CN105806203B - 一种三维相对位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维相对位移传感器，其特征是将两个相互独立的支座分别固定在两个被测目标结构上，以两个支座分别作为夹板，在一对相互平行的夹板之间形成有矩形夹持空间；三片正方形铝片铝片固定连接在两个支座之间；在三片铝片的平面上分别粘贴有由四个电阻应变片构成的惠斯通电路，电阻应变片依据铝片根据结构位移产生变形而发生应变，惠斯通电路会根据电阻应变片的应变值输出电压，根据惠斯通电路输出电压与结构位移的线性比例关系获得两个被测目标之间在Z方向、Y方向和X方向上的相对位移量。本发明在节约监测成本和简化施工方式的同时，可以实时监测桥梁梁板等各种结构之间的相对位移。

Description

一种三维相对位移传感器

技术领域

本发明涉及三维相对位移传感器，更具体地说是应用在桥梁等结构监测中的三维相对位移传感器。

背景技术

在利用预制钢筋混凝土梁或钢梁对现浇钢筋混凝土板进行支撑的桥梁结构中，梁板之间的剪切连接件不仅存在有疲劳和腐蚀的损伤，也可能存在有因车辆荷载产生过应力。梁板间的相对位移会导致桥梁刚度大幅下降，因此，梁板之间的相对位移量的监测是桥梁健康监测的重要组成部分。

在传统的方法中，位移量是用数值算法从测得的加速度和应力中提取，但是数值算法的困难在于很难确定起始或者边界条件，条件的不确定可能带来很大的测量误差。LVDT可以直接用来测量结构的位移，但是LVDT对温度的影响比较敏感，且测量范围有限。LVDT的安装需要一个相对于结构绝对稳定且非常靠近结构的位置，在实际桥梁的监测中很难满足这一条件。激光位移传感器基于光学技术可以用来测量位移，但其安装同样需要满足非常苛刻的条件。

其它的非接触式位移测量装备包括激光多普勒测振仪、GPS和微波干涉仪，视觉方法也为结构位移的测量提供了可替换的方案，数字图像处理系统也可以用来提取位移。这些装备及方法虽然可以用于监测相对位移量，实际应用费用太高不够经济，亦或施工安装困难，同时，应用在实际结构中时极易受到天气和光线等环境的影响，带来工作可靠性问题。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种相对位移传感器，以期在保证精度和经济性的前提下，安装固定简单，不增加额外的测试设备，能较好地实现梁板间的实时相对位移量的测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明三维相对位移传感器的结构特点是：在所述传感器中，两个相互独立的支座分别固定在两个被测目标结构上，以所述两个支座分别作为夹板，在一对相互平行的夹板之间形成有矩形夹持空间；三片铝片位于所述夹持空间中，并固定连接在两个支座之间；所述三片铝片均为正方形铝片，分别是第一铝片、第二铝片和第三铝片；在所述三片铝片的平面上分别粘贴有由四个电阻应变片构成的惠斯通电路，所述的电阻应变片依据铝片根据结构位移产生变形而发生应变，所述惠斯通电路根据电阻应变片的应变值输出电压，依据所述惠斯通电路的输出电压与结构位移的线性比例关系，分别获得两个被测目标之间在Z方向、Y方向和X方向上的相对位移量，所述Z方向、Y方向和X方向是指XOYZ坐标系中的Z轴向、Y轴向和X轴向。

本发明三维相对位移传感器的结构特点也在于：所述三片铝片按如下方式设置：

第一铝片，其平面是与XOZ面平行，粘贴在第一铝片上的四个电阻应变片采用对角双面布置，用于测量第一铝片(1)在Z向上的剪切变形，获得两个被测目标之间在Z方向上的相对位移量；

第二铝片，其平面是与XOY面平行，粘贴在第二铝片上的四个电阻应变片采用对角双面布置，用于测量第二铝片在Y向上的剪切变形，获得两个被测目标之间在Y方向上的相对位移量；

第三铝片，其平面是与XOZ面平行，粘贴在第三铝片上的四个电阻应变片采用垂直双面布置，用于测量第三铝片在X向上的拉伸或压缩变形，获得两个被测目标之间在X方向上的相对位移量；

所述对角双面布置是指：

四个电阻应变片以铝片中心为中心，在沿铝片的两条对角线上对称分布，所述四个电阻应变片两两分处在铝片的正面和背面，处在铝片正面的两只电阻应变片分处在铝片的两条对角线上；处在铝片背面的两只电阻应变片同样分处在铝片的两条对角线上；并且，处在铝片正面和背面同一方向的对角线上的两只电阻应变片分处在惠斯通电路中相对的两只桥臂上。

