專利名稱：用于橋梁變形監測的撓度傳感器及撓度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑施工技術領域的測量裝置，具體是一種用于橋梁變形監測的撓度傳感器及撓度測量方法。
背景技術：
橋梁是一種造價高昂、結構龐大的工程，一旦倒塌將長期影響大范圍地區的交通、 經濟和社會生活。橋梁經受日曬雨淋，承受疲勞荷載，必然會有緩慢發展的累積損傷，累積損傷發展到一定程度，就會引發安全事故。特別地，隨著科學技術的進步以及交通運輸的需求，許多大跨度橋梁應運而生，尤其是懸索橋以其跨度大，造型優美，節省材料而備受人們的青睞，成為大跨度橋梁的首選。但隨著跨度的增大，安全系數也隨之下降，由以前的4 5下降為2 3。另外，由于大跨度橋梁柔性大，頻率低，對風的作用很敏感。因為缺乏必要的監測和相應的養護，世界各地出現了大量橋梁損壞事故，給國民經濟和生命財產造成了巨大損失。因此，必須不惜一切代價來保證其安全。橋梁健康檢測的主要項目一般包括位移、應力、動力特性、溫度、表觀檢測等。其中，對橋梁各控制斷面的位移變形進行監測，并繪編相應的位移變形影響線和影響面以檢測各控制部位位移變形狀態，可為總體評估橋梁的承載能力、營運狀態和耐久能力提供依據。目前用于橋梁變形結構監測的方法主要有經緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光測試方法等。(1)全站儀法全站儀(包括經緯儀)是用于測量角度的精密測量儀器，可以用于測量角度、工程放樣以及粗略的距離測取。全站儀法同水準儀法一樣，具有準備工作簡單， 操作方便的優點。其缺點是各測點不同步以及大變形時不可測。(2)位移傳感器法目前采用的位移傳感器多數是一種接觸型傳感器，主要采用應變式位移傳感器，必須與測點相接觸，其缺點是對于難以接近點無法測量以及對橫向位移測量有困難。(3)加速度計法盡管高精度加速度計所測量的加速度觀測值經過二次積分后能夠得到橫向和垂向的位移向量，但由于加速度計對橋體低頻震蕩不敏感，所以通過這種方法得到的位移量是不完整、不連續的。加速度傳感器對于低頻靜態位移鑒別效果差，為獲得位移必須對它進行兩次積分，精度不高，也無法實時。而大型懸索橋的頻率一般都較低。(4)激光圖像法激光圖像法是近年來應用比較廣泛的測量撓度儀器，將專用靶標固定待測橋梁被測點，使靶標與橋梁有機的結合起來形成共振，將橋梁震動轉換成特定波長的光源震動，通過光學解析系統將待測光信號解析至專用高精度工業CCD，檢測靶標在 CCD上成像的中心坐標的變化即可精確測量被測橋梁在載荷作用下產生的縱向和橫向位移及其對時間的響應曲線。系統的K值(Kx，Ky)，即CCD上每個象素代表的實際位移值，能夠在測量之前進行標定。該方法動靜態均可測量，對于小撓度、較短的橋梁實施測量比較方便，不足之處在于該設備成本較高，需要在橋梁以外一定范圍內選取測量參考點，需要有人值守，并且對于多點同時測量難以實現。
(5)扭角法扭角測試法由于原理上的缺陷，很少得到推廣應用。(6)GPS法利用GPS監測大橋位移的特點各監測站之間是相互獨立的觀測值； 位受外界大氣影響小，能夠在暴風雨中進行監測；GPS測定位移自動化程度高；GPS定位速度慢、精度低。顯然，目前沒有一種監測手段能夠同時滿足必需的準確性、實時性、同步性、自動化和防護性等多方面要求。因此，開發新型位移傳感器，能夠兼顧橋梁變形監測的多方面要求，特別是在線實時監測的要求，是十分迫切的任務。“基于基準傳遞原理的橋梁撓度測試方法及試驗研究”(華北科技學院學報，2010， v07,n2)提出了一種在橋梁的梁體上布設連續連桿的撓度測試方法，在連桿中部安裝靜、動態兩種位移傳感器測量與梁體對應位置的相對位移，實現撓度的實時測量。但是，對于動撓度的測量需要修正后才能實現，而且文獻對位移傳感器的選型以及傳感器的安裝方法未作任何介紹。
