CN105910779B - 一种桥梁梁体形变传感系统及传感器 - Google Patents

一种桥梁梁体形变传感系统及传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁梁体形变传感系统及传感器，本发明通过在双杆式安装架的短杆和长杆上分别设置对应的第一和第二力平衡加速度计，长杆两端固定在梁体，短杆通过连接杆活动连接到长杆的一端，并且仅固定短杆靠近连接的一端。由于短杆只有一端固定在梁体上，安装在短杆上的力平衡加速度计只感应梁体的纵向振动加速度，而由于长杆的两端都与梁体固定，安装在长杆上的力平衡加速度计既可以感应梁体的纵向振动加速度，也可以感应梁体的横向角加速度。因此，将两个力平衡加速度计的输出相减可以方便的获取横向转角参数。由此，不再依据积分拟合法来计算挠度，同时可以有效消除桥梁梁体的纵向振动对测试结果的影响。

Description

一种桥梁梁体形变传感系统及传感器
技术领域
本发明涉及桥梁动力响应测试及高速铁路桥梁安全监测领域，具体涉及一种桥梁梁体形变传感系统及传感器。
背景技术
桥梁在行驶车辆的不断作用下，其梁体产生较明显的动态弯曲变形。相比普通铁路桥梁，高速铁路桥梁的梁体的动态弯曲变形有更严格的限制，因为如果梁体的动态变形过大，导致高速列车与铁轨的相互摩擦力过大，进而影响高速列车的行驶速度，增加了高速列车脱轨的危险性。桥梁梁体横向动转角和竖向动挠度是分析桥梁动力响应特性变化及运营安全的重要参考指标。现有的可同时监测桥梁横向动转角和竖向动挠度的系统主要是基于高精度的机械式伺服式形变仪，并将测试数据经由积分拟合法计算获取。这类系统在用于监测简单结构桥梁时具有较高的精度，但是存在以下几个缺点：(1)、体积比较大；(2)、由于量程很小，常需要在安装好后，进行手工精确调零；(3)、控制机械摆体运动的十字弹簧片的温票效应对测试结果的误差影响比较大，导致输出值在较长时间后存在较大漂移。(4)、用于复杂结构桥梁时，对测点的布置位置和数量要求较高，需要比较密集的、合理地布置形变仪，如果布置形变仪的数量不够或位置不对，则在由转角积分成的挠度的误差较大。(5)、由于形变仪即能感应到梁体的横向转角，也能感应到梁体的纵向振动加速度，其监测结果受梁体的纵向振动影响大。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种桥梁梁体形变传感系统以及传感器，以更加方便地对复杂结构桥梁的横向动转角和竖向动挠度的长期监测，解决和改善现有系统的使用不方便、稳定性差、梁体纵向振动影响大、难以用于复杂结构桥梁的横向动转角和竖向动挠度的长期监测等缺点。
第一方面，提供一种桥梁梁体形变传感系统，包括：
安装架，包括长杆、短杆和连接杆，其中，所述长杆两端设置有固定座，所述短杆与所述连接杆固定，所述连接杆与所述长杆的一端活动连接，所述短杆仅在与所述连接杆连接的一端设置有固定座；
第一力平衡加速度计，设置于所述短杆远离固定座的一端，用于检测所在位置的纵向振动加速度输出第一模拟检测信号；
第二力平衡加速度计，设置于所述长杆上，用于检测横向角加速度和纵向振动加速度输出第二模拟检测信号；
数据采集传输装置，与所述第一力平衡加速度计和第二加速度计连接，用于将所述第一模拟检测信号和第二模拟检测信号分别转换为第一数字检测信号和第二数字检测信号并向数据处理装置传输；
数据处理装置，与所述数据采集传输装置通信连接，用于根据第二数字检测信号和第一数字检测信号的差值输出表征横向转角的检测信号。
优选地，所述第一力平衡加速度计和第二力平衡加速度计均为MEMS力平衡加速度计。
优选地，所述固定座为铁磁材料固定座。
优选地，所述长杆和所述短杆采用聚甲醛-铁氟龙(POM+PTFE)复合材料制成。
优选地，所述数据采集传输装置包括：
模数转换模块，用于将所述第一模拟检测信号和第二模拟检测信号分别转换为第一数字检测信号和第二数字检测信号；