所述垂直双面布置是指：

四个电阻应变片以铝片中心为中心，两两分别沿Z向和X向对称分布，所述四个电阻应变片两两分处在铝片的正面和背面，处在铝片正面的两只电阻应变片分处在Z向和X向上；处在铝片背面的两只电阻应变片同样分处在Z向和X向上；并且，处在铝片正面和背面同一方向上的两只电阻应变片分处在惠斯通电路中相对的两只桥臂上。

本发明三维相对位移传感器的结构特点也在于：所述支座设置为由底座和立板构成的“L”形结构，利用底座与被测目标结构通过螺栓固定连接，以所述立板为夹板。

本发明三维相对位移传感器的结构特点也在于：所述三片铝片是采用边长为15mm、厚度1mm的正方形铝制片，所述支座和立板选用碳钢材料。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用惠斯通电路将电阻应变片的变形量转换为检测电压进行输出，进而获得梁板之间的三维相对位移量，很好地实现了由应变传感器对梁板结构进行实时三维相对位移的监测，功能可靠；

2、本发明在第一铝片和第二铝片中将四个电阻应变片设置为对角双面布置的形式，可以有效消除拉伸、压缩、弯曲和扭转对于检测结果的影响，利用剪切变形准确获得两个被测目标结构之间在Z向和Y向上的相对位移量。

3、本发明在第三铝片中将四个电阻应变片设置为垂直双面布置的形式，可以有效消除剪切、弯曲和扭转对于检测结果的影响，利用拉伸和压缩变形准确获得两个被测目标结构在X向上的相对位移量。

4、本发明适用于桥梁梁板三维相对位移的长期实时测量，也适用于类似梁与梁之间、钢结构桁架之间的三维相对位移的监测。

5、本发明结构简单、成本低、便于安装，并不增加额外的测试设备，易于实现。

附图说明

图1a和图1b为本发明不同视角结构示意图；

图2a、图2b和图2c分别为本发明主视、侧视和剖视结构示意图；

图3a为本发明四个电阻应变片在铝片上采用对角双面布置的铝片正面结构示意图；

图3b为图3a所示四个电阻应变片在铝片上采用对角双面布置的铝片背面结构示意图；

图4a为本发明四个电阻应变片在铝片上采用垂直双面布置的铝片正面结构示意图；

图4b为图4a所示四个电阻应变片在铝片上采用垂直双面布置的铝片背面结构示意图；

图5为本发明中所采用的惠斯通电路原理示意图；

图中标号：1第一铝片，2第二铝片，3第三铝片，4底座，5立板。

具体实施方式

参见图1a、图1b、图2a、图2b和图2c，本实施例中三维相对位移传感器的结构形式是：在传感器中，两个相互独立的支座分别固定在两个被测目标结构上，以两个支座分别作为夹板，在一对相互平行的夹板之间形成有矩形夹持空间；支座设置为由底座4和立板5构成的“L”形结构，利用底座4与被测目标结构通过螺栓固定连接，以立板5为夹板；三片铝片位于所述夹持空间中，并固定连接在两个支座之间；所述三片铝片均为正方形铝片，分别是第一铝片1、第二铝片2和第三铝片3；在所述三片铝片的平面上分别粘贴有由四个电阻应变片构成的惠斯通电路，电阻应变片依据铝片根据结构位移产生变形而发生应变，惠斯通电路根据电阻应变片的应变值输出电压，依据惠斯通电路输出电压与结构位移的线性比例关系，分别获得两个被测目标之间在Z方向、Y方向和X方向上的相对位移量，所述Z方向、Y方向和X方向是指XOYZ坐标系中的Z轴向、Y轴向和X轴向。

具体实施中，三片铝片按如下方式进行设置：

如图3a和图3b所示，第一铝片1，其平面是与XOZ面平行，粘贴在第一铝片1上的四个电阻应变片采用对角双面布置，用于测量第一铝片1在Z向上的剪切变形，获得两个被测目标之间在Z方向上的相对位移量；同时消除第一铝片1发生拉伸、压缩、弯曲和扭转变形的影响，惠斯通电路仅对第一铝片1的剪切变形输出电压。

如图3a和图3b所示，第二铝片2，其平面是与XOY面平行，粘贴在第二铝片2上的四个电阻应变片采用对角双面布置，用于测量第二铝片2在Y向上的剪切变形，获得两个被测目标之间在Y方向上的相对位移量；同时消除第二铝片2发生拉伸、压缩、弯曲和扭转变形的影响，惠斯通电路仅对第二铝片2的剪切变形输出电压。

