CN102539093B - 用于桥梁变形监测的挠度传感器及挠度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于桥梁变形监测的挠度传感器及挠度测量方法。所述的挠度传感器由测量板、反射栅和支承臂组成，测量板固定在桥梁的测点上，反射栅固定在支承臂上，支承臂两端固定设置于测量板相邻的两个测点。所述的挠度测量方法根据所述挠度传感器：挠度传感器设置于两个水平的测量线上，在同一水平测量线上的传感器首尾相接，两个水平测量线上的传感器在水平位置上错开一个测点间距。本发明精度高、速度快、非接触、低功耗、小体积、无线设计，能够用于各种公路、铁路桥梁变形的垂直挠度、水平挠度的测量。

Description

用于桥梁变形监测的挠度传感器及挠度测量方法

技术领域

本发明涉及一种建筑施工技术领域的测量装置，具体是一种用于桥梁变形监测的挠度传感器及挠度测量方法。

背景技术

桥梁是一种造价高昂、结构庞大的工程，一旦倒塌将长期影响大范围地区的交通、经济和社会生活。桥梁经受日晒雨淋，承受疲劳荷载，必然会有缓慢发展的累积损伤，累积损伤发展到一定程度，就会引发安全事故。特别地，随着科学技术的进步以及交通运输的需求，许多大跨度桥梁应运而生，尤其是悬索桥以其跨度大，造型优美，节省材料而备受人们的青睐，成为大跨度桥梁的首选。但随着跨度的增大，安全系数也随之下降，由以前的4～5下降为2～3。另外，由于大跨度桥梁柔性大，频率低，对风的作用很敏感。因为缺乏必要的监测和相应的养护，世界各地出现了大量桥梁损坏事故，给国民经济和生命财产造成了巨大损失。因此，必须不惜一切代价来保证其安全。

桥梁健康检测的主要项目一般包括位移、应力、动力特性、温度、表观检测等。其中，对桥梁各控制断面的位移变形进行监测，并绘编相应的位移变形影响线和影响面以检测各控制部位位移变形状态，可为总体评估桥梁的承载能力、营运状态和耐久能力提供依据。目前用于桥梁变形结构监测的方法主要有：经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法等。

(1)全站仪法：全站仪(包括经纬仪)是用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。全站仪法同水准仪法一样，具有准备工作简单，操作方便的优点。其缺点是各测点不同步以及大变形时不可测。

(2)位移传感器法：目前采用的位移传感器多数是一种接触型传感器，主要采用应变式位移传感器，必须与测点相接触，其缺点是对于难以接近点无法测量以及对横向位移测量有困难。

(3)加速度计法：尽管高精度加速度计所测量的加速度观测值经过二次积分后能够得到横向和垂向的位移向量，但由于加速度计对桥体低频震荡不敏感，所以通过这种方法得到的位移量是不完整、不连续的。加速度传感器对于低频静态位移鉴别效果差，为获得位移必须对它进行两次积分，精度不高，也无法实时。而大型悬索桥的频率一般都较低。

(4)激光图像法：激光图像法是近年来应用比较广泛的测量挠度仪器，将专用靶标固定待测桥梁被测点，使靶标与桥梁有机的结合起来形成共振，将桥梁震动转换成特定波长的光源震动，通过光学解析系统将待测光信号解析至专用高精度工业CCD，检测靶标在CCD上成像的中心坐标的变化即可精确测量被测桥梁在载荷作用下产生的纵向和横向位移及其对时间的响应曲线。系统的K值(Kx，Ky)，即CCD上每个象素代表的实际位移值，能够在测量之前进行标定。该方法动静态均可测量，对于小挠度、较短的桥梁实施测量比较方便，不足之处在于该设备成本较高，需要在桥梁以外一定范围内选取测量参考点，需要有人值守，并且对于多点同时测量难以实现。

(5)扭角法：扭角测试法由于原理上的缺陷，很少得到推广应用。

(6)GPS法：利用GPS监测大桥位移的特点：各监测站之间是相互独立的观测值；位受外界大气影响小，能够在暴风雨中进行监测；GPS测定位移自动化程度高；GPS定位速度慢、精度低。

显然，目前没有一种监测手段能够同时满足必需的准确性、实时性、同步性、自动化和防护性等多方面要求。因此，开发新型位移传感器，能够兼顾桥梁变形监测的多方面要求，特别是在线实时监测的要求，是十分迫切的任务。

“基于基准传递原理的桥梁挠度测试方法及试验研究”(华北科技学院学报，2010，v07，n2)提出了一种在桥梁的梁体上布设连续连杆的挠度测试方法，在连杆中部安装静、动态两种位移传感器测量与梁体对应位置的相对位移，实现挠度的实时测量。但是，对于动挠度的测量需要修正后才能实现，而且文献对位移传感器的选型以及传感器的安装方法未作任何介绍。