發明內容
本發明針對現有技術無法同時滿足實時性、同步性、防護性和準確性等多方面要求的不足，提出一種適用于橋梁變形監測的撓度傳感器及撓度測量方法。本發明的撓度傳感器基于橫向電渦流效應工作，具有精度高、速度快、非接觸、低功耗、小體積、防護能力強等突出優點，本發明的撓度測量方法能夠用于各種公路、鐵路橋梁變形的垂直撓度、水平撓度的測量，并可實現橋梁變形的實時連續監測。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種撓度傳感器，包括測量板、反射柵和支承臂三個部分組成，其中 測量板固定在橋梁上的任一測點位置上，反射柵固定在支承臂上，支承臂兩端固定于橋梁上的兩個相鄰測點位置上，測量板與反射柵之間保留有間隙。所述的反射柵，設有均勻排列的金屬導體，采用印刷電路板工藝制作。該金屬導體排列成兩個碼道，排列周期即為測量波長。同一碼道上的相鄰兩個金屬導體之間的距離為測量波長的一半，不同碼道的相鄰金屬導體之間的距離大于測量波長的一半，不同碼道的金屬導體的排列的起始位置一致。所述的金屬導體，其數量取決于測量范圍，該金屬導體的寬度即平行于碼道方向的長度為測量波長的一半。所述的測量板，包括平面線圈組、測量電路和支架，其中所述的平面線圈組每個線圈之間互相獨立，并分別與測量電路相連。平面線圈組和測量電路固定在支架上。所述的平面線圈組，采用印制電路板工藝制作，由均勻排列成兩個碼道的平面線圈組成，相同碼道的相鄰平面線圈之間的距離為測量波長一半的整數倍，相同碼道的平面線圈的中心與反射柵的金屬導體的中心相對應，不同碼道的相鄰平面線圈之間的距離大于測量波長的一半，不同碼道的平面線圈的起始位置相差測量波長的四分之一的整數倍。所述的平面線圈的寬度即平行于碼道方向的長度是測量波長一半的整數倍，該平面線圈的長度即垂直于碼道方向的長度小于反射柵的金屬導體的長度。所述的測量電路，包含有模擬開關、振蕩器、整形電路、測頻電路和單片機等組成。 在單片機的控制下，平面線圈組通過模擬開關被依次接通，一方面由振蕩器產生激勵信號加載到平面線圈組上，另一方面平面線圈組產生的信號通過整形電路放大后輸出到測頻電路，并最終送入單片機進行處理，得到測量結果。所述的測量電路采用無線傳感網絡技術，能夠將測量結果以無線方式發送到橋梁監控中心，大大減少了傳輸電纜的鋪設與維護。測量電路采用脈沖供電技術，實現了整個電路系統的低功耗；測量電路采用鋰電池直接為電路系統供電，徹底擺脫了各個測點之間的數據連線和供電電纜；測量電路采用太陽能電池供電，直接利用太陽能供電，無需人工定期更換電池，完全實現了系統的免維護。所述的支承臂的長度等于兩個測點距離的兩倍。本發明的撓度傳感器工作過程如下當橋梁處于無變形狀態時，所有測點的位置處于同一水平線上，此時撓度傳感器的測量板和反射柵也均處于原始位置的平衡狀態，平面線圈和金屬導體處在對稱的中間位置，則撓度傳感器無信號輸出。當橋梁發生變形時，橋梁在每個測點上都將產生大小不等的變形而且具有大小不等的縱向撓度，因此任意一個測點相對前后兩個相鄰測點的連線都將產生垂直變形和位移。此時，每個撓度傳感器的測量板相對于反射柵也產生相對位移，導致測量板的平面線圈和反射柵的金屬導體偏離對稱的中間平衡位置，因此撓度傳感器產生位移信號并輸出。在每個測點上，傳感器的輸出信號通過無線網絡直接傳輸到集控中心。