CN111044185B - 一种激光测量内部变化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种激光测量内部变化的装置，属于混凝土应力应变测试领域。光发射模块通过转台固定在支架上，转台在支架的顶部且可三维转动，测量主机连接在支架上并且不影响转台的自由转动，自吸附底座在支架的底部，接收模块内嵌在自吸附底座的底部且接收模块底部和自吸附底座底部平齐。读取接收器模块测得的信号，计算出应变值；根据转台位姿，计算出转台转动角度；将转台转动角度换算成电机旋转参数，通过转台内置的电机驱动器驱动转台转动；在转台转动时，通过读取转台内置的编码器反馈的转动信息对转台转动参数进行修正。本方法响应速度快，能够满足不断变化的应力应变测量需求。

Description

一种激光测量内部变化的方法及装置

技术领域

本发明属于混凝土应力应变测试领域。

背景技术

大跨度桥梁修建过程及营运时混凝土应力应变测试是一项重要工作，桥梁的实际受力状态不能仅仅依赖计算分析，还必须对控制断面进行监测，以确保结构安全，为桥梁施工、营运以及加固维修提供依据。混凝土应力测试是比较复杂的技术，目前还没有直接测量混凝土应力实用而有效的仪器，虽然已经有一种直接测量混凝土压应力的应力测量系统，但它不能测量拉应力，所以更多的是通过测量混凝土的应变来间接地反映混凝土的应力水平。目前用来测量混凝土应变的方法有电阻式和振弦式等几种。

1)振弦式应变测量系统

国内常见的振弦式应变传感器(vibrating wire sensor)主要由安装支座、振弦夹头、振弦、激励线圈、感应线圈、外壳、传输模块等部件构成，以上构件主要是测量应变情况。除此之外大部分振弦式应变传感器还带有测量温度的功能，这类振弦式应变传感器带有一个热敏电阻器，这个电阻器可以测试周围的环境温度，可以对测试的温度进行补偿修正。根据激励方式可分为单线圈激励方式(间歇触发激振)和双线圈激励方式(等幅连续激振)，前者工作原理是激励线圈即激励弦产生振动也接受弦的振动所产生的激励信号，后者是一个线圈激励一个接收。

当被测的构件有应力变化出现时，构件自身会出现应变，会带动贴装在该构件上的振弦式应变传感器产生一定的变形。此时，通过振弦式应变传感器的前后端座将此变形转化为内部钢弦的变形，使得振弦产生应力变化，进而改变振弦的基础固有频率。通过电磁线圈对振弦进行激振可以测量得到其振动频率，将所得到的频率信号通过电缆进行传递，传递到对应软件中进行转化就可以得到测量构件的应变情况。

2)电阻式应变片

应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。

应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。

现在技术存在以下缺点：

1)测量方向单一。单个振弦式应变测量传感器或电阻式应变片只能同时测量单个方向的应变值。

2)测量频率低。现有技术只能进行静态测量，即无法测量变化的应力应变，无法满足实际工程需求。

3)适用性较差。现有技术无法对现场状况进行自适应，在遇到不同现场工况时需要人为进行调整参数。

发明内容

本专利所述一种激光测量内部变化的方法主要由测量主机、光发射模块、接收模块、转台、支架、自吸附底座等部分组成，图1中1为光发射模块，2为转台，3为支架，4为测量主机，5为自吸附底座，6为接收模块。本专利可以如图1所示工作，也可将其旋转90°进行垂直面的应变测量。

光发射模块通过转台固定在支架上，转台在支架的顶部且可三维转动，测量主机连接在支架上并且不影响转台的自由转动，自吸附底座在支架的底部，接收模块内嵌在自吸附底座的底部且接收模块底部和自吸附底座底部平齐。

读取接收器测得的信号，计算出应变值；根据转台位姿，计算出转台转动角度；将转台应有的转动角度换算成电机旋转参数，通过转台内置的电机驱动器驱动转台转动；在转台转动时，通过读取转台内置的编码器反馈的转动信息对转台转动参数进行修正。

