CN104330037B - 一种激光投射式锚碇结构位移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光投射式锚碇结构位移监测装置及方法，包括线激光器、第一、第二图像采集装置，两图像采集装置均由激光光线接收靶和摄像设备构成，由摄像设备捕捉激光光线在接收靶上形成的光斑。第一图像采集装置设置在待测索股上，线激光器和第二图像采集装置安装于待测索股两侧。两摄像设备的输出接微系统，微系统用于对光斑图像进行实时采集、监测、长期存储和分析。待测索股上安装有参照索股，附加线激光器的激光经过参照索股在第二激光光线接收靶上形成附加线激光器投射光斑。本发明不仅实现了锚碇和索股的结构位移监测，而且有效的消除了线激光器的扭转误差。此外，也能够消除待测索股的形变量，因此测量精度高。

Description

一种激光投射式锚碇结构位移监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于悬索桥锚碇和索股结构位移监测的装置及方法，尤其涉及一种利用激光和位移差值法进行锚碇结构位移监测的装置及方法，属于桥梁监测技术领域。

背景技术

悬索桥是最常用的特大型、大型桥梁桥型之一，这些大型桥梁都处于各个交通要道，投资巨大，投资和维护费用为各种桥型之冠。运营过程中，车流量很大，负荷繁重，对国民经济建设具有不可低估的重要意义。这些桥梁一旦发生安全事故，对于国家的经济建设和社会的稳定都将造成严重的后果。由于悬索桥锚碇承受着来自主缆的水平力和竖向反力，是主要承载结构之一。一旦锚碇结构发生破坏，会造成桥毁人亡的特大事故，后果不堪设想。

隧道式锚碇必须埋置在工程地质条件较好的围岩中，因此在运营过程当中围岩的稳定性至关重要。水蚀环境会降低隧道式锚碇围岩与重力式锚碇基础的稳定性，改变锚碇的受力与变形，导致锚室开裂与偏位、锚头与散索鞍锈蚀等病害的发生，进而影响桥梁结构的运营安全。因此，针对水蚀环境下的悬索桥锚固区进行安全监测十分必要，需要针对悬索桥锚固区，开展监测与技术状况评价、预警技术与装置研发。

悬索桥锚固区的受力与变形采集对评判桥梁的技术状况至关重要。对结构应力进行监测，需要布设许多应变片或光纤、智能传感器，成本很高；而对结构位移进行监测，只需在锚固区中布设少数控制点就可以反演锚碇结构的受力与损伤情况。

目前有三种方法和装置对锚固区的位移进行监测：利用激光进行锚碇结构位移监测的方法（201210399733.8）、利用压力差进行锚锭结构位移监测的方法（201210394633.6）和一种锚碇结构位移监测装置及方法（201410096725.5）。其中利用激光进行锚碇结构位移监测的方法，随着测量时间的延长激光器调节支架会发生扭转，导致光斑形状和位置产生改变，对监测结果造成较大误差；利用压力差进行锚锭结构位移监测的方法不适用于较深的隧道，当压力差量程增大时，监测精度会随之降低；利用位移差值法进行锚碇位移监测的装置及方法安装调试困难、实用性差、稳定性差，不适合长期监测。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、实用性强、测量精度高，且可长期、远距离监测的锚碇结构位移监测的装置及方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种激光投射式锚碇结构位移监测装置，包括线激光器、第一图像采集装置和第二图像采集装置，第一图像采集装置和第二图像采集装置均由激光光线接收靶和摄像设备构成，激光光线接收靶位于摄像设备镜头端，由摄像设备捕捉线激光器发出的激光光线在激光光线接收靶上形成的光斑；第一图像采集装置设置在与锚碇垂直的待测索股上，线激光器和第二图像采集装置分别固定安装于待测索股两侧；两图像采集装置的激光光线接收靶的靶面相互平行；两摄像设备的输出接微系统，微系统用于对光斑图像进行实时采集、监控、长期存储和分析。所述微系统通过Internet或移动通信网络连接并把实时健康状态传输到终端设备，终端设备为服务器终端、移动设备终端、地图导航、桥梁健康状态实时反馈仪、交通信息网。

一种激光投射式锚碇结构位移监测方法，本方法采用前述的激光投射式锚碇结构位移监测装置，具体监测步骤如下：

1）将线激光器固定安装在地面上，第一激光光线接收标靶固定安装在索股上，第二激光光线接收标靶固定安装在锚室顶部；

2）开启线激光器，调整激光光线、第一激光光线接收靶和第二激光光线接收靶，使激光光线投射到第一激光光线接收靶和第二激光光线接收靶的靶面；

3）根据激光光斑在两接收靶上的光斑位移计算锚碇在受力方向上的位移：

3.1）通过检测，获得激光光斑在第一激光光线接收靶和第二激光光线接收靶的靶面上相对安装初始位置沿靶面移动的位移分别为 和；

3.2）将每次采集的位移和带入索股位移计算公式：，即可计算出索股的位移，其中N为线激光器固定点到第二激光光线接收靶靶面的距离与线激光器固定点到第一激光光线接收靶靶面的距离的比值，由于所测索股与锚固面相互垂直，位移即为锚碇的位移。

