CN101718543B - 利用压力差测量挠度/位移线形的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用压力差测量挠度/位移线形的装置及方法，该装置包括小车和装有液体的L型管道；所述L型管的水平段沿小车长度方向设于小车上；L型管水平段两端分别设有压力传感器A和B，底部设有温度传感器；小车的车轮上设有位移传感器；所述温度传感器、压力传感器A和B以及位移传感器都通过数据总线与带接口和存储器的控制系统连接；通过位移传感器控制小车每转动N圈后启动一次测量。通过两个压力传感器测量管道两端的压力差，并以不同温度下的液体密度进行换算，从而测得两点间的竖直高度差。具有测量面广、精度高、不受光线干扰影响、自动化程度高、测量费用低等优点。

Description

利用压力差测量挠度/位移线形的装置及方法
技术领域
本发明涉及用于测量桥梁挠度、地面竖直沉降的装置及方法，尤其是利用L型连通管、压力传感器、温度传感器和位移传感器进行桥梁连续挠度和线形自动测量的装置及方法。
背景技术
测量桥梁挠度和地面沉降在现代路桥健康检测中起着重要的作用，桥梁和地面的线形更能直观地表现出它们的位移状况。现有技术中，用于检测及监测桥梁挠度/位移的装置和方法多数不能测量桥梁、路面的连续挠度/位移和沉降，只能测量少量观测点的相对高度变化，测量数据不能平滑重现实际桥面、路面的挠度和沉降情况。如使用传统的水准仪、百分计、千分计、挠度计测量桥梁挠度时，一是自动化程度不高，靠人工操作，测量精度受限于操作者的经验，二是对于大型桥梁测量时间会很长，不能忽略桥梁在测量过程中的变形，造成测量数据不准。即使测量的数据精度达到要求，也由于测量的点较少，不能平滑拟合出桥梁的实际形变。如使用智能型全站仪测量桥梁位移时，一是成本较高，二是待测点越多，全站仪自动对准反射棱镜的时间开销越大，对于大型桥梁的测量周期较长，不利于桥梁连续挠度的测量及桥梁线形的拟合。如中国专利公开的200720188607.2“测量连续竖直挠度/位移的装置”，将一倾角传感器固定在小车上，对桥梁进行连续挠度测量，但该装置以一小段的平均倾角来转换测量，并不能直接测得竖直位移，测量精度受到一定的限制。
如上所述，现有的桥梁挠度、地面沉降测量装置或者自动化程度不高，或者使用范围有限，或者精度不够，或者成本较高，或者受环境温度影响大，或者不能平滑重现桥梁、路面的竖直位移情况，有的需要通过倾角进行转换，这些都制约了现有方法在测量桥梁挠度、地面沉降等方面的推广和应用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种具有自动化程度高、使用范围广、使用效率高、克服环境温度影响，可连续测量桥梁及地面上各点的竖直位移并重现实际沉降情况的线形的装置及方法。
本发明的目的是这样实现的：利用压力差测量挠度/位移线形的装置，其特征在于，包括小车和装有液体的L型连通管；所述L型连通管的一段水平设于小车上，且沿小车长度方向设置，另一段竖向设置；L型连通管的水平段的两端部分别设有压力传感器A和B；L型连通管的水平段的底部设有温度传感器；小车的车轮上设有位移传感器；所述温度传感器、压力传感器A和B以及位移传感器都通过数据总线与带接口和存储器的控制系统连接；
所述L型连通管的长度S与小车车轮半径R之间满足：
S＝2NπR，
其中，S既是两压力传感器间的水平距离，也是小车每次移动的固定位移量，N为一个正整数(根据需要设置)，通过位移传感器控制小车每转动N圈后启动一次测量。
进一步，所述带接口和存储器的控制系统与计算机相连。