无线传输模块，用于以无线方式向所述数据处理装置发送所述第一数字检测信号和第二数字检测信号；以及
控制模块，用于控制所述模数转换模块和所述无线传输模块。
优选地，所述数据监控设备用于根据所述长杆的长度和所述表征横向转角的检测信号计算长杆的绝对挠度差值，根据多个不同位置的绝对挠度差值计算梁体的绝对竖向挠度值。
优选地，所述数据处理装置通过对第二数字检测信号和第一数字检测信号的差值进行反正切变换计算所述表征横向转角的检测信号。
优选地，所述系统还包括：
电池；以及
电源管理模块，与所述电池连接，用于为所述第一力平衡加速度计、第二力平衡加速度计和所述数据采集传输装置供电。
优选地，所述连接杆与所述长杆的一端通过双自由度铰链活动连接。
第二方面，提供一种桥梁梁体形变传感器，包括：
安装架，包括长杆、短杆和连接杆，其中，所述长杆两端设置有固定座，所述短杆与所述连接杆固定，所述连接杆与所述长杆的一端活动连接，所述短杆仅在与所述连接杆连接的一端设置有固定座；
第一力平衡加速度计，设置于所述短杆远离固定座的一端，用于检测所在位置的纵向振动加速度输出第一模拟检测信号；
第二力平衡加速度计，设置于所述长杆上，用于检测横向角加速度和纵向振动加速度输出第二模拟检测信号；
数据采集传输装置，与所述第一力平衡加速度计和第二加速度计连接，用于将所述第一模拟检测信号和第二模拟检测信号分别转换为第一数字检测信号和第二数字检测信号并向数据处理装置传输。
本发明通过设置双杆式安装架，两端固定安装架的长杆，同时将安装架的短杆通过连接杆活动连接到长杆的一端，并且仅固定短杆靠近连接的一端。同时，在安装架的短杆和长杆上分别设置对应的第一和第二力平衡加速度计。由于短杆只有一端固定在梁体上，安装在短杆上的力平衡加速度计只感应梁体的纵向振动加速度，而由于长杆的两端都与梁体固定，安装在长杆上的力平衡加速度计既可以感应梁体的纵向振动加速度，也可以感应梁体的横向角加速度。因此，将两个力平衡加速度计的输出相减既可以去除纵向振动加速度，由此，可以方便的获取横向转角参数。基于横向转角参数，可以方便地计算挠度等参数。因此，此过程不再依据积分拟合法来计算挠度，与桥梁结构无关，可监测任何类型的桥梁的竖向动挠度和横向动转角。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的桥梁梁体形变传感系统的电路示意图；
图2是本发明实施例的安装架的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明实施例的桥梁梁体形变传感系统的示意图；图2是本发明实施例的安装架的示意图。如图1和图2所示，所述桥梁梁体形变传感系统包括安装架1、第一力平衡加速度计2、第二力平衡加速度计3、数据采集传输装置4和数据处理装置5。其中，安装架1、第一力平衡加速度计2、第二力平衡加速度计3和数据采集传输装置4构成了一个桥梁梁体形变传感器。数据处理装置5可以与多个这样的形变传感器通信连接。
其中，如图2所示，安装架1包括长杆11、短杆12和连接杆13。短杆12用于固定第一力平衡加速度计2以检测梁体的纵向振动加速度。长杆11用于固定第二力平衡加速度计3以同时检测梁体的纵向振动加速度，也可以感应梁体的横向角加速度。具体地，长杆11两端设置有固定座14。所述固定座用于将长杆11与梁体固定。由于长杆两端均已梁体固定，因此，梁体的横向和纵向形变均会传到长杆并被设置与其上的第二力平衡加速度计3检测。同时，短杆12通过连接杆13与长杆连接。并且，所述安装架在短杆12与连接杆13连接的一端设置有一个固定座14以将短杆12的该端固定到梁体。同时，短杆12远离连接杆13的一端不固定。也即，所述短杆仅在与所述连接杆连接的一端设置有固定座。连接杆13与长杆11的一端活动连接，以方便调节长杆和短杆的相对位置，使得安装时安装架可以方便地安装在桥梁梁体的各个位置。优选地，连接杆13与长杆11通过双自由度铰链15活动连接，从而可以使得更加方便调节。
