CN102564323B - 基于四象限位置探测器测试桥梁挠度/纵向位移变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四象限位置探测器测试桥梁挠度/纵向位移变化的方法，其特征在于：首先将四象限位置探测器装在桥梁的中心位置或桥面底部其它待测点，将激光光源通过电移台装在桥墩和/或桥面下某点上，然后通过用四象限探测器与激光光源相配合进行测试，使激光的光斑正对探测器中心。当桥梁桥面发生挠度变化时，四象限探测器随被测点一起发生纵向位置移动，激光在四象限探测器上形成的光斑位置相对于探测器往相反的方向移动，计算出桥梁发生挠度变化前后光斑在探测器上的不同位置坐标，以及在四象限探测器上的光斑位置变化量即为桥面上被测点的挠度位置变化量。本发明结构简单、可控性好，精度高，能够实现对桥梁挠度/纵向位移的实时在线测试。

Description

基于四象限位置探测器测试桥梁挠度/纵向位移变化的方法

技术领域

本发明涉及用光学装置勘探或探测，尤其涉及一种用四象限位置探测器测试桥梁挠度变化的方法。

背景技术

桥梁作为交通网络的重要联接设施在我国的交通运输和经济发展中有着极其重要的位置。在桥梁的建造过程中，由于桥梁结构设计、施工建造的不合理和管理力度的不严格；以及在桥梁的运行过程中，由于地质状况、风力的变化，水位上升,空气,温度,地震等自然因素的影响及桥梁自身的载重和桥梁满负荷的运行状况下所产生的动态载重，使得桥梁不可避免的会产生各种形变损伤，甚至是发生桥梁坍塌和断裂。由于这些诸多不利的因素的存在，使得桥梁的建设和维护方面都存在极大的安全隐患，以致近年来桥梁坍塌的事故频繁出现，给人们的生命财产带来极大的威胁。而桥梁挠度的变化量是检测大型桥梁运行状况的常用度量参数，是设计桥梁健康监测系统的重要组成部分。在桥梁自身载重或载荷的作用下，桥面各处将发生弯曲变形，桥梁桥面各点挠度的变化量，直接反映了桥梁结构的竖向整体刚度。因而基于测量桥梁挠度的变化值可以得到桥梁竖直方向的变形曲线，从而判断出桥梁当前是否处于安全状态下。目前国内外的桥梁挠度测量方法有很多，概括起来可以分为以下两大类。一类是全人工读数方法：①百分表测量法②经纬仪法。采用经纬仪来测量是目前国内应用最为普遍的一种方法。以上两种方法只能测量桥梁的静态位移偏移量，测量精度低，对测量人员要求高，无法完成现场的自动测量。另一类是自动测量方法，包括①桥梁的倾角测量法、②光电成像和摄像法、③光电分光成像和高速线阵CCD法、④利用连通管测量⑤和利用GPS进行桥梁测量的方法。以上五种挠度测量方法都能完成挠度自动测量。但采用倾角仪和GPS测量挠度，存在着精度低的缺点，测量精度一般只能达到厘米级。而且用倾角仪进行挠度测量时，对各倾角仪之间的相位差、倾角仪的瞬态反应、倾角仪零漂等的要求较高。利用光电成像和CCD摄像法测量挠度精度很高，但在测量时需要复杂的对准调整机构和过程，操作复杂，且在强光时，需要使用遮光装置。尽管光电分光成像和高速线阵CCD法通过采用单色光可以在白天工作，但在同时发生多个方向的变形时，会出现采集不到信号的情况。另外由于CCD尺寸的限制，在测量系统不加其他放大环节的情况下，测量范围非常有限。两者均属于开放式系统，容易受到灰尘、雾气的影响，不能进行长期在线测量。连通管式挠度测量系统采用全封闭结构，不怕桥梁现场的高尘、高湿和浓雾，可以长期在线使用。但目前普遍采用超声波液位检测计进行液位检测来完成挠度测量，测量精度比较低，仅为厘米级。通过比较以上几种桥梁挠度测量方法，可以知道目前现有的挠度测量方法都无法满足桥梁挠度测量的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种精度高、实时性好、易安装，可以精确的检测出桥梁挠度变化值的一种方法。四象限探测器本身的特点使得系统在测量的同时还能获得被测点的横向位移，实现二维测量。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

