CN107345806B - 检测系统及使用其的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种检测系统及使用其的检测方法，该检测系统包括至少一受测单元及一光纤测量单元，该受测单元包含一容纳容器、一应变臂及一浮体，其中该容纳容器用于容纳一流体，而该应变臂连接该浮体并与光纤测量单元的检测部结合。藉此，当将容纳容器设置于待测体上时，该浮体所受浮力会因待测体表面倾斜或沉陷而变动，进而导致应变臂产生弯曲形变，而结合于应变臂处的检测部可感应该应变臂的弯曲形变，进而得知待测体的表面变动状况。

Description

检测系统及使用其的检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统及使用其的检测方法，尤其涉及一种可检测检测倾斜或沉陷状况的检测系统及使用其的检测方法。

背景技术

近年来，各国的重大灾害频传，其不仅威胁人民生命财产安全，严重甚至会牵动全国经济，因此即时掌握环境、结构物等状况并事先作出预警是降低灾害冲击的重要课题。尤其，在灾害发生前适当监控环境、结构物等状况，不仅有助于即时采取适当应变措施，以降低灾害所造成的生命财产损害，其同时也可作为灾后重建的依据，有利于灾后快速重建。

以往一般仅在一段特定时间，才对环境、结构物等作简单检测，以了解其安全状态，但由于环境、结构物等平时并未进行任何监测分析，故难以即时掌握环境、结构物等逐日变化的情形，不仅无法适时作出适当的维护补强措施，甚至来不及在灾害发生前提出预警。如今，随着科技不断进步，近年来已陆续发展各种用于安全性监测的检测装置，使环境、结构物的安全性更能被即时掌握。

然而，目前许多用于安全性监测的检测装置却有结构复杂、施工不易、经济成本过高、维护不易、使用寿命短或易受电磁干扰等的缺点，故仍未被广泛采用。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种检测系统，其具有结构简单、低成本、施工容易、容易维护、使用寿命长且不受电磁干扰等优点，且可应用于监测环境、结构物(如建筑物、桥梁、道路)等的倾斜或沉陷状况，有利于即时掌握并确保环境及结构物等的安全性。

为实现上述目的，本发明提供一种检测系统，其包括：至少一受测单元，其包含一容纳容器、一应变臂及一浮体，其中该容纳容器界定出一容置空间，用于容纳一流体，该应变臂具有相对的一固定端及一自由端，该应变臂的该固定端固定于该容纳容器的一侧壁，而该自由端悬伸于该容置空间中并连接该浮体，且该浮体可随所受浮力的变动而位移，并带动该应变臂产生弯曲形变；以及一光纤测量单元，其具有至少一检测部，且该检测部结合于该应变臂并延伸于该固定端与该自由端之间，用以感应该应变臂的弯曲形变。在此，本发明的检测系统可依需求而设置单个或多个受测单元，当使用多个受测单元时，该检测系统更包括至少一连接管，以连通这些容纳容器的容置空间，使这些容置空间中的流体可根据连通管原理而保持液面呈同一水平。

此外，本发明更提供一种使用上述检测系统的检测方法，其包括下述步骤：将该容纳容器设置于一待测体上，且该容纳容器容纳有一流体在该容置空间中；驱动该光纤测量单元，以提供一输入信号至该检测部，且该输入信号经检测部作用后产生一输出信号，当该待测体的表面发生倾斜或沉陷状况时，该浮体所受浮力将随之产生变化，并引发该输出信号的变动；以及分析该输出信号，以获得与该倾斜或该沉陷状况相关的物理参数。在此，该容纳容器优选水平设置于待测体上，以使流体所提供的浮力等于浮体重量，并使应变臂呈水平未形变的初始状态，藉此可将该初始状态所对应的测得值设为判断是否发生倾斜或沉陷状况的初始点。