本發明還涉及一種橋梁變形撓度測量方法，具體如下(1)在橋梁的側面沿著橋梁軸線方向上以兩個支撐端點為起始點，等間隔選取測點位置；(2)以任意三個連續相鄰的測點為一組安裝本發明的撓度傳感器，將測量板固定在對應于這組測點的中間測點位置上，將反射柵固定在支承臂上中間的位置，該支承臂兩端固定設置于這組測點的兩端側點位置上，保證測量板與反射柵之間留有一定間隙。(3)沿著橋梁的軸線布置兩個水平的測量線，在同一測量線上的傳感器首尾相接， 兩個水平測量線上的傳感器在水平位置上錯開一個測點間距，由此保證每個測點都對應一個傳感器。(4)當產生撓曲變形時，每個撓度傳感器的反射柵對應于中間測點上的測量板的相對位置發生變化，相應的位移信息即可由測量板得到。該位移即為中間測點相對于兩個相鄰測點的相對變形撓度。(5)將全部測點位置處的傳撓度感器的測量結果進行匯總，通過計算得到整個橋梁的變形曲線和最大變形撓度值。與現有技術相比，本發明上述傳感器精度高、速度快、非接觸、低功耗、小體積、無線設計，能夠用于各種公路、鐵路橋梁變形的垂直撓度、水平撓度的測量。
圖1為本發明的撓度傳感器的組成原理示意圖。圖2為本發明的撓度傳感器的結構示意圖。圖3為本發明的撓度測量方法示意圖。圖4為橋梁變形時撓度傳感器的變化示意圖。圖中1為測量板，2為反射柵，3為支承臂，4為金屬導體，5為反射柵底板，6為平面線圈組，7為測量電路，8為支架，9為橋梁。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示為本實施例的撓度傳感器組成示意圖。所述的撓度傳感器包括測量板1、反射柵2和支承臂3，其中測量板1固定在橋梁的測點i的位置上，反射柵2固定在支承臂3的中間位置上，支承臂3兩端分別固定設置于相鄰的兩個測點i_l和i+Ι的位置上。如圖2所示為本發明的撓度傳感器的實施例結構示意圖。所述的反射柵2由金屬導體4和反射柵底板5組成，金屬導體4通過膠粘或者螺釘固定在反射柵底板5上。金屬導體4均勻排列成兩個碼道，排列周期即為測量波長λ，同一碼道上的相鄰兩個金屬導體4之間的距離為測量波長λ的一半，不同碼道的相鄰金屬導體4之間的距離大于測量波長λ的一半，不同碼道的金屬導體4的排列的起始位置一致。所述的金屬導體4的數量取決于測量范圍，該金屬導體4的寬度即平行于碼道方向的長度為測量波長λ的一半。所述的測量板1，包括平面線圈組6、測量電路7和支架8，其中平面線圈組6采用印制電路板工藝制作，相互獨立并分別與測量電路7連接。平面線圈組6和測量電路7 通過膠粘或者螺釘固定在支架8上。所述的平面線圈組6由均勻排列成兩個碼道的平面線圈組成，同一碼道上的相鄰平面線圈之間的距離為測量波長λ —半的整數倍，不同碼道的相鄰平面線圈之間的距離大于測量波長λ的一半，不同碼道的平面線圈的起始位置相差測量波長λ的四分之一的
整數倍。所述的平面線圈的寬度即平行于碼道方向的長度是測量波長λ —半的整數倍， 該平面線圈的長度即垂直于碼道方向的長度小于反射柵2上的金屬導體4的長度。具體實施例當測量波長λ取5mm時，測量板1的平面線圈的寬度也為測量波長 λ的一半，即2. 5mm，長度可為8mm。測量板1每個碼道各采用兩個平面線圈，相同碼道的相鄰平面線圈相距1/2測量波長λ的整數倍，本實施例設為2. 5mm。不同碼道的平面線圈之間的距離大于測量波長λ的一半，本實施例設為4mm。不同碼道的平面線圈的起始位置相差測量波長λ的四分之一，即相差為1.25mm。在反射柵2的金屬導體4的寬度為測量波長 λ的一半，即為2. 5mm，長度設為12mm。假定橋梁變形垂直撓度測量范圍為10mm，采用5個金屬導體4，平面線圈組的總長度為l.U=6.25mm，金屬導體4的總長度為4h=22.5mm，實際測量范圍為2^=11.25mm。