发明的基本思路是将激光光源安装于桥梁固定位置处，四象限位置探测器安装于桥梁中心位置或其它被测点。当桥梁桥面发生挠度变化时，四象限探测器随被测点一起发生纵向位置移动，激光在四象限探测器上形成的光斑位置相对于探测器往相反的方向移动，记录下桥梁发生挠度变化前后光斑在探测器上的不同位置坐标，在四象限探测器反映出的光斑位置变化量即为桥面上被测点的挠度位置变化量。

用四象限位置探测器测试桥梁挠度方法的主要工艺过程包括下述步骤：

(1)将四象限探测器安装在桥梁底部的中心位置或其它被测点处，保证四象限探测器垂直于桥梁底面，同时也保证四象限探测器的光敏面垂直正对激光光源。

(2)根据待测桥梁孔径大小的不同，将激光光源通过电移台安装在桥梁的桥墩上或桥面底部。

（2.1）当待测桥梁孔径≤300m时，将激光光源通过电移台安装在桥墩上；

（2.2）当待测桥梁孔径＞300m时，将激光光源安装在桥面下的被测点上。

(3)根据桥梁挠度变化范围的大小，用四象限探测器进行挠度测量和/或将四象限探测器与电移台相配合进行挠度测量。

（3.1）当挠度变化小，激光光源与桥面水平方向重合和/或平行而未形成夹角α时，由四象限探测器计算出桥梁在K时刻(挠度变化前)光斑的纵向坐标值yk,在K+1时刻（挠度变化后）光斑的纵向坐标值yk+1，则Δy=yk+1-yk即为桥梁在此时刻的挠度变化值。

(3.2)当桥梁挠度变化范围过大，发生挠度变化后光斑不能再次打在光敏面上，通过调节控制电移台使得光源可以在电移台上自动的上下移动，使光斑再次打在光敏面的初始位置处，计算出电移台移动的距离值，这个距离值就是这种情况下桥梁的挠度变化值。

(3.3)当光源安装在桥面底部的待测点处，发生挠度变化时光源的入射方向与水平方向存在一个角度α，此时的挠度值应按下述步骤计算；

(3.3.1)计算求出发生挠度时光源处产生的角度值α；

(3.3.2)计算出发生挠度变化后电移台的上端点距变化前桥平面的距离值h1；

(3.3.3)计算出发生挠度变化后四象限探测器端点距变化后电移台上端点的距离值h2；

(3.3.4)将所述步骤(3.3.2)与所述步骤(3.3.3)的两个距离值h1+h2求和，即为光源安装在桥面待测点时桥梁的挠度变化值。

本发明的作用原理是：本发明者研究发现基于四象限位置探测器测试装置能有效地测量出桥梁的挠度变化值。当桥梁桥面发生挠度变化时，四象限探测器随被测点一起发生纵向位置移动，激光光源在四象限探测器上形成的光斑位置相对于探测器向相反方向移动，四象限探测器反映的光斑位置变化量即为桥面上被测点的挠度位置变化量。基于四象限探测器的挠度测试方法具有<0.02mm的高分辨率和<0.1mm的高测试精度，保证该测试系统能达到较好的准确性测量。当光斑打在探测器的光敏面上时，四象限探测器能够根据自身的计算公式准确的计算出光斑在探测器上面的位置值。四象限探测器本身的特点使得系统在进行挠度测量的同时还能获得被测点的横向位移，实现二维测量，当遇到大风等状况桥梁发生横向位移时，四象限探测器同样可以计算出桥梁的横向位移偏移量，从而保证桥梁的健康运行。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点及效果：