接收模块包括信号接收器、内部信号激励器。内部信号激励器可以接收到主机发出的转台转动角度。内部信号激励器可由压电陶瓷和光电转换模块组成。

本专利所述一种激光测量内部变化的方法的光发射模块采用了激光光源。激光光源通过分光镜组和光纤分成两束光束输出，其中一束光束通过光纤导到接收模块的内部信号激励器，另一束激光发射出去。激光光源可采用波长为1064nm的Nd：YAG脉冲激光器，能量在100MJ-300MJ内连续可调，重频为10Hz-10kHz可调，功率密度在8×10⁷W/cm³-35×10⁷W/cm³间。

1.一种激光测量内部变化的装置，其特征在于：光发射模块通过转台固定在支架上，转台在支架的顶部且可三维转动，测量主机连接在支架上并且不影响转台的自由转动，自吸附底座在支架的底部，接收模块内嵌在自吸附底座的底部且接收模块底部和自吸附底座底部平齐。

2.应用所述的装置的方法，其特征在于，读取接收器模块测得的信号，计算出应变值；根据转台位姿，计算出转台转动角度；将转台转动角度换算成电机旋转参数，通过转台内置的电机驱动器驱动转台转动；在转台转动时，通过读取转台内置的编码器反馈的转动信息对转台转动参数进行修正。

3.应用所述的装置的方法，其特征在于，实现过程如下：

(1)将本装置安放在测量面上，装置的自吸附底座将装置固定在测量面；

(2)装置上电，开机自检，光发射模块发射出光束，转台转动使得光束从装置底部移动到无穷远处，接收模块接收信号，测量主机计算出振动波在测量面内传播的平均速度，进行内部校准得到测量函数f(x,y,t,E,v)，装置完成初始化，转台回到原位；

(3)启动测量，转台开始转动到第一个测量角度；

(4)光发射模块发射出光束，光束到达测量面上，在测量面内形成振动波；

(5)接收模块检测信号，若接收到振动波信号，判断振动波信号是否存在背景噪声过强的异常情况；

(6)若振动波信号存在异常情况，则进行接收模块自检；

(7)若接收模块自检不通过，则重新启动接收模块进行检测信号；

(8)若接收模块自检通过，则激活光发射模块，使得光发射模块重新发射光束，产生新的振动波；

(9)若接收到的振动波信号不存在异常情况，则测量主机根据三角函数关系和转台的转角，计算得到此时的光斑坐标(x，y)，记录光束发射到接收到振动波信号的时间t，记录接收模块接收到的振动波强度E，根据测量函数f(x,y,t,E,v)计算此时的应变值，并输出应变值；

(10)测量主机计算完成后，判断转台是否转动到边界，若转台尚未达到边界，则测量主机计算转台应转动的转角；

(11)测量主机控制转台转动上述计算得到的转角；

(12)重复上述(4)～(11)，直至转台转动到边界，停止测量；

(13)停止测量，转台回到初始位置；

(14)关闭装置。

本发明实现了单个装置在360度各个方向上应力应变值的测量。实现了动态测量，本方法响应速度快，能够满足不断变化的应力应变测量需求。本发明具有自学习自适应的能力，能够主动适应现场混凝土材料等区别带来的影响，提高了测量的精度。

附图说明

图1位移和移动时间同步校准装置硬件连接示意图

图中，1为光发射模块，2为转台，3为支架，4为测量主机，5为自吸附底座，6为接收模块。

图2一种激光测量内部变化的方法的技术方案流程图

图3具体实例1的技术方案流程图

图4具体实例2的技术方案流程图

具体实施方式

接收模块自检就是接收模块不接收外部信号，而是内部自激励产生一个已知特征参数的信号，然后自接收，然后将接收到的信号进行时域分析得到特征参数，和已知的特征参数进行比较，若误差低于50％则自检通过，反之自检不通过；内部自激励指的是光发射模块的激光光源产生的光束通过分光镜组和光纤分成两束光输出，其中一束光束通过光纤导到接收模块的内部信号激励器，同时内部信号激励器接收此时主机发出的转台转动角度，内部信号激励器根据这束光束和转台转动角度产生一个的特征参数已知的信号给接收模块；自接收是指接收模块的信号接收器接收到内部信号激励器产生的信号。

应变的计算，是有一个测量函数f(x,y,t,E,v)，通过采集到的x,y,t,E,v值计算出应变；就是在装置开机自检的时候，会测量出一个平均波速，在后续测量时，由于光发射模块的角度不同，测量主机能够判断出光束在测量面上产生热弹性效应的坐标，就计算出装置到该坐标的距离；由于测量面发生了应变，导致热弹效应产生的振动波传播的时间和速度发生了变化，接收模块接收到的振动波能量也不同，就通过测量函数计算出应变。