■s1■氣所述的測量電路7采用無線傳感網絡技術，能夠將測量結果以無線方式發送到僑聯監控中心，大大減少了傳輸電纜的鋪設與維護。測量電路7采用脈沖供電技術，實現了整個電路系統的低功耗；測量電路7采用鋰電池直接為電路系統供電，徹底擺脫了各個測點之間的數據連線和供電電纜；測量電路7采用太陽能電池供電，直接利用太陽能供電，無需人工定期更換電池，完全實現了系統的免維護。
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所述的支承臂3的長度等于兩個測點距離的兩倍。如圖3所示為橋梁變形側縱向撓度測量方法示意圖。在橋梁9的側面沿著橋梁軸線方向上以兩個支撐端點為起始點，等間隔選取測點位置，測點間隔為L。以任意三個連續相鄰的測點為一組安裝本發明的撓度傳感器，將測量板1固定在對應于這組測點的中間測點位置上，將反射柵2固定在支承臂3上中間的位置，支承臂3兩端固定設置于這組測點的兩端側點位置上，保證測量板1與反射柵2之間留有一定間隙。沿著橋梁9的軸線布置兩個水平的測量線I與II，在同一測量線上的撓度傳感器首尾相接，兩個水平測量線上的撓度傳感器在水平位置上錯開一個測點間距，由此保證每個測點都對應一個撓度傳感器。當橋梁9產生撓曲變形時(如圖4所示)，每個撓度傳感器的反射柵2對應于中間測點上的測量板1的相對位置發生變化，相應的位移信息即可由測量板1得到。該位移即為中間測點相對于兩個相鄰測點的相對變形撓度。將全部測點位置處的傳撓度感器的測量結果進行匯總，通過計算得到整個橋梁9的變形曲線和最大變形撓度值。本發明提出的基于電渦流效應的橋梁變形撓度傳感器具有精度高、速度快、非接觸、無磨損、防護墻的優點，基于這種撓度傳感器本發明提出的撓度測量方法可將動靜態測量功能集為一體，可實時監測橋梁的撓度變化，可直接將測量結果繪制時程曲線而不用任何修正。此外，該傳感器是基于電磁感應原理非接觸式實現測距，方便安裝且不受天氣灰塵等影響，適合長期工作。盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征在于傳感器包括測量板、反射柵和支承臂三個部分，測量板固定在橋梁的測點位置上，反射柵固定在支承臂上中間位置，支承臂兩端固定設置于相鄰的兩個測點；所述的反射柵設有均勻排列的金屬導體，所述的測量板中設有平面線圈組；當橋梁處于無變形狀態時，所有測點的位置處于同一水平線上，測量板和反射柵均處于原始位置的平衡狀態，平面線圈和金屬導體處在對稱的中間位置；當橋梁發生變形時，測量板相對于反射柵產生相對位移，測量板的平面線圈和反射柵的金屬導體偏離對稱的中間平衡位置，撓度傳感器產生位移信號并輸出。
2.根據權利要求1所述的用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征是所述的反射柵包括金屬導體和反射柵底板組成，所述金屬導體固定在反射柵底板上。
3.根據權利要求2所述的用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征是所述的金屬導體排列成兩個碼道，排列周期即為測量波長；同一碼道上的相鄰兩個金屬導體之間的距離為測量波長的一半的整數倍，不同碼道的相鄰金屬導體之間的距離大于測量波長的一半， 不同碼道的金屬導體的排列的起始位置一致。