测量时，小车沿桥梁方向往前运动，运动过程中，压力传感器和温度传感器按一定的频率进行测量与记录，该测量频率由位移传感器控制，小车每向前运动一段设定位移，控制系统就控制压力传感器和温度传感器将本段的测量数据写入存储器或直接写入与控制系统相连的计算机。根据每次测量的两个压强值之差ΔP和此时的温度T便能够算出桥面在该测量段内的竖直位移。当小车连续从桥面或路面运动测量完成后，整座桥梁或路面的连续竖直挠度和沉降情况被测出，并可以直接绘制出挠度和沉降曲线图，直观重现桥梁和路面的竖直位移情况。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
1、测量范围广，可广泛用于各种桥梁挠度、路面沉降的测量；
2、测量速度快，相比现行方法而言，只需将小车以一定速度通过桥梁即可，可短时间获得被测面的竖直位移数据；
3、测量精度高，目前的压力传感器测量精度可以做的很高，当管内液体为水时，采用精度为0.05级压力传感器，且水面深度为50cm，则测量精度可达到0.04mm，如果连通管内采用大密度液体其测量精度更高；
4、使用该装置克服了环境温度对测量精度的影响，通过压力传感器测量L型连通管液面的变化，并通过不同温度下的液体密度进行换算，具有测量精度高的特点，同时不受光线干扰影响；
5、压力和温度传感器采用成熟的普通元件，不需要使用成本较高的光学设备和复杂仪器，具有结构简单，安装、调试方便，可靠性好的特点；
6、自动化程度高，只需简单操作就可以获得一系列连续的测量数据，并自动绘制和重现竖直位移情况，可直观地观测其线形；
7、能一次性对待测桥梁挠度、地面沉降、总长度和线形进行自动测量；
8、测量费用低廉，由于系统可以反复使用，因此单次测量成本低。
附图说明
图1是本发明利用压力差测量挠度/位移线形装置的结构示意图；
图2是表示本发明装置的尺寸的示意图；
图3是本发明测量方法的原理示意图1；
图4是本发明测量方法的原理示意图2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种利用压力差测量挠度/位移线形的装置，包括小车1、L型连通管2、温度传感器3、压力传感器4、位移传感器5、带接口和存储器的控制系统6、固定装置7、数据总线8和计算机9；L型连通管2的一段水平设于小车1上，且沿小车1长度方向设置，另一段竖向设置；L型连通管2水平段的两端部分别设有压力传感器4(传感器A和传感器B)；L型连通管2的底部设有温度传感器3；小车1的车轮附近设有位移传感器5，用于测量小车的运动距离；所述温度传感器3、压力传感器4、位移传感器5都通过数据总线与带接口和存储器的控制系统6连接；带接口和存储器的控制系统6与计算机9相连。
如图2所示，为了能对桥梁挠度进行连续全部测量，本发明装置的尺寸满足以下要求：
S＝2NπR。
其中S为两压力传感器4(传感器A和传感器B)之间的直线距离，也是系统每两次测量间隔内小车运动的位移，R为小车车轮的半径，N为一个正整数，通过位移传感器触发小车每转动N圈后启动一次测量。
参见图1、图3和图4，本发明测量方法包括如下步骤：首先，将测量连续竖直挠度/位移和线形的装置的小车1置于待测桥梁的一端，如果需要直接显示测量结果，则将计算机9与测量系统相连并打开测量数据接收处理程序，如果不需要直接显示测量结果，则将测量数据保存到存储器6中，事后下载到计算机9进行处理；然后开启系统(可以是电动，可以是人工推行，也可用其它动力)，使小车1以一定的速度沿桥梁的走向匀速向前运动；小车1位移传感器5在小车1每向前运动一设定的位移时向控制系统6发出一个信号，控制系统6再对压力传感器4和温度传感器3发送采集命令，压力传感器4和温度传感器3的数据结果根据需要传到计算机9或控制系统6的存储器中；最后，计算机9对采集到的压强值和温度值进行处理后，计算出每段位移的竖直挠度并进行记录，根据每小段的小车运动距离和竖直挠度直接绘制桥梁连续挠度曲线图，即得到桥梁路面挠度/位移的线形。