由于容纳容器的水平度或容纳容器间的相对位置等变动会影响浮体沉于流体中的体积，并导致应变臂因浮力变动而产生形变，故当将容纳容器安装于待测体(如地表、桥梁、建筑物、道路等)的待测面上，即可通过检测应变臂长度方向上的弯曲形变状况，以得知待测面是否发生如倾斜、沉陷等结构变动。例如，可在待测面上设置单一容纳容器，当待测面出现倾斜或局部塌陷时，该容纳容器会随着待测面而倾斜，而流体会往倾斜方向移动，以维持液面水平，进而导致浮体所受浮力发生变动，使应变臂因受力改变而发生形变，藉此，由于应变臂的弯曲形变程度与容纳容器的倾斜角度相关，故可根据应变臂自由端与固定端间的弯曲形变状况，以得知待测体的表面变动情形。或者，可在待测面上间隔设置多个容纳容器，且两容纳容器间皆以一连接管相互连通，以构成连通管系统，当待测面上设有容纳容器的位置处于垂直方向上发生相对位移时，由于容纳容器间的相对垂直位置改变会导致液面差，因此流体会根据连通管原理而往较低位置处的容纳容器移动，使各容纳容器内的流体液面最后达同一水平，如此便导致较低位置处的浮体所受浮力变大，且应变臂向上弯曲，而较高位置处的浮体所受浮力变小，且应变臂向下弯曲，藉此，由于应变臂的弯曲形变程度与容纳容器间的相对位移量相关，故可根据应变臂的形变状况，以得知待测体的表面变动情形。

在本发明中，受测单元的数量并无特殊限制，其可根据需求设置所需数量的受测单元。例如，若欲将本发明的检测系统应用于全桥安全监测时，则受测单元的数量可根据桥墩数来决定，以在每一桥墩上设置一受测单元。

在本发明中，该光纤测量单元可包括一光纤、一光学模组及一信号处理模组，其中该光纤在对应应变臂处设有该检测部，该光学模组用于发射一输入信号进入该光纤中，且该输入信号经该检测部作用后将产生一输出信号至该光学模组，而该信号处理模组用于分析该输出信号，以获得一物理参数。在此，该光纤测量单元的检测部可为一光栅，当应变臂发生弯曲形变时，结合于应变臂处的检测部可随应变臂弯曲形变，并引发光栅的栅线间隔变化。藉此，可通过光栅间隔变化所导致的信号变动，以得知应变臂的形变状况，并可通过应变臂的弯曲形变程度，以获得与倾斜或沉陷状况相关的物理参数。

在本发明中，该容纳容器上可标有一水平基准线，当流体的液面与水平基准线齐平时，该应变臂呈水平未形变状态。藉此，当欲将应变臂未形变时所对应的测得值设为代表未倾斜/沉陷时的初始点时，可将该水平基准线作为设定初始状态时的参考线，通过使容纳容器内的流体液面与水平基准线齐平，以确保应变臂呈水平未形变的初始状态。

在本发明中，当利用容纳容器的倾斜度以判断待测体是否发生倾斜或沉陷等状况时，由于流体的蒸发作用会导致液面下降，并造成信号变动，因此，流体优选容置于可降低流体蒸发作用的密闭空间内，以降低蒸发作用所造成的判读误差。例如，该受测单元更包含一水气吸收板，其用于盖封该容纳容器，并吸附达饱和量的水分，藉此以降低流体的蒸发现象。

在本发明中，该受测单元更可包含一可调平台，用以供该容纳容器设置其上，并可调整该容纳容器设置于一待测体上时的水平度。藉此，当待测体的原表面不平整时，该受测单元可通过可调平台来调整容纳容器的水平度，以避免容纳容器因待测体原表面不平整而无法水平设置于待测体上。在此，该可调平台更可具有一限位结构，其界定出一设置区，使容纳容器设置于可调平台上时可固定于该设置区处，以避免容纳容器在可调平台上发生位移。

在本发明中，该信号处理模组更可通过无线或有线传输方式，将所获得的物理参数传输至一接收端。此外，为达即时警告的功能，当物理参数超出所设定的临界阈值时，该信号处理模组更可发出一警示信号至接收端，以通过如短信、电子邮件、语音信息等方式，即时提醒监控人员。