如图4a和图4b所示，第三铝片3，其平面是与XOZ面平行，粘贴在第三铝片3上的四个电阻应变片采用垂直双面布置，用于测量第三铝片3在X向上的拉伸或压缩变形，获得两个被测目标之间在X方向上的相对位移量，同时消除第三铝片3发生剪切、弯曲和扭转变形的影响，惠斯通电路仅对第三铝片3的拉伸和压缩变形输出电压。

本实施例中的对角双面布置是指：

四个电阻应变片以铝片中心为中心，在沿铝片的两条对角线上对称分布，所述四个电阻应变片两两分处在铝片的正面和背面，处在铝片正面的两只电阻应变片分处在铝片的两条对角线上，图3a所示；处在铝片背面的两只电阻应变片同样分处在铝片的两条对角线上，图3b所示；并且，处在铝片正面和背面同一方向的对角线上的两只电阻应变片分处在惠斯通电路中相对的两只桥臂上，图5所示。

本实施例中的垂直双面布置是指：

四个电阻应变片以铝片中心为中心，两两分别沿Z向和X向对称分布，所述四个电阻应变片两两分处在铝片的正面和背面，处在铝片正面的两只电阻应变片分处在Z向和X向上，图4a所示；处在铝片背面的两只电阻应变片同样分处在Z向和X向上，图4b所示；并且，处在铝片正面和背面同一方向上的两只电阻应变片分处在惠斯通电路中相对的两只桥臂上，如图5所示。

具体实施中，三片铝片采用边长为15mm、厚度1mm的铝制片，支座和立板选用碳钢材料；铝制片相对于钢材模量和剪切模量较小，保持变形集中于铝片处，减小支座和立板变形带来的误差。

图5所示的惠斯通全桥电路具有式(1)所示的表达式：

式(1)中，U₀为惠斯通全桥电路的输出电压，U为惠斯通全桥电路的输入电压；

R₁R₂R₃R₄分别是电路中各桥臂电阻的阻值，其对应于铝片中四个电阻应变片在未发生变形时的阻值，ΔR₁ΔR₂ΔR₃ΔR₄是铝片中四个电阻应变片在发生变形后的电阻值与电阻R₁R₂R₃R₄的差值，如图5所示的电阻R₁R₂R₃R₄在桥路中顺时针依次排列。

式(2)为应变片的阻值与应变的关系表达式：

式(2)中k是灵敏度，是电阻应变片的固有属性，εi是电阻应变片的应变值。依据式(2)和式(1)获得式(3)：

关于第一铝片和第二铝片中的对角双面布置检测原理：

当铝片发生剪切变形时，如图3a所示，处在铝片同一面上的两个应变片一个伸长，另一个缩短，电路中相对的应变片变形方式相同，各应变片的变形关系如式(4)所示：

ε₁＝-ε₂＝ε₃＝-ε₄＝ε (4)

依所式(4)和式(3)得到式(5)：

U₀＝kUε (5)

式(5)表征出输出电压U₀与电阻应变片的应变值成线性比例关系；

假设剪切变形位移量为d，如图3a所示，已知位移量d与输出电压U₀成线性比例关系，则位移量d与应变ε也成线性比例关系，由式(6)表征：

d＝Kε (6)

式(6)中，K为比例系数，实测一组应变值以及相对应的位移量，运用最小二乘法拟合得到一个比例系数K的经验数值。

当铝片发生拉伸或压缩变形时，四个电阻应变片的应变值关系如式(7)：

ε₁＝ε₂＝ε₃＝ε₄＝ε (7)

当铝片发生弯曲变形时，四个电阻应变片的应变值关系如式(8)：

ε₁＝ε₂，ε₃＝ε₄ (8)

当铝片发生扭转变形时，四个电阻应变片的应变值关系如式(9)：

ε₁＝ε₄，ε₂＝ε₃ (9)

将式(7)、式(8)和式(9)分别代入(3)式，则始终得到U₀＝0，即输出电压为零，显然，在当铝片发生拉伸，压缩，弯曲或扭转变形时，电路不输出电压，有效避免了当铝片发生剪切变形以外的变形时所产生的误差。依此，第一铝片可用于准确获得两个被测目标结构之间Z方向的相对位移；第二铝片可用于准确获得两个被测目标结构之间Y方向的相对位移。

关于第三铝片中的垂直双面布置检测原理：

当铝片发生拉伸或压缩变形时，四个电阻应变片的应变值关系如式(10)：

ε₁＝ε₃＝ε，ε₂＝ε₄＝0 (10)