作为本发明的一种优先方案，加入了基准对比装置，在待测索股上通过连接固定装置固定安装有参照索股，在待测索股一侧设有与线激光器同侧的附加线激光器，附加线激光器用于将投射光线经过参照索股投射到第二图像采集装置的激光光线接收靶上，以形成附加线激光器投射光斑；测量附加线激光器初始投射光斑和实际投射光斑的长度，得到附加线激光器投射光斑在第二激光光线接收靶上的长度变化量，该长度变化量是由于参照索股的形变带来的；该长度变化量除以参照索股被测段长度与第一激光光线接收靶固定点到锚固面段索股长度的比值，即得第一激光光线接收靶固定点到锚固面段的索股总形变量；从而可以计算出锚碇的真实位移为：。

作为本发明的另一种优先方案，所述线激光器和图像采集装置可以为多个，形成一个监测面，实现对锚碇及索股整体形状变形的监测。

本发明的有益效果是：

1、利用激光和位移差值法对锚碇结构位移进行监测，可以直接有效的消除因线激光器调节支架的扭转产生的误差（即线激光器自身发生扭转后，导致激光光线接收靶上光斑产生的位移，就是公式中的减去的部分），线激光器和图像采集装置可选布设地点多且易安装。

2、本发明也能够消除待测索股自身因为拉力、温湿度等带来的形变量，因此得到的是锚碇结构真实位移情况，测量精度高。

3、通过本发明得到的锚碇结构实时位移情况，可得到锚固区的蠕动频率、幅度和长期走势等相关数据，监测精度高，监测速度快，可直接与网络连接，达到物联网的要求。

4、本发明方法简单，成本低，监测安装方便，使用时限长。

附图说明

图1-本监测装置安装结构示意图；

图2-本监测装置安装原理示意图。

图3-线激光器移动前后投射状态示意图。

图4-线激光器未扭转情况下索股移动前后的结构示意图。

图5-线激光器在拉力反方向发生扭转情况下索股移动前后的结构示意图。

图6-线激光器在拉力方向发生扭转情况下索股移动前后的结构示意图。

图7-本发明参照基准装置安装示意图。

图中： 1—锚固区；2—主缆；3—索股；4—线激光器；5—激光光线；6—第一图像采集装置；7—第二图像采集装置；8—锚室顶部投影光线；9—第二激光光线接收靶；10—第二摄像设备；11—索股所受主缆拉力方向；12—第二激光光线接收靶的初始光斑；13—线激光器移动前的投射状态；14—线激光器移动后的投射状态；15—第一激光光线接收靶光斑位移；16—第二激光光线接收靶光斑位移；17—第一激光光线接收靶；18—第一激光光线接收靶的初始光斑；19—第一激光光线接收靶移动后的光斑；20—激光器移动后第二激光光线接收靶光斑；21—锚室顶部；22—锚室底部；23—附加线激光器；24—附加线激光器投射光线；25—连接固定装置；26—附加线激光器投射光斑；27—参照索股。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

参见图1和图2，从图上可以看出，本发明激光投射式锚碇结构位移监测装置，包括线激光器4、第一图像采集装置6和第二图像采集装置7，其中第一图像采集装置6由第一激光光线接收靶17和第一摄像设备组成，第一激光光线接收靶17设于第一摄像设备镜头端。第二图像采集装置7由第二激光光线接收靶9和第二摄像设备10组成，第二激光光线接收靶9设于第二摄像设备10镜头端。第一图像采集装置6设置在与锚碇垂直的待测索股3上，线激光器4和第二图像采集装置7分别固定安装于待测索股两侧，实际设置时，线激光器4安装在锚室底部22，第二图像采集装置7安装在锚室顶部21。两图像采集装置的激光光线接收靶的靶面相互平行。线激光器4发出的激光光线5分别投射到第一图像采集装置6和第二图像采集装置7对应的靶面上，形成了各自的光斑，该光斑由对应的摄像设备捕捉，然后第一摄像设备和第二摄像设备10的输出接微系统，微系统用于对采集的光斑图像移动情况进行实时接收、监控、长期存储和分析，从而得出锚碇结构位移。图中标号1为锚固区；2为主缆；8为锚室顶部投影光线。