（1）本装置中使用的四象限探测器是工程中实际应用的一种非常好的测量仪器，其测量的精度极高，具有<0.02mm的高分辨率和<0.1mm的高测试精度。高精度性是其它形式的仪器不可替代的。在对各种大跨径、大挠度的桥梁进行监测时仍能保证较高的精度。四象限探测器具有高频测量的能力，这不仅保证了挠度测试的准确性，且当桥梁在载荷作用下产生振动时，也能捕获瞬态的高频挠度变化特性，以实时监控桥梁的安全状态。

（2）本监测装置对环境的依赖性很小，在大风、暴雨天、阴天、夜间都能保证测量的准确性与精确性。在对跨河桥、跨线桥、跨峡谷桥梁和其它高架桥的挠度进行测量时优势更加明显，有效的弥补了其它测量方面因为环境的影响而造成的测量精度降低。

（3）本装置通过调节光源在高精度电移台上的位置可以实现大范围的挠度测量。对大跨度孔径的桥梁也能起到良好的检测作用。

（4）本监测装置实现了远程的实时监测，无需人工参与，受到人为因素和仪器本身影响很小。本装置成本低、安装方便、可以长期运用于桥梁监测。

附图说明

本发明有附图4幅，其中：

图1为本发明的测量原理示意图；

图2为桥梁的跨度孔径在300m以内，把光源安装在桥墩处的桥梁监测示意图；

图3为桥梁的跨度孔径超过300m以上，把光源安装在桥面底部待测点（不在桥墩）的桥梁监测示意图；

图4为本发明测量方法的流程图。

在图中：1.桥墩，2.电移台，3.激光光源，4.桥梁，5.四象限位置探测器，6.光斑。

具体实施方式

如图1～图4所示。一种基于四象限位置探测器测试桥梁挠度及纵向位移变化的方法，其特征在于：将激光光源安装于桥梁规定位置处，四象限位置探测器安装于桥梁中心位置或其它被测点。当桥面发生挠度变化时，四象限探测器随被测点一起发生纵向位置移动，激光在四象限探测器上形成的光斑位置相对于探测器往相反方向移动，记录下桥梁发生挠度变化前后光斑在探测器上的不同位置坐标，在四象限探测器反映出的光斑位置变化量即为桥面上被测点的挠度位置变化量。

下面结合图1对其测量过程进行具体描述：

将光源的光斑垂直打在四象限探测器的光敏面上，由于四象限探测器的本身特性将光信号转化为电流信号输出，再根据探测器的位置计算公式（1）可以将光斑在光敏面的位置值求出。计算公式（1）为：

$X=k\frac{(I_1+I_4)-(I_2+I_3)}{I_1+I_2+I_3+I_4}$

$Y=k\frac{(I_1+I_2)-(I_3+I_4)}{I_1+I_2+I_3+I_4}$

I₁,I₂,I₃,I₄-分别代表四象限探测器各象限输出的电流值；

K-与四象限探测器特性有关的常数

假设在k时刻采样时（桥梁发生挠度变化前）光斑中心位于探测器的中心位置坐标为（xk、yk），第k+1时刻采样时（桥梁发生挠度变化后）光斑中心在探测器的坐标位置为（xk+1、yk+1）。那么两次采样之间光斑中心的相对偏移量为yk+1-yk，因为在发生挠度变化时四象限探测器的位置随被测点一起向下移动，而光源的位置不发生变化，此刻光斑在探测器光敏面上的位置相当于向相反方向移动。所以两次采样之间光斑中心的相对偏移量yk+1-yk即为桥梁挠度的变化值。

实施例1

如图2所示。桥梁4的跨度孔径在300m以内，把四象限探测器5固定在桥梁4的中间位置处，把激光光源3通过电移台2安装在桥墩1处，进行挠度值的测量。保证激光的光斑6垂直打在四象限探测器5的光敏面上。在K时刻（桥梁发生挠度变化前）光斑6打在四象限探测器5的中心位置处，在K+1时刻（桥梁发生挠度变化后）由于桥梁4的挠度变化过大，光斑6打不到四象限探测器5的光敏面上，这时是通过控制电移台2调节光源3的位置，使光斑6再次打在四象限探测器5的光敏面中心。通过测量求出电移台2移动的距离H。这个H值即为当前情况下桥梁的挠度变化值。

