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

一种三维相对位移传感器 Download PDF

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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
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0007] 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。
[0008] 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:
[0009] 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⑴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;
[0010] 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;
[0011] 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;
[0012] 所述对角双面布置是指:
[0013] 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。
[0014] 所述垂直双面布置是指:
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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Imm的正方形错制片,所述支座和立板选用碳钢材料。
[0018] 与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
[0019] 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;
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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
[0024] 图Ia和图Ib为本发明不同视角结构示意图;
[0025] 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;
[0026] 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;
[0027] 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;
[0028] 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;
[0029] 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;
[0030] 图5为本发明中所采用的惠斯通电路原理示意图;
[0031] 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
[0032] 参见图la、图lb、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。
[0033] 具体实施中,三片铝片按如下方式进行设置:
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 本实施例中的对角双面布置是指:
[0038] 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。
[0039] 本实施例中的垂直双面布置是指:
[0040] 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。
[0041] 具体实施中,三片铝片采用边长为15mm、厚度Imm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。
[0042] 图5所示的惠斯通全桥电路具有式⑴所示的表达式:
[0043]
Figure CN105806203BD00061
(1):
[0044] 式⑴中,Uo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;
[0045] 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,A R1 Δ R2 Δ R3 Δ R4是铝片中四个电阻应变片在发生变形后的电阻值与 电阻RiR2R3R4的差值,如图5所示的电阻R1R2R3R4在桥路中顺时针依次排列。
[0046] 式⑵为应变片的阻值与应变的关系表达式
Figure CN105806203BD00062
[0047] 式(2)中k是灵敏度,是电阻应变片的固有属性,ei是电阻应变片的应变值。依据式 ⑵和式⑴获得式⑶:
Figure CN105806203BD00063
(3)
[0048] 关于第一铝片和第二铝片中的对角双面布置检测原理:
[0049] 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⑷所示:
[0050] ει = -ε2 = ε3 = -ε4=ε (4)
[0051] 依所式⑷和式⑶得到式⑶:
[0052] Uo = We (5)
[0053] 式⑶表征出输出电压Uo与电阻应变片的应变值成线性比例关系;
[0054] 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Uo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:
[0055] d=Ke (6)
[0056] 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。
[0057] 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):
[0058] Z1 = Z2 = Z3 = Z4= £ (7)
[0059] 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⑶:
[0060] ει = ε2,ε3 = ε4 (8)
[0061] 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):
[0062] ει = ε4,ε2 = ε3 (9)
[0063] 将式(7)、式⑶和式(9)分别代入⑶式,则始终得到Uo = O,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。
[0064] 关于第三铝片中的垂直双面布置检测原理:
[0065] 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):
[0066] ει = ε3 = ε ,ε2 = ε4=0 (10)
[0067] 将式(10)代入式⑶获得式(11)和式(12):
[0068]
Figure CN105806203BD00071
(11)
[0069] 式(11)表征出输出电压Uo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Uo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:
[0070] d=Ke (12)
[0071] 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。
[0072] 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):
[0073] ει = ε2 = ε3 = ε4=ε (13)
[0074] 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):
[0075] ει = -ε3,ε2 = -ε4=0 (14)
[0076] 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):
[0077] ει = ε2 = ε3 = ε4=ε (15)
[0078] 将式(13)、式(14)和式(15)分别代入式(3),始终得到Uo = 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⑵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⑴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⑴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⑵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⑶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Imm的正方形错制片,所述支座选用碳钢材料。
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