同时，固定座14可以设置为铁磁材料(例如烧结钕铁硼磁铁)固定座。由于梁体通常包括钢材，铁磁材料可以吸附在刚贴上，使用铁磁材料制造固定座14可以方便安装和定位。
容易理解，长杆11的横向转角的大小由长杆11自身的变形和长杆两端的竖向位移差值决定。很显然，长杆11两端的竖向位移差引起的横向转角值是我们所需要的值。为了减少长杆自身的弯曲变形，我们采用了质量轻、刚度大的碳纤维复合材料(例如聚甲醛-铁氟龙(POM+PTFE)混合型复合材料)来制造长杆11、短杆12和连接杆13。
电路方面，第一力平衡加速度计2设置于短杆12远离固定座14的一端，用于检测所在位置的纵向振动加速度输出第一模拟检测信号。
第二力平衡加速度计3设置于长杆11上，用于检测横向角加速度和纵向振动加速度输出第二模拟检测信号。
具体地，第一力平衡加速度计2和第二力平衡加速度计3可以采用为MEMS力平衡加速度计，例如，基于SCA103T芯片构建的电路。MEMS力平衡加速度计是一种即可感应水平向振动加速度也可感应角加速度的传感器，对其角加速度值进行反正切变换可得布置位置的横向转角值。相比传统的机械式伺服式倾角仪，MEMS高精度的力平衡加速度计采用的是电子式伺服摆体，同时增加了温度补偿电路，具有体积小、温漂小、量程大等优点。由于MEMS高精度的力平衡加速度计的量程比较大，由安装所带来的初始转角值远小于量程，因此不需要手工精确调零。
数据采集传输装置4与第一力平衡加速度计2和第二加速度计3连接，用于将所述第一模拟检测信号和第二模拟检测信号分别转换为第一数字检测信号和第二数字检测信号并向数据处理装置5传输。具体地，数据采集传输装置4可以包括模数转换模块41、无线传输模块42和控制模块43。
模数转换模块41用于将所述第一模拟检测信号和第二模拟检测信号分别转换为第一数字检测信号和第二数字检测信号。优选地，模数转换模块41可以以AD7606芯片为核心，配套外围电路构成。
无线传输模块42用于以无线方式向所述数据处理装置发送所述第一数字检测信号和第二数字检测信号。无线传输模块42可以基于已有的各种无线通信接口与数据处理装置进行通信。优选地，无线传输模块420采用由CC2530芯片为核心而构成的DRF2617A-ZigBee无线模块来实现。应理解，无线传输模块42也可以采用基于其他通信协议的模块实现。
控制模块43用于控制模数转换模块41和所述无线传输模块42。优选地，控制模块43以MSP430芯片为核心，配套外围电阻和电容构成。
优选地，所述数据采集传输装置4与第一、第二力平衡式加速度计可以通过电池供电，由此，可以进一步方便安装。在此前提下，系统包括电池6和电源管理模块7。电源管理模块7与电池6连接，用于管理电池6的充电放电操作，并且可以为数据采集传输装置4与第一、第二力平衡式加速度计提供稳定的电压或电流。
数据处理装置5与数据采集传输装置4通信连接，用于根据第二数字检测信号和第一数字检测信号的差值输出表征横向转角的检测信号。
如上所述，安装在短杆上的第一力平衡加速度计2只感应梁体的纵向振动加速度，而安装在长杆上的第二力平衡加速度计3既可以感应梁体的纵向振动加速度，也可以感应梁体的横向角加速度。因此，将两个力平衡加速度计的输出相减(也即第二数字检测信号减去第一数字检测信号)就可以去除纵向振动加速度的影响，获取横向角加速度参数。具体地，所述数据处理装置通过对第二数字检测信号和第一数字检测信号的差值进行反正切变换计算获得表征横向转角的检测信号。进而，基于表征横向转角的检测信号，数据处理装置5可以方便地计算挠度等参数。
优选地，所述数据处理装置5还用于根据所述长杆的长度和所述表征横向转角的检测信号计算长杆的绝对挠度差值，根据多个不同位置的绝对挠度差值计算梁体的绝对竖向挠度值。