信号正常要看信噪比，信噪比不小于50dB，信号的首波没有掉波，且首波的信号幅度和me^-ad的差值在50％以内；其中d是光束照射在测量面上的光斑的中心到接收器中心的距离，a是声衰减系数，e是自然对数的底数，m是光束在测量面上的光斑产生的振动信号的首波幅值，则为正常信号。

衰减系数要准确的话是需要实测，也可以经验数据，声衰减系数取0.08db/mm。

本发明就是利用激光冲击测量面，在测量面上形成一个振动波，然后利用振动波在测量面内的传播特点，来计算应变。传统的应变测量设备都是使用应变计。这个区别是原理性的。

本专利可用于测量桥梁某个区域的应变值，其流程图如下：

实例1技术方案实现过程如下：

(1)将本装置安放在测量面上，装置的自吸附底座将装置固定在测量面。

(2)装置上电，开机自检，完成初始化，转台回到原位。

(3)启动装置的学习模式，光发射模块发射出连续光束。

(4)手动转动转台，使得光发射模块发射出的连续光束包含测量范围。

(5)测量主机记录转台转动的角度范围，并设置为转台的边界。

(6)保存记录数据，转台初始化。

(7)启动测量，转台开始转动到第一个测量角度。

(8)光发射模块发射出光束，光束到达测量面上，在测量面内形成振动波。

(9)接收模块检测信号，若接收到振动波信号，判断振动波信号是否存在背景噪声过强异常情况。

(10)若振动波信号存在异常情况，则进行接收模块自检。

(11)若接收模块自检不通过，则重新启动接收模块进行检测信号。

(12)若接收模块自检通过，则激活光发射模块，使得光发射模块重新发射光束，产生新的振动波。

(13)若接收到的振动波信号不存在异常情况，则测量主机开始计算此时的应变值，并输出应变值。

(14)测量主机计算完成后，判断转台是否转动到边界，若转台尚未达到边界，则测量主机计算转台应转动的转角。

(15)测量主机控制转台转动上述计算得到的转角。

(16)重复上述(8)～(15)，直至转台转动到边界，停止测量。

(17)停止测量，转台回到初始位置。

(18)关闭装置。

实例2技术方案实现过程如下：

(1)将本装置安放在测量面上，装置的自吸附底座将装置固定在测量面，且自吸附底座的中心位置与被校准应变测量系统的传感器一端在垂直于传感器的方向上平行。

(2)装置上电，开机自检，完成初始化，转台回到原位。

(3)启动装置的校准模式，光发射模块发射出脉冲光束。

(4)手动转动转台，使得光发射模块发射出的脉冲光束照射在测量面的光斑位置与被校准应变测量系统的传感器另一端在垂直于传感器的方向上平行。

(5)光发射模块发射出脉冲光束，脉冲光束到达测量面上，在测量面内形成振动波。

(6)接收模块检测信号，若接收到振动波信号，判断振动波信号是否存在背景噪声过强异常情况。

(7)若振动波信号存在异常情况，则进行接收模块自检。

(8)若接收模块自检不通过，则重新启动接收模块进行检测信号。

(9)若接收模块自检通过，则激活光发射模块，使得光发射模块重新发射脉冲光束，产生新的振动波。

(10)若接收到的振动波信号不存在异常情况，则测量主机开始计算此时的应变值，并输出应变值。

(11)停止测量，转台回到初始位置。

(12)人工读取应变测量系统的测量结果并输出测量主机，与装置获得的应变值进行比较，测量主机用装置应变值减去应变测量系统的测量结果，得到修正系数。

(13)关闭装置，完成校准。

6.1本专利实现了自动测量2维区域内的应变，提高了测量效率。

6.2本专利实现了动态应变的测量，突破了传统测量方法只能测量静态应变的局限。

6.3本专利具有很好的适应性，不需要现场人工调整参数，可以自动根据现场情况进行自调整v等内部参数。

6.4本专利具有极好的适用性，能够应用于电阻式应变测量系统、振弦式应变测量系统、光纤式应变测量系统的校准。

6.5本专利成本较目前常用的方法低廉。

7.1本专利采用光发射模块发射出光束来激励测量面产生振动波，从而实现了单个装置不变动安装位置地连续测量不同位置的应变。本专利能够准确的连续测量多个位置的应变，简化了测量应变所需的装置数量。