附图说明

图1为本发明一具体实施例的检测系统的立体示意图；

图2为本发明一具体实施例的检测系统用于感应倾斜状态的示意图；

图3为本发明一具体实施例的检测方法的流程图；

图4为本发明另一具体实施例的检测系统的立体示意图；

图5为本发明另一具体实施例的检测系统用于感应沉陷状态的示意图；以及

图6为本发明一具体实施例的受测单元另一实施方式的立体示意图。

【附图标记说明】

检测系统 100、200

受测单元 10

容纳容器 11、12

容置空间 111、121

侧壁 113

应变臂 13、14

固定端 131

自由端 133

浮体 15

水气吸收板 17

上盖 171

棉花层 173

可调平台 18

调整组件 181

限位结构 183

光纤测量单元 20

光纤 21

检测部 211、212

光学模组 23

信号处理模组 25

连接管 30

流体 W

水平基准线 L

待测体 G

待测面 A、B

垂直方向 V

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。惟需注意的是，以下附图均为简化的示意图，附图中的元件数目、形状及尺寸可依实际实施状况而随意变更，且元件布局状态可更为复杂。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

请参见图1，其为本发明一具体实施例的检测系统100的立体示意图。如图1所示，本发明的检测系统100包括一受测单元10及一光纤测量单元20，其中受测单元10包含一容纳容器11、一应变臂13及一浮体15，而光纤测量单元20包括一光纤21、一光学模组23及一信号处理模组25。

该容纳容器11界定出一容置空间111，用以容纳一流体W，而该应变臂13由容纳容器11的一侧壁113侧向延伸于该容置空间111中，且其长度方向上的两端分别为相对的一固定端131及一自由端133，其中该固定端131固定于容纳容器11的侧壁113，而该自由端133悬伸于容置空间111并连接该浮体15。在此，该应变臂13在长度方向上具有可弯曲的弹性，故该浮体15可随流体W升降而移动，并带动应变臂13在长度方向上产生弯曲形变。更详细地说，该容纳容器11上标有水平基准线L，当流体W的液面与水平基准线L齐平时，浮体15的一部分会浸于流体W中，且浮体15所受的浮力会等于浮体15重量，以便使应变臂13呈水平未形变状态。然而，当流体W的液面上升而导致浮体15所受浮力变大时，浮体15将在浮力作用下随液面向上移动，并导致应变臂13向上弯曲；反之，当流体W的液面下降而导致浮体15所受浮力变小时，浮体15将随液面向下移动，且应变臂13因浮力小于浮体15重量而向下弯曲。

据此，为感应应变臂13的弯曲形变，该光纤21在对应应变臂13处设有一检测部211，其中该检测部211结合于该应变臂13上，并在应变臂13的长度方向上延伸于固定端131与自由端133之间。在此，该光纤21与该光学模组23耦合，而该信号处理模组25则与该光学模组23耦合。藉此，光学模组23可发射一输入信号进入光纤21中，而输入信号经检测部211作用后将产生输出信号至光学模组23，并由信号处理模组25对输出信号进行分析。

更详细地说，本具体实施例在检测部211形成光栅，当应变臂13弯曲形变时，结合于应变臂13处的检测部211亦会随之产生弯曲形变，进而导致光栅的栅线间隔发生变化，使光信号的波长产生漂移。因此，通过监测输出信号的光波长变化情况，即可得知应变臂13的形变状况。

此外，如图2所示，本具体实施例的受测单元10优选更包含一水气吸收板17，以盖封该容纳容器11，使容纳容器11的容置空间111呈密闭空间，减少流体W蒸发导致液面变动的现象。更详细地说，本具体实施例所采用的水气吸收板17具有一上盖171及一棉花层173，其中该上盖171系盖封该容纳容器11，而该棉花层173系固定于上盖171的内侧，并吸附达饱和量的水分，以减缓流体W的蒸发。