实施例2

如图3所示。把四象限探测器5固定在桥梁4的中间位置处，把激光光源3固定在离四象限探测器5适当的距离处以保证测量的精度。桥梁4发生挠度变化时待测点的挠度值为H=h1+h2，其中h1为桥梁4发生挠度变化时电移台2处的挠度变化值，h2为桥梁4发生挠度变化时四象限探测器5位置处相对于电移台2位置处挠度的变化值。由于电移台2离桥墩1处有一定的距离，所以桥梁4发生挠度变化后桥梁4端点与桥面会产生一个角度α，电移台2与原来竖直方向会产生一个角度α；同样，激光光源与原来的水平方向也会产生一个角度α。挠度变化前激光光斑6打在四象限探测器5中心A点处，挠度变化后激光光斑6打在四象限探测器5B点处，通过四象限探测器光斑位置的计算公式可以得出B点的坐标值。通过电移台2移动激光光源3的位置使光斑6刚好打到四象限探测器5的中心位置O点处，求出O点的坐标，通过计算求出B、O两点间的距离值h4，测量出激光光源3在电移台2上的移动距离L1。由公式α=arccos(L1/h4)就可以求出偏移角度α的值。电移台2距桥墩1的距离为s1，由公式h1=s1*tanα，就可以把桥梁1发生挠度变化时电移台2处的挠度变化值h1求出。电移台2距四象限探测器5的距离为s2，根据公式h3=s2*tanα可以把BC两点的距离h3求出，再由公式h2=h3-h4得出OC两点间的距离h2即为桥梁4发生挠度变化时四象限探测器5处相对于电移台2位置处挠度的变化值h2。桥梁中心处的实际挠度值H=h1+h2即为求出。

Claims (1)

1.一种基于四象限位置探测器测试桥梁挠度的方法，其特征在于包括下述步骤：

1.1将四象限探测器（5）安装在桥梁（4）底部的中心位置或其它待测点处，保证其垂直于桥梁（4）底面，使其光敏面垂直正对激光光源（3）；

1.2根据待测桥梁（4）孔径大小的不同，将激光光源（3）通过电移台（2）安装在桥梁（4）的桥墩上或桥面底部；

1.2.1当待测桥梁孔径小于300m时，将激光光源（3）通过电移台（2）安装在桥墩上；

1.2.2当待测桥梁孔径大于300m时，将激光光源（3）通过电移台（2）安装在桥面下的被测点上；

1.3根据桥梁挠度变化范围的大小采用四象限探测器和/或将四象限探测器与电移台相配合进行挠度测量；

1.3.1当挠度变化范围小，激光光源（3）与原桥面水平方向重合和/或平行而未形成α角时，由四象限探测器（5）计算出桥梁在挠度变化前的K时刻光斑的纵向坐标值yk,及在挠度变化后的K+1时刻光斑的纵向坐标值yk+1，并按Δy=yk+1-yk计算桥梁在此时刻的挠度变化值；

1.3.2当桥梁挠度变化范围过大，发生挠度变化后光斑不能打在光敏面上，通过调节控制电移台（2）使激光光源（3）在电移台（2）上自动上下移动，并使光斑（6）再次打在光敏面的初始位置处，计算出电移台（2）移动的距离值，此值即为这种情况下的挠度变化值；

1.3.3当激光光源（3）安装在桥面底部的某点处，发生挠度变化时激光光源（3）的入射方向与水平方向形成一个角度α，此时的挠度值应按下述步骤计算：

1.3.3.1计算求出发生挠度时激光光源（3）处产生的角度值α；

1.3.3.2计算出发生挠度变化后电移台（2）的上端点距发生变化前桥平面的距离值；

1.3.3.3计算出发生挠度变化后四象限探测器（5）上端点距变化后电移台（2）上端点的距离值；

1.3.3.4将所述步骤1.3.3.2与1.3.3.3的两个距离值求和，即为激光光源安装在桥面待测点时桥梁的挠度变化值。

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