由于索股受拉力、温度、湿度等因素变化影响，所测索股3会发生微小形变，为了提高装置测量精度，本发明加入了基准对比装置组件。如图7所示，在待测索股3上通过连接固定装置25固定安装有参照索股27，在待测索股一侧设有与线激光器同侧的附加线激光器23，附加线激光器23用于将投射光线24经过参照索股27投射到第二激光光线接收靶9上，以形成附加线激光器投射光斑26。因为参照索股27和待测索股3的变形是同步的，附加线激光器投射光斑26的长度变化量即为参照索股27的形变量，参照索股27的形变量一旦得知，由于参照索股和待测段索股的长度已知，因此通过两者的比例关系即可计算出待测段索股的形变量，将得到的待测索股的位移量减去待测段索股的形变量，即得到待测索股真实位移。其中，待测段索股为第一激光光线接收标靶固定点到锚固面段索股。

所述微系统通过Internet或移动通信网络连接并把实时健康状态传输到终端设备，实现数据的远程实时接收、存储和分析。所述终端设备可以是服务器终端、移动设备终端、地图导航、桥梁健康状态实时反馈仪、交通信息网等，达到桥梁健康监测与物联网相结合受益民众的目的。

所述线激光器和图像采集装置可以为多个，形成一个监测面，实现对锚碇及索股整体形状变形的监测。

本发明利用激光进行锚碇结构位移监测装置主要针对隧道式锚碇，如果其他锚碇方便设备的安装，也可以进行监测。

本发发明利用激光和位移差值法进行锚碇结构位移监测的方法，包括如下步骤：

1）将线激光器4固定安装在锚室底部22某处，第一图像采集装置6固定安装在索股3上，第二图像采集装置7固定安装在锚室顶部21，且第一激光光线接收靶17靶面平行于第二激光光线接收靶9靶面。

2）开启线激光器4，调整激光光线5、第一激光光线接收靶17和第二激光光线接收靶9，使激光光线5垂直投射到第一激光光线接收靶17靶面和第二激光光线接收靶9靶面上。

3）根据第一激光光线接收靶17和第二激光光线接收靶9上的光斑位移差计算索股3所受拉力方向上的位移：

3.1）由于第一图像采集装置6固定安装在索股3上，当索股3在受力变化而发生前后蠕动时，第一图像采集装置6的靶面随之前后移动，激光光线5在第一激光光线接收靶17上所投光斑也随之发生移动；

3.2）随着时间的推移，由于线激光器固定支架的扭转，导致线激光器4会发生偏移。如图3所示，当线激光器4发生扭转，而索股3未发生位移时，激光光线5在第一激光光线接收靶17和第二激光光线接收靶9的靶面分别发生了位移：第一激光光线接收靶光斑位移15和第二激光光线接收靶光斑位移16；其中标号13为线激光器移动前的投射状态，标号14为线激光器移动后的投射状态。由相似三角形定理“平行于三角形一边的直线截其它两边所在的直线，截得的三角形与原三角形相似”得。设定相似比为1：N，N为线激光器4固定点到第二激光光线接收靶9靶面的距离与线激光器4固定点到第一激光光线接收靶17靶面的距离的比值，N为正数，则第一激光光线接收靶光斑位移15的大小，与第二激光光线接收靶光斑位移16的大小的比也为1：N。即线段的长度与线段的长度的比为1：N。

3.3）在一定的检测频率内，对光斑在第一激光光线接收靶17的靶面上沿靶面移动的位移和光斑在第二激光光线接收靶9的靶面上位移进行采集（设定一定的监测周期或者频率，如20HZ，则每秒对光斑位移进行20次采集和计算）；

3.4）将每次采集的位移和带入索股3受力方向的位移的计算公式：，计算出索股在所受主缆拉力方向11的位移。其中位移即是由于线激光器4发生扭转，导致光斑在第一激光光线接收靶17的靶面上的位移，因为第二激光光线接收靶位置固定，不随索股位移而位移，如果第二激光光线接收靶上的光斑出现位移，即表明线激光器4发生了位移，该位移在第一激光光线接收靶17的靶面上的体现就是，所以需要剔除。

3.4.1）如图4所示，索股3发生位移，线激光器4未发生位移，此时为零，前面的索股位移计算公式即简化为。图中标号18为第一激光光线接收靶的初始光斑；标号19为第一激光光线接收靶移动后的光斑，位移；

3.4.2）如图5、6所示，索股3和线激光器4都发生位移时，此时不为零，需要剔除，可得索股在所受主缆拉力方向11的位移：。图中标号18为第一激光光线接收靶的初始光斑；标号19为第一激光光线接收靶移动后的光斑，第一激光光线接收靶面上的光斑位移为；图中标号12为第二激光光线接收靶的初始光斑，标号20为激光器移动后第二激光光线接收靶光斑，第二激光光线接收靶面上的光斑位移为，该位移完全是由于激光器移动产生的，通过比例换算，相当于由于线激光器移动在第一激光光线接收靶面上产生的光斑位移为，因此需要剔除。

