。除了各自接收GPS信号外，这些单元不共享任何直接的硬件连接。精确的时间戳技术与GPS时基实现，使采集的信号在晶钻仪器的后处理软件，后分析软件(PA)中排列。

时钟信号、定时和位置信号可以从每个GRS或CoCo单元内部的GPS芯片信号中获得。实现了一个实时、零延迟的硬件逻辑，用测量的GPS时基对A/D采样时钟进行时间戳。

GRS或CoCo的时间戳工作原理简图如下:

地脉动（微振动）测量方案 6下面的示例演示了如何在使用附加的时间戳信号应用采样率校正后绘制信号。
第一张图描绘了触发点所在时区的两个信号。每个信号都是用不同的GRS单元捕获的。

地脉动（微振动）测量方案 7

上面显示的时差是由使用每个GRS单元的标称采样率引起的，它可能略有不同。第二幅图显示了对两个信号的采样率进行一阶校正后，在记录结束时相同的瞬态事件:

地脉动（微振动）测量方案 8

这两个信号在横轴上排成一条漂亮的线。

微振动传感器

晶钻仪器的Spider-80X, GRS，CoCo-80X动态信号分析仪采用了高动态范围测量技术，具备10−7 V/√Hz以下的本底噪声，但如果微振动传感器自身本地噪声高的话，也会导致测量精度降低。振动传感器可选用加速度型和速度型微振动传感器，它们灵敏度通常很高，能够检测到微小的振动，频率范围很低，只有0.1到几百赫兹，抗干扰能力强，信噪比低，体积比较大，质量很重，容易安装。安装方式简单，通常放置在振动物体表面平滑位置或通过螺栓固定在质量块上，将质量块埋入地表之下。常用的几种型号如下：
加速度型：393B04、393B12、393B31、731-207
速度型：VSE-151D-6

地脉动（微振动）测量方案 9晶钻仪器与微振动传感器组合后有效地脉动加速度值可达10-8g/√Hz。

长距离微振动监测的应用

在高铁桥墩的关键部位安装GRS设备，确保监测点覆盖结构的代表性区域。GRS设备相隔距离根据实际测量要求进行评估，如1公里。根据监测需求，设置GRS设备的采样率、记录时长和触发条件。通过GRS调度功能，设置测试计划表，可按照指定的间隔重复操作。通过通信模块，GRS设备支持远程操作和数据传输，适用于分布广泛的监测点。GRS设备实时采集桥墩受到地脉动影响而产生的微振动数据，并进行时间标记，通过无线网络，将监测数据传输至云端中心数据库进行存储和分析。利用晶钻后处理软件，对收集的数据进行详细分析，评估桥墩的健康状况。配合晶钻仪器模态分析软件，将采集的输入导入模态软件中，对桥梁的振动模态进行分析，生成振型动画及计算出模态参数。最后根据分析结果，生成监测报告，提出维护和修复建议。

GRS设备设计有长时间的电池续航能力，结合太阳能充电，适合长期无人值守的监测环境。配合晶钻状态监测系统，能够完成对桥路24小时不间断监测。

地脉动（微振动）测量方案 10

地脉动（微振动）测量方案 11

振动监测功能客户端包括监测点的管理、实时信号显示、历史数据查看、报表的管理、报警管理。用户可安装在能够访问云端数据的任何办公地址链接查看振动信号数据。实时信号显示能够远程查看GRS采集的振动信号数据。历史数据目前支持查看、导出今天、本周、本月、本年的数据。报表管理可选择报告时间范围，输入报表标题、名称、目的。插入实验示意图，即实验监测点位布置图。自动生成报表。格式可定义。

地脉动（微振动）测量方案 12并支持预警提醒功能，报警设置可选择短信和邮件，编辑报警内容。

结论

晶钻仪器设备以其卓越的性能和便携性，为高铁桥墩、高层建筑、工业生产等微振动健康监测提供了一种高效、可靠的解决方案。通过地脉动的实时监测和数据分析，有助于确保测试结构的长期稳定性和安全性，为其的安全运营保驾护航。