藉此，本具体实施例的检测系统100可用于检测待测体(如桥梁、建筑物、道路等)是否倾斜或沉陷。请参考图3，其为本具体实施例的检测方法流程图，下述步骤说明请一并同时参考图1所示的检测系统100立体示意图及图2所示的倾斜状态示意图。

步骤S1：将容纳容器11设置于一待测体G上，且容纳容器11容纳有一流体W于容置空间111中。在此，该容纳容器11水平设置于待测体G上，且流体W(如水或其他液体)的液面与水平基准线L齐平，使浮体15所受浮力等于浮体15重量，且应变臂13呈水平未形变状态，以作为初始状态(如图1所示)。

步骤S2：驱动光纤测量单元20，以提供一输入信号至检测部211，且输入信号经检测部211作用后将产生一输出信号，当该待测体G的表面发生倾斜或沉陷状况时，该浮体15所受浮力将随之产生变化，并引发输出信号的变动。以图2所示的倾斜状态示意图作示例性说明，当待测体G的表面向左侧倾斜时，容纳容器11会随待测体G向左侧倾斜，且流体W会向左侧移动，以保持液面水平，因而导致浮体15因所受浮力变大而向上移动，进而带动应变臂13向上弯曲形变。此时，结合在应变臂13处的检测部211(图2未示出，请见图1)亦随应变臂13弯曲形变，使得光栅的栅线间隔发生变化，进而导致光学模组23(图2未示出，请见图1)接收到的反射光信号(即输出信号)发生信号变动。

步骤S3：分析输出信号，以获得与倾斜或沉陷状况相关的物理参数。更详细地说，由于不同倾斜/沉陷程度将导致应变臂13产生不同程度的弯曲应变，而所测得的输出信号会与倾斜/沉陷程度相关，因此，可以初始状态所对应的测得值作为判断倾斜/沉陷状况的基准，并通过信号处理模组25(图2未示出，请见图1)，将输出信号转换成其对应的倾斜角度或沉陷深度，进而可得知待测体G的表面倾斜/沉陷程度。

此外，请参见图4，其为本发明另一具体实施例的检测系统200的立体示意图。本具体实施例的检测系统200与上述检测系统100主要差异在于，该检测系统200包括多个受测单元10，且受测单元10间设有一连接管30，以连通容纳容器11、12的容置空间111、121，使流体W可根据连通管原理而保持容置空间111、121中的流体W液面在同一水平，而光纤测量单元20的光纤21设有多个检测部211、212，以分别结合于其对应的应变臂13、14。在此，本具体实施例以两个受测单元10及一个连接管30的实施方式作示例性说明。如图4所示，当待测体G的两待测面A、B呈同一水平面时，两受测单元10中的流体W皆与容纳容器11、12上的水平基准线L齐平，且应变臂13、14皆呈水平未形变状态。

接着，请参见图5，以进一步说明容纳容器11、12在垂直方向V上发生相对位移时的作用机制。如图5所示，当待测面A沉陷时，根据连通管原理，待测面B上的容纳容器12内流体W将经由连接管30而流至待测面A上的容纳容器11内，以维持两容纳容器11、12内的流体W液面呈同一水平。此时，容纳容器11内的流体W液面将上升并高于水平基准线L，且浮体15因所受浮力变大而向上移动，并带动应变臂13向上弯曲形变，而容纳容器12内的流体W液面则下降并低于水平基准线L，且浮体16因浮力变小而向下移动，并带动应变臂14向下弯曲形变。据此，应变臂13、14的弯曲形变将引发检测部211、212(图5未示出，请见图4)的栅线间隔变化，进而导致光学模组23(图5未示出，请见图4)接收到的反射光信号(即输出信号)发生信号变动。由于测得的输出信号会与容纳容器11、12间的相对位移量相关，因此可通过信号处理模组25(图5未示出，请见图4)，将输出信号转换成其对应的相对位移量，进而可得知待测体G的表面沉陷情形。

在实际应用时，受测单元10的数量并不限于本具体实施例所示的数量，其可根据需求设置N个受测单元10及(N-1)个连接管30(N≥2)，且每一连接管30的相对两端分别连接不同受测单元10的容纳容器11。