将式(10)代入式(3)获得式(11)和式(12)：

式(11)表征出输出电压U₀与电阻应变片的应变值成线性比例关系，假设剪切变形位移量为d，如图4a所示，已知位移量d与输出电压U₀成线性比例关系，则位移量d与应变ε也成线性比例关系，由式(12)表征：

d＝Kε (12)

式(12)中，K为比例系数，实测一组应变值以及相对应的位移量，运用最小二乘法拟合得到一个比例系数K的经验数值。

当铝片发生剪切变形时，四个电阻应变片的应变值关系如式(13)：

ε₁＝ε₂＝ε₃＝ε₄＝ε (13)

当铝片发生弯曲变形时，四个电阻应变片的应变值关系如式(14)：

ε₁＝-ε₃，ε₂＝-ε₄＝0 (14)

当铝片发生扭转变形时，四个电阻应变片的应变值关系如式(15)：

ε₁＝ε₂＝ε₃＝ε₄＝ε (15)

将式(13)、式(14)和式(15)分别代入式(3)，始终得到U₀＝0，即输出电压为零。显然，在当铝片发生拉伸，压缩，弯曲或扭转变形时，电路不输出电压，有效避免当铝片发生拉伸或压缩变形以外的变形时所产生的误差。依此，第三铝片可用于准确获得两个被测目标结构之间X方向的相对位移。

Claims (4)

1.一种三维相对位移传感器，其特征是：在所述传感器中，两个相互独立的支座分别固定在两个被测目标结构上，以两个所述支座分别作为夹板，在一对相互平行的夹板之间形成有矩形夹持空间；三片铝片位于所述夹持空间中，并固定连接在两个支座之间；所述三片铝片均为正方形铝片，分别是第一铝片(1)、第二铝片(2)和第三铝片(3)；在所述三片铝片的平面上分别粘贴有由四个电阻应变片构成的惠斯通电路，所述的电阻应变片依据铝片根据结构位移产生变形而发生应变，所述惠斯通电路根据电阻应变片的应变值输出电压，依据所述惠斯通电路的输出电压与结构位移的线性比例关系，分别获得两个被测目标之间在Z方向、Y方向和X方向上的相对位移量，所述Z方向、Y方向和X方向是指XOYZ坐标系中的Z轴向、Y轴向和X轴向。

2.根据权利要求1所述的三维相对位移传感器，其特征是所述三片铝片按如下方式设置：

第一铝片(1)，其平面是与XOZ面平行，粘贴在第一铝片(1)上的四个电阻应变片采用对角双面布置，用于测量第一铝片(1)在Z向上的剪切变形，获得两个被测目标之间在Z方向上的相对位移量；

第二铝片(2)，其平面是与XOY面平行，粘贴在第二铝片(2)上的四个电阻应变片采用对角双面布置，用于测量第二铝片(2)在Y向上的剪切变形，获得两个被测目标之间在Y方向上的相对位移量；

第三铝片(3)，其平面是与XOZ面平行，粘贴在第三铝片(3)上的四个电阻应变片采用垂直双面布置，用于测量第三铝片(3)在X向上的拉伸或压缩变形，获得两个被测目标之间在X方向上的相对位移量；

所述对角双面布置是指：

四个电阻应变片以铝片中心为中心，在沿铝片的两条对角线上对称分布，所述四个电阻应变片两两分处在铝片的正面和背面，处在铝片正面的两只电阻应变片分处在铝片的两条对角线上；处在铝片背面的两只电阻应变片同样分处在铝片的两条对角线上；并且，处在铝片正面和背面同一方向的对角线上的两只电阻应变片分处在惠斯通电路中相对的两只桥臂上；

所述垂直双面布置是指：

四个电阻应变片以铝片中心为中心，两两分别沿Z向和X向对称分布，所述四个电阻应变片两两分处在铝片的正面和背面，处在铝片正面的两只电阻应变片分处在Z向和X向上；处在铝片背面的两只电阻应变片同样分处在Z向和X向上；并且，处在铝片正面和背面同一方向上的两只电阻应变片分处在惠斯通电路中相对的两只桥臂上。

3.根据权利要求1或2所述的三维相对位移传感器，其特征是所述支座设置为由底座和立板构成的“L”形结构，利用底座与被测目标结构通过螺栓固定连接，以所述立板为夹板。

4.根据权利要求3所述的三维相对位移传感器，其特征是所述三片铝片是采用边长为15mm、厚度1mm的正方形铝制片，所述支座选用碳钢材料。