本发明的测量原理如图3和图4所示：首先，在桥梁的始端进行一次测量，得到压力传感器A的值为PA0，压力传感器B的值为PB0，温度传感器的值为T0，然后小车每次向前运动距离S时，分别同时对压力传感器A、压力传感器B、温度传感器进行测量并记录，最后得到如下数据：
压力传感器A的值：PA0、PA1、PA2…PAn；
压力传感器B的值：PB0、PB1、PB2…PBn；
温度传感器的值：T0、T1、T2…Tn；
对于每次的测量，连通管的两竖直管管底压强之差为ΔP＝PA-PB，最终计算出一系列压强差数据为：ΔP0、ΔP1、ΔP2…ΔPn。
计算机系统根据压强公式P＝ρgh，计算L型连通管两竖直管的液面高差为ΔH＝ΔP/ρg，即当前测量点相对于前一个测点的竖直位移为ΔH，最后通过对所有数据进行计算分析即可测得桥梁挠度/位移变化情况。
其中，ρ为当前温度T下液体的密度，g为重力常数，取9.8N/Kg。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.利用压力差测量挠度/位移线形的装置，其特征在于：包括小车(1)和装有液体的L型连通管(2)；L型连通管(2)的一段水平设于小车(1)上，且沿小车长度方向设置，另一段竖向设置；L型连通管(2)的水平段的两端部分别设有压力传感器A和B(4)；L型连通管(2)的水平段的中部设有温度传感器(3)；小车(1)的车轮设有位移传感器(5)；所述温度传感器(3)、压力传感器A和B(4)和位移传感器(5)都通过数据总线(8)与带接口和存储器的控制系统(6)连接；L型连通管的长度S与小车车轮半径R之间满足以下要求：
S＝2NπR，
其中，S既是两压力传感器间的水平距离，也是小车每次移动的固定位移量，N为一个正整数，通过位移传感器控制小车每转动N圈后启动一次测量。
2.根据权利要求1所述利用压力差测量挠度/位移线形的装置，其特征在于，所述带接口和存储器的控制系统(6)可与计算机(9)相连。
3.利用压力差测量挠度/位移线形的方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的装置，测量步骤包括：
1)将测量挠度/位移线形的装置的小车置于待测路面或桥梁的一端，如果需要直接显示测量结果，则将计算机与所述测量挠度/位移线形的装置相连并打开测量数据接收处理程序，如果不需要直接显示测量结果，则将测量数据保存到存储器中，事后下载到计算机进行处理；
2)开启动力系统，首先，在路面或桥梁的始端进行一次测量，得到压力传感器A的值为PA0，压力传感器B的值为PB0，温度传感器的值为T0，然后，使小车沿路面或桥梁的走向匀速向前运动，小车位移传感器在小车每向前运动一固定的位移S时向控制系统发出一个信号，控制系统对压力传感器和温度传感器发送采集命令，得到如下一些数据：
压力传感器A的值：PA0、PA1、PA2…PAn；
压力传感器B的值：PB0、PB1、PB2…PBn；
温度传感器的值：T0、T1、T2…Tn；
压力传感器和温度传感器的上述数据结果根据需要传到计算机或存储器中；
3)最后，计算机对采集到的压强值和温度值进行处理，计算每次位移L型连通管的水平段的两端部压强之差ΔP＝PA-PB，再根据压强公式P＝ρgh计算出每段位移的竖直挠度/位移ΔH＝ΔP/ρg并进行记录，根据每小段的小车运动距离和竖直挠度/位移直接绘制桥梁连续挠度或路面连续沉降曲线图，即得到桥梁路面的线形；
其中，ρ为当前温度T下液体的密度，g为重力常数得到。
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