发明内容

本发明针对现有技术无法同时满足实时性、同步性、防护性和准确性等多方面要求的不足，提出一种适用于桥梁变形监测的挠度传感器及挠度测量方法。本发明的挠度传感器基于横向电涡流效应工作，具有精度高、速度快、非接触、低功耗、小体积、防护能力强等突出优点，本发明的挠度测量方法能够用于各种公路、铁路桥梁变形的垂直挠度、水平挠度的测量，并可实现桥梁变形的实时连续监测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种挠度传感器，包括测量板、反射栅和支承臂三个部分组成，其中：测量板固定在桥梁上的任一测点位置上，反射栅固定在支承臂上，支承臂两端固定于桥梁上的两个相邻测点位置上，测量板与反射栅之间保留有间隙。

所述的反射栅，设有均匀排列的金属导体，采用印刷电路板工艺制作。该金属导体排列成两个码道，排列周期即为测量波长。同一码道上的相邻两个金属导体之间的距离为测量波长的一半，不同码道的相邻金属导体之间的距离大于测量波长的一半，不同码道的金属导体的排列的起始位置一致。

所述的金属导体，其数量取决于测量范围，该金属导体的宽度即平行于码道方向的长度为测量波长的一半。

所述的测量板，包括：平面线圈组、测量电路和支架，其中：所述的平面线圈组每个线圈之间互相独立，并分别与测量电路相连。平面线圈组和测量电路固定在支架上。

所述的平面线圈组，采用印制电路板工艺制作，由均匀排列成两个码道的平面线圈组成，相同码道的相邻平面线圈之间的距离为测量波长一半的整数倍，相同码道的平面线圈的中心与反射栅的金属导体的中心相对应，不同码道的相邻平面线圈之间的距离大于测量波长的一半，不同码道的平面线圈的起始位置相差测量波长的四分之一的整数倍。

所述的平面线圈的宽度即平行于码道方向的长度是测量波长一半的整数倍，该平面线圈的长度即垂直于码道方向的长度小于反射栅的金属导体的长度。

所述的测量电路，包含有模拟开关、振荡器、整形电路、测频电路和单片机等组成。在单片机的控制下，平面线圈组通过模拟开关被依次接通，一方面由振荡器产生激励信号加载到平面线圈组上，另一方面平面线圈组产生的信号通过整形电路放大后输出到测频电路，并最终送入单片机进行处理，得到测量结果。

所述的测量电路采用无线传感网络技术，能够将测量结果以无线方式发送到桥梁监控中心，大大减少了传输电缆的铺设与维护。测量电路采用脉冲供电技术，实现了整个电路系统的低功耗；测量电路采用锂电池直接为电路系统供电，彻底摆脱了各个测点之间的数据连线和供电电缆；测量电路采用太阳能电池供电，直接利用太阳能供电，无需人工定期更换电池，完全实现了系统的免维护。

所述的支承臂的长度等于两个测点距离的两倍。

本发明的挠度传感器工作过程如下：当桥梁处于无变形状态时，所有测点的位置处于同一水平线上，此时挠度传感器的测量板和反射栅也均处于原始位置的平衡状态，平面线圈和金属导体处在对称的中间位置，则挠度传感器无信号输出。当桥梁发生变形时，桥梁在每个测点上都将产生大小不等的变形而且具有大小不等的纵向挠度，因此任意一个测点相对前后两个相邻测点的连线都将产生垂直变形和位移。此时，每个挠度传感器的测量板相对于反射栅也产生相对位移，导致测量板的平面线圈和反射栅的金属导体偏离对称的中间平衡位置，因此挠度传感器产生位移信号并输出。在每个测点上，传感器的输出信号通过无线网络直接传输到集控中心。

本发明还涉及一种桥梁变形挠度测量方法，具体如下：

(1)在桥梁的侧面沿着桥梁轴线方向上以两个支撑端点为起始点，等间隔选取测点位置；

(2)以任意三个连续相邻的测点为一组安装本发明的挠度传感器，将测量板固定在对应于这组测点的中间测点位置上，将反射栅固定在支承臂上中间的位置，该支承臂两端固定设置于这组测点的两端侧点位置上，保证测量板与反射栅之间留有一定间隙。

(3)沿着桥梁的轴线布置两个水平的测量线，在同一测量线上的传感器首尾相接，两个水平测量线上的传感器在水平位置上错开一个测点间距，由此保证每个测点都对应一个传感器。

(4)当产生挠曲变形时，每个挠度传感器的反射栅对应于中间测点上的测量板的相对位置发生变化，相应的位移信息即可由测量板得到。该位移即为中间测点相对于两个相邻测点的相对变形挠度。