本发明通过设置双杆式安装架，两端固定安装架的长杆，同时将安装架的短杆通过连接杆活动连接到长杆的一端，并且仅固定短杆靠近连接的一端。同时，在安装架的短杆和长杆上分别设置对应的第一和第二力平衡加速度计。由于短杆只有一端固定在梁体上，安装在短杆上的力平衡加速度计只感应梁体的纵向振动加速度，而由于长杆的两端都与梁体固定，安装在长杆上的力平衡加速度计既可以感应梁体的纵向振动加速度，也可以感应梁体的横向角加速度。因此，将两个力平衡加速度计的输出相减既可以去除纵向振动加速度，由此，可以方便的获取横向转角参数。基于横向转角参数，可以方便地计算挠度等参数。因此，此过程不再依据积分拟合法来计算挠度，与桥梁结构无关，可监测任何类型的桥梁的竖向动挠度和横向动转角。同时可以有效消除桥梁梁体的纵向振动对测试结果的影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，包括：
安装架，包括长杆、短杆和连接杆，其中，所述长杆两端设置有固定座，所述短杆与所述连接杆固定，所述连接杆与所述长杆的一端活动连接，所述短杆仅在与所述连接杆连接的一端设置有固定座；
第一力平衡加速度计，设置于所述短杆远离固定座的一端，用于检测所在位置的纵向振动加速度输出第一模拟检测信号；
第二力平衡加速度计，设置于所述长杆上，用于检测横向角加速度和纵向振动加速度输出第二模拟检测信号；
数据采集传输装置，与所述第一力平衡加速度计和第二力平衡加速度计连接，用于将所述第一模拟检测信号和第二模拟检测信号分别转换为第一数字检测信号和第二数字检测信号并向数据处理装置传输；
数据处理装置，与所述数据采集传输装置通信连接，用于根据第二数字检测信号和第一数字检测信号的差值输出表征横向转角的检测信号；
其中，所述数据处理装置通过对第二数字检测信号和第一数字检测信号的差值进行反正切变换计算所述表征横向转角的检测信号。
2.根据权利要求1所述的桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，所述第一力平衡加速度计和第二力平衡加速度计均为MEMS力平衡加速度计。
3.根据权利要求1所述的桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，所述固定座为铁磁材料固定座。
4.根据权利要求1所述的桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，所述长杆和所述短杆采用聚甲醛-铁氟龙(POM+PTFE)复合材料制成。
5.根据权利要求1所述的桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，所述数据采集传输装置包括：
模数转换模块，用于将所述第一模拟检测信号和第二模拟检测信号分别转换为第一数字检测信号和第二数字检测信号；
无线传输模块，用于以无线方式向所述数据处理装置发送所述第一数字检测信号和第二数字检测信号；以及
控制模块，用于控制所述模数转换模块和所述无线传输模块。
6.根据权利要求5所述的桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，所述数据处理装置用于根据所述长杆的长度和所述表征横向转角的检测信号计算长杆的绝对挠度差值，根据多个不同位置的绝对挠度差值计算梁体的绝对竖向挠度值。
7.根据权利要求1所述的桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，所述系统还包括：
电池；以及
电源管理模块，与所述电池连接，用于为所述第一力平衡加速度计、第二力平衡加速度计和所述数据采集传输装置供电。
8.根据权利要求1所述的桥梁梁体形变传感系统，其特征在于，所述连接杆与所述长杆的一端通过双自由度铰链活动连接。
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