7.2当用来校准用于静态应变测量的应变测量系统时，本专利可以根据被校应变测量系统的传感器的弦长，手动调整测量点，使得测量点与被校应变测量系统的测量点保持一致。

7.3当测量对象为具有一定尺寸限制的测量面时，本专利可以主动适应测量面的几何尺寸限制。

7.5本专利可以加载在无人机等装置上，实现即停即测。

Claims (5)

1.一种激光测量内部变化的方法，其特征在于，实现过程如下：

（1）将装置安放在测量面上，装置的自吸附底座将装置固定在测量面；该装置具体结构如下：光发射模块通过转台固定在支架上，转台在支架的顶部且可三维转动，测量主机连接在支架上并且不影响转台的自由转动，自吸附底座在支架的底部，接收模块内嵌在自吸附底座的底部且接收模块底部和自吸附底座底部平齐；

（2）装置上电，开机自检，光发射模块发射出光束，转台转动使得光束从装置底部移动到无穷远处，接收模块接收信号，测量主机计算出振动波在测量面内传播的平均速度，进行内部校准得到测量函数f(x, y, t, E, v)，装置完成初始化，转台回到原位；

（3）启动测量，转台开始转动到第一个测量角度；

（4）光发射模块发射出光束，光束到达测量面上，在测量面内形成振动波；

（5）接收模块检测信号，若接收到振动波信号，判断振动波信号是否存在背景噪声过强的异常情况；

（6）若振动波信号存在异常情况，则进行接收模块自检；

（7）若接收模块自检不通过，则重新启动接收模块进行检测信号；

（8）若接收模块自检通过，则激活光发射模块，使得光发射模块重新发射光束，产生新的振动波；

（9）若接收到的振动波信号不存在异常情况，则测量主机根据三角函数关系和转台的转角，计算得到此时的光斑坐标（x，y），记录光束发射到接收到振动波信号的时间t，记录接收模块接收到的振动波强度E，根据测量函数f(x, y, t, E, v)计算此时的应变值，并输出应变值；

（10）测量主机计算完成后，判断转台是否转动到边界，若转台尚未达到边界，则测量主机计算转台应转动的转角；

（11）测量主机控制转台转动上述计算得到的转角；

（12）重复上述（4）~（11），直至转台转动到边界，停止测量；

（13）停止测量，转台回到初始位置；

（14）关闭装置。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：接收模块自检就是接收模块不接收外部信号，而是内部自激励产生一个已知特征参数的信号，然后自接收，然后将接收到的信号进行时域分析得到特征参数，和已知的特征参数进行比较，若误差低于50%则自检通过，反之自检不通过；内部自激励指的是光发射模块的激光光源产生的光束通过分光镜组和光纤分成两束光输出，其中一束光束通过光纤导到接收模块的内部信号激励器，同时内部信号激励器接收此时主机发出的转台转动角度，内部信号激励器根据这束光束和转台转动角度产生一个的特征参数已知的信号给接收模块；自接收是指接收模块的信号接收器接收到内部信号激励器产生的信号。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：应变的计算，是有一个测量函数f(x, y, t, E,v)，通过采集到的x,y,t,E,v值计算出应变；就是在装置开机自检的时候，会测量出一个平均波速，在后续测量时，由于光发射模块的角度不同，测量主机能够判断出光束在测量面上产生热弹性效应的坐标，就计算出装置到该坐标的距离；由于测量面发生了应变，导致热弹效应产生的振动波传播的时间和速度发生了变化，接收模块接收到的振动波能量也不同，就通过测量函数计算出应变。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：信号正常要看信噪比，信噪比不小于50dB，信号的首波没有掉波，且首波的信号幅度和me^-ad的差值在50%以内；其中d是光束照射在测量面上的光斑的中心到接收器中心的距离，a是声衰减系数，e是自然对数的底数，m是光束在测量面上的光斑产生的振动信号的首波幅值，则为正常信号。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：声衰减系数取0.08db/mm。

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