(5)将全部测点位置处的传挠度感器的测量结果进行汇总，通过计算得到整个桥梁的变形曲线和最大变形挠度值。

与现有技术相比，本发明上述传感器精度高、速度快、非接触、低功耗、小体积、无线设计，能够用于各种公路、铁路桥梁变形的垂直挠度、水平挠度的测量。

附图说明

图1为本发明的挠度传感器的组成原理示意图。

图2为本发明的挠度传感器的结构示意图。

图3为本发明的挠度测量方法示意图。

图4为桥梁变形时挠度传感器的变化示意图。

图中：1为测量板，2为反射栅，3为支承臂，4为金属导体，5为反射栅底板，6为平面线圈组，7为测量电路，8为支架，9为桥梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为本实施例的挠度传感器组成示意图。所述的挠度传感器包括：测量板1、反射栅2和支承臂3，其中：测量板1固定在桥梁的测点i的位置上，反射栅2固定在支承臂3的中间位置上，支承臂3两端分别固定设置于相邻的两个测点i-1和i+1的位置上。

如图2所示为本发明的挠度传感器的实施例结构示意图。

所述的反射栅2由金属导体4和反射栅底板5组成，金属导体4通过胶粘或者螺钉固定在反射栅底板5上。金属导体4均匀排列成两个码道，排列周期即为测量波长λ，同一码道上的相邻两个金属导体4之间的距离为测量波长λ的一半，不同码道的相邻金属导体4之间的距离大于测量波长λ的一半，不同码道的金属导体4的排列的起始位置一致。

所述的金属导体4的数量取决于测量范围，该金属导体4的宽度即平行于码道方向的长度为测量波长λ的一半。

所述的测量板1，包括：平面线圈组6、测量电路7和支架8，其中：平面线圈组6采用印制电路板工艺制作，相互独立并分别与测量电路7连接。平面线圈组6和测量电路7通过胶粘或者螺钉固定在支架8上。

所述的平面线圈组6由均匀排列成两个码道的平面线圈组成，同一码道上的相邻平面线圈之间的距离为测量波长λ一半的整数倍，不同码道的相邻平面线圈之间的距离大于测量波长λ的一半，不同码道的平面线圈的起始位置相差测量波长λ的四分之一的整数倍。

所述的平面线圈的宽度即平行于码道方向的长度是测量波长λ一半的整数倍，该平面线圈的长度即垂直于码道方向的长度小于反射栅2上的金属导体4的长度。

具体实施例：当测量波长λ取5mm时，测量板1的平面线圈的宽度也为测量波长λ的一半，即2.5mm，长度可为8mm。测量板1每个码道各采用两个平面线圈，相同码道的相邻平面线圈相距1/2测量波长λ的整数倍，本实施例设为2.5mm。不同码道的平面线圈之间的距离大于测量波长λ的一半，本实施例设为4mm。不同码道的平面线圈的起始位置相差测量波长λ的四分之一，即相差为1.25mm。在反射栅2的金属导体4的宽度为测量波长λ的一半，即为2.5mm，长度设为12mm。

假定桥梁变形垂直挠度测量范围为10mm，采用5个金属导体4，平面线圈组的总长度为金属导体4的总长度为

实际测量范围为 $2\frac{1}{4}\mathrm{\λ}=11.25\mathrm{mm}.$

所述的测量电路7采用无线传感网络技术，能够将测量结果以无线方式发送到侨联监控中心，大大减少了传输电缆的铺设与维护。测量电路7采用脉冲供电技术，实现了整个电路系统的低功耗；测量电路7采用锂电池直接为电路系统供电，彻底摆脱了各个测点之间的数据连线和供电电缆；测量电路7采用太阳能电池供电，直接利用太阳能供电，无需人工定期更换电池，完全实现了系统的免维护。

所述的支承臂3的长度等于两个测点距离的两倍。

如图3所示为桥梁变形侧纵向挠度测量方法示意图。在桥梁9的侧面沿着桥梁轴线方向上以两个支撑端点为起始点，等间隔选取测点位置，测点间隔为L。

以任意三个连续相邻的测点为一组安装本发明的挠度传感器，将测量板1固定在对应于这组测点的中间测点位置上，将反射栅2固定在支承臂3上中间的位置，支承臂3两端固定设置于这组测点的两端侧点位置上，保证测量板1与反射栅2之间留有一定间隙。

沿着桥梁9的轴线布置两个水平的测量线I与II，在同一测量线上的挠度传感器首尾相接，两个水平测量线上的挠度传感器在水平位置上错开一个测点间距，由此保证每个测点都对应一个挠度传感器。