4.根據權利要求3所述的用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征是所述的金屬導體的寬度即平行于碼道方向的長度為測量波長的一半。
5.根據權利要求1所述的用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征是所述的測量板包括平面線圈組、測量電路和支架，其中所述的平面線圈組中每個線圈之間互相獨立，并分別與測量電路相連，平面線圈組和測量電路固定在支架上。
6.根據權利要求1或5所述的用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征是，所述的平面線圈組由均勻排列成兩個碼道的平面線圈組成，相同碼道的相鄰平面線圈之間的距離為測量波長一半的整數倍，相同碼道的平面線圈的中心與反射柵的金屬導體的中心相對應，不同碼道的相鄰平面線圈之間的距離大于測量波長的一半，不同碼道的平面線圈的起始位置相差測量波長的四分之一的整數倍，該平面線圈的寬度即平行于碼道方向的長度是測量波長一半的整數倍，該平面線圈的長度即垂直于碼道方向的長度小于反射柵的金屬導體的長度。
7.根據權利要求1或5所述的用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征是，所述的支承臂的長度等于兩個測點距離的兩倍。
8.根據權利要求1或5所述的用于橋梁變形監測的撓度傳感器，其特征是，所述的測量電路采用無線傳感網絡技術，將測量結果以無線方式發送到橋梁監控中心。
9.一種采用上述1-8所述傳感器進行的橋梁變形撓度測量方法，其特征在于所述撓度傳感器設置于兩個水平的測量線上，在同一水平測量線上的傳感器首尾相接，兩個水平測量線上的傳感器在水平位置上錯開一個測點間距。
10.根據權利要求9所述的橋梁變形撓度測量方法，其特征在于按照以下步驟進行(1)在橋梁的側面沿著橋梁軸線方向上以兩個支撐端點為起始點，等間隔選取測點位置；(2)以任意三個連續相鄰的測點為一組安裝本發明的撓度傳感器，將測量板固定在對應于這組測點的中間測點位置上，將反射柵固定在支承臂上中間的位置，該支承臂兩端固定設置于這組測點的兩端側點位置上，保證測量板與反射柵之間留有間隙；(3)沿著橋梁的軸線布置兩個水平的測量線，在同一測量線上的傳感器首尾相接，兩個水平測量線上的傳感器在水平位置上錯開一個測點間距，由此保證每個測點都對應一個傳感器；(4)當產生撓曲變形時，每個撓度傳感器的反射柵對應于中間測點上的測量板的相對位置發生變化，相應的位移信息即可由測量板得到，該位移即為中間測點相對于兩個相鄰測點的相對變形撓度；(5)將全部測點位置處的傳撓度感器的測量結果進行匯總，通過計算得到整個橋梁的變形曲線和最大變形撓度值。
全文摘要
本發明公開一種用于橋梁變形監測的撓度傳感器及撓度測量方法。所述的撓度傳感器由測量板、反射柵和支承臂組成，測量板固定在橋梁的測點上，反射柵固定在支承臂上，支承臂兩端固定設置于測量板相鄰的兩個測點。所述的撓度測量方法根據所述撓度傳感器撓度傳感器設置于兩個水平的測量線上，在同一水平測量線上的傳感器首尾相接，兩個水平測量線上的傳感器在水平位置上錯開一個測點間距。本發明精度高、速度快、非接觸、低功耗、小體積、無線設計，能夠用于各種公路、鐵路橋梁變形的垂直撓度、水平撓度的測量。
文檔編號G01M5/00GK102539093SQ20121000237
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者劉偉文, 呂春峰, 王成龍, 趙輝, 陶衛, 雷華明 申請人:上海交通大學