4）由于所述索股3与锚固区1的表面垂直，索股在所受主缆拉力方向11的位移，即为锚碇在所受索股拉力方向的位移。通过该位移，可以获得锚固区1的蠕动频率、幅度、长期走势等相关数据。

由于索股受拉力、温度、湿度等因素变化影响，所测索股3可能会发生微小形变，为了提高装置测量精度，加入了基准对比装置组件；如图7所示，通过固定连接装置25把参照索股27两端固定于待测索股3上，开启固定于锚室底部22的附加线激光器23，使附加线激光器投射光线24通过参照索股27投影到第二激光光线接收靶9上，通过第二摄像设备10采集附加线激光器投射光斑26并计算出投影光斑的长度变化量，该变化量除以参照索股被测段长度与第一激光光线接收标靶固定点到锚固面段索股的长度的比值即得到激光光线接收标靶固定点到锚固面段的索股总形变量。锚碇位移减去索股所测段到锚固面段总的微小形变，即为锚碇真实位移。

利用激光和位移差值法进行锚碇结构位移监测的装置及方法的优点是避免了激光器的扭转误差，测量速度快、抗干扰能力强、测量精度高，设备布设点可多选，安装调试简单，能够对锚碇结构位移进行长期在线监测。光斑采集装置与微系统相连，实现数据的实时接收与长期存储。微系统与Internet或者移动通信网络连接，实现在远程的数据监测、存储和分析。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种激光投射式锚碇结构位移监测装置，其特征在于：包括线激光器、第一图像采集装置和第二图像采集装置，第一图像采集装置和第二图像采集装置均由激光光线接收靶和摄像设备构成，激光光线接收靶位于摄像设备镜头端，由摄像设备捕捉线激光器发出的激光光线在激光光线接收靶上形成的光斑；第一图像采集装置设置在与锚碇垂直的待测索股上，线激光器和第二图像采集装置分别固定安装于待测索股两侧；两图像采集装置的激光光线接收靶的靶面相互平行；两摄像设备的输出接微系统，微系统用于对光斑图像进行实时接收、监控、长期存储和分析。

2.根据权利要求1所述的激光投射式锚碇结构位移监测装置，其特征在于：所述待测索股（3）上通过连接固定装置（25）固定安装有参照索股（27），在待测索股一侧设有与线激光器同侧的附加线激光器（23），附加线激光器用于将附加线激光器投射光线（24）经过参照索股（27）投射到第二图像采集装置的激光光线接收靶上，以形成附加线激光器投射光斑（26）。

3.根据权利要求1所述的激光投射式锚碇结构位移监测装置，其特征在于：所述微系统通过Internet或移动通信网络连接并把实时健康状态传输到终端设备，终端设备为服务器终端、移动设备终端、地图导航、桥梁健康状态实时反馈仪、交通信息网。

4.一种激光投射式锚碇结构位移监测方法，其特征在于：采用权利要求1所述的激光投射式锚碇结构位移监测装置，具体监测步骤如下：

1）将线激光器（4）固定安装在地面上，第一激光光线接收标靶（17）固定安装在索股上，第二激光光线接收标靶（9）固定安装在锚室顶部（21）；

2）开启线激光器（4），调整激光光线（5）、第一激光光线接收靶（17）和第二激光光线接收靶（9），使激光光线（5）投射到第一激光光线接收靶（17）和第二激光光线接收靶（9）的靶面；

3）根据激光光斑在两接收靶上的光斑位移计算锚碇在受力方向上的位移：

3.1）通过检测，获得激光光斑在第一激光光线接收靶（17）和第二激光光线接收靶（9）的靶面上相对安装初始位置沿靶面移动的位移分别为和；

3.2）将每次采集的位移和带入索股位移计算公式：，即可计算出索股的位移，其中N为线激光器固定点到第二激光光线接收靶（9）靶面的距离与线激光器固定点到第一激光光线接收靶（17）靶面的距离的比值，由于所测索股与锚固面相互垂直，位移即为锚碇的位移。

5.根据权利要求4所述的激光投射式锚碇结构位移监测方法，其特征在于：在待测索股（3）上通过连接固定装置（25）固定安装有参照索股（27），在待测索股一侧设有与线激光器同侧的附加线激光器（23），附加线激光器用于将附加线激光器投射光线（24）经过参照索股（27）投射到第二图像采集装置的激光光线接收靶上，以形成附加线激光器投射光斑（26）；测量附加线激光器初始投射光斑和实际投射光斑的长度，得到附加线激光器投射光斑在第二激光光线接收靶上的长度变化量，该长度变化量是由于参照索股的形变带来的；该长度变化量除以参照索股被测段长度与第一激光光线接收靶固定点到锚固面段的索股长度的比值，即得第一激光光线接收靶固定点到锚固面段的索股总形变量；锚碇位移。