当桥梁9产生挠曲变形时(如图4所示)，每个挠度传感器的反射栅2对应于中间测点上的测量板1的相对位置发生变化，相应的位移信息即可由测量板1得到。该位移即为中间测点相对于两个相邻测点的相对变形挠度。将全部测点位置处的传挠度感器的测量结果进行汇总，通过计算得到整个桥梁9的变形曲线和最大变形挠度值。

本发明提出的基于电涡流效应的桥梁变形挠度传感器具有精度高、速度快、非接触、无磨损、防护墙的优点，基于这种挠度传感器本发明提出的挠度测量方法可将动静态测量功能集为一体，可实时监测桥梁的挠度变化，可直接将测量结果绘制时程曲线而不用任何修正。此外，该传感器是基于电磁感应原理非接触式实现测距，方便安装且不受天气灰尘等影响，适合长期工作。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于桥梁变形监测的挠度传感器，其特征在于：传感器包括测量板、反射栅和支承臂三个部分，测量板固定在桥梁的测点位置上，反射栅固定在支承臂上中间位置，支承臂两端固定设置于相邻的两个测点；所述的反射栅设有均匀排列的金属导体，所述的测量板中设有平面线圈组；当桥梁处于无变形状态时，所有测点的位置处于同一水平线上，测量板和反射栅均处于原始位置的平衡状态，平面线圈和金属导体处在对称的中间位置；当桥梁发生变形时，测量板相对于反射栅产生相对位移，测量板的平面线圈和反射栅的金属导体偏离对称的中间平衡位置，挠度传感器产生位移信号并输出；

所述的反射栅包括金属导体和反射栅底板组成，所述金属导体固定在反射栅底板上；所述的金属导体排列成两个码道，排列周期即为测量波长；同一码道上的相邻两个金属导体之间的距离为测量波长的一半的整数倍，不同码道的相邻金属导体之间的距离大于测量波长的一半，不同码道的金属导体的排列的起始位置一致。

2.根据权利要求1所述的用于桥梁变形监测的挠度传感器，其特征是：所述的金属导体的宽度即平行于码道方向的长度为测量波长的一半。

3.根据权利要求1所述的用于桥梁变形监测的挠度传感器，其特征是：所述的测量板包括平面线圈组、测量电路和支架，其中：所述的平面线圈组中每个线圈之间互相独立，并分别与测量电路相连，平面线圈组和测量电路固定在支架上。

4.根据权利要求1或3所述的用于桥梁变形监测的挠度传感器，其特征是，所述的平面线圈组由均匀排列成两个码道的平面线圈组成，相同码道的相邻平面线圈之间的距离为测量波长一半的整数倍，相同码道的平面线圈的中心与反射栅的金属导体的中心相对应，不同码道的相邻平面线圈之间的距离大于测量波长的一半，不同码道的平面线圈的起始位置相差测量波长的四分之一的整数倍，该平面线圈的宽度即平行于码道方向的长度是测量波长一半的整数倍，该平面线圈的长度即垂直于码道方向的长度小于反射栅的金属导体的长度。

5.根据权利要求1或3所述的用于桥梁变形监测的挠度传感器，其特征是，所述的支承臂的长度等于两个测点距离的两倍。

6.根据权利要求3所述的用于桥梁变形监测的挠度传感器，其特征是，所述的测量电路采用无线传感网络技术，将测量结果以无线方式发送到桥梁监控中心。

7.一种采用上述1-6任一项所述传感器进行的桥梁变形挠度测量方法，其特征在于：所述挠度传感器设置于两个水平的测量线上，在同一水平测量线上的传感器首尾相接，两个水平测量线上的传感器在水平位置上错开一个测点间距。

8.根据权利要求7所述的桥梁变形挠度测量方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）在桥梁的侧面沿着桥梁轴线方向上以两个支撑端点为起始点，等间隔选取测点位置；

（2）以任意三个连续相邻的测点为一组安装所述挠度传感器，将测量板固定在对应于这组测点的中间测点位置上，将反射栅固定在支承臂上中间的位置，该支承臂两端固定设置于这组测点的两端侧点位置上，保证测量板与反射栅之间留有间隙；

（3）沿着桥梁的轴线布置两个水平的测量线，在同一测量线上的传感器首尾相接，两个水平测量线上的传感器在水平位置上错开一个测点间距，由此保证每个测点都对应一个传感器；

（4）当产生挠曲变形时，每个挠度传感器的反射栅对应于中间测点上的测量板的相对位置发生变化，相应的位移信息即可由测量板得到，该位移即为中间测点相对于两个相邻测点的相对变形挠度；

（5）将全部测点位置处的传挠度感器的测量结果进行汇总，通过计算得到整个桥梁的变形曲线和最大变形挠度值。

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