此外，请参见图6，该受测单元10更可包含一可调平台18，以确保在初始状态时，该容纳容器11水平设置于待测体G上，且容纳容器11内的流体W液面与水平基准线L齐平，使应变臂13呈水平未形变状态。更详细地说，该可调平台18具有调整组件181，其可用于调整容纳容器11设置面的水平度，使容纳容器11设置于可调平台18上时可呈现水平设置的初始状态，避免容纳容器11因待测体G原表面不平整而呈非水平设置的状态。在此，本具体实施例在可调平台18四角处设置调整螺丝，以作为调整组件181的示例性说明。另外，该可调平台18更可具有一限位结构183，其对应容纳容器11的四侧并界定出一设置区，使容纳容器11设置于可调平台18上时可卡固于该设置区处，避免容纳容器11在可调平台18上发生位移。该限位结构183并无特殊限制，只要其可避免容纳容器11位移即可，例如可在可调平台18的表面上形成凸型构件，或者形成凹槽，以作为限位结构183。在此，本具体实施例形成凸出档板以作为限位结构183的示例性说明。

综上所述，本发明的检测系统具有结构简单、低成本、施工容易、容易维护、使用寿命长且不受电磁干扰等优点，适用于环境或结构物的安全性监测。

上述实施例仅用来例举本发明的实施方式，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求要求保护的范围为准。

Claims (13)

1.一种检测系统，包括：

至少一受测单元，其包含一容纳容器、一应变臂及一浮体，其中该容纳容器界定出一容置空间，用于容纳一流体，该应变臂由该容纳容器的一侧壁侧向延伸于该容置空间中，且具有相对的一固定端及一自由端，该应变臂的该固定端固定于该容纳容器的该侧壁，而该自由端悬伸于该容置空间中并连接该浮体，该浮体部分浸于该流体中且能够随所受浮力的变动而位移，并带动该应变臂产生弯曲形变；以及

一光纤测量单元，其具有至少一检测部，且该检测部结合于该应变臂上并延伸于该固定端与该自由端之间，用以感应该应变臂的弯曲形变；

其中，当该流体液面变动时，该浮体沉于该流体中的体积会发生改变，进而使该浮体因所受浮力的变动而位移，并带动该应变臂产生弯曲形变。

2.如权利要求1所述的检测系统，其中，该检测部形成有一光栅，且该应变臂的弯曲形变会引发该光栅产生栅线间隔的变化。

3.如权利要求1所述的检测系统，其中，该检测系统用于检测一待测体的表面倾斜或沉陷状况，且该光纤测量单元根据该应变臂的弯曲形变程度，以提供与该倾斜或该沉陷状况相关的物理参数。

4.如权利要求1所述的检测系统，其中，该受测单元更包含一可调平台，用以供该容纳容器设置其上，并可调整该容纳容器设置于一待测体上时的水平度。

5.如权利要求4所述的检测系统，其中，该可调平台更具有一限位结构，其界定出一设置区，使该容纳容器设置于该可调平台上时固定于该设置区处。

6.如权利要求1所述的检测系统，其中，该容纳容器上标有一水平基准线，当该流体的液面与该水平基准线齐平时，该应变臂呈水平未形变状态。

7.如权利要求1所述的检测系统，其中，该光纤测量单元包括一光纤、一光学模组及一信号处理模组，该光纤在对应该应变臂处设有该检测部，该光学模组用于发射一输入信号进入该光纤中，且该输入信号经该检测部作用后将产生一输出信号至该光学模组，而该信号处理模组用于分析该输出信号，以获得一物理参数。

8.如权利要求1至7任一项所述的检测系统，其中，该浮体所受浮力会随着该容纳容器倾斜而产生变化，且该应变臂的弯曲形变程度与该容纳容器的倾斜角度相关。

9.如权利要求8所述的检测系统，其中，该受测单元更包含一水气吸收板，其用于盖封该容纳容器，并吸附达饱和量的水分。

10.如权利要求1至7任一项所述的检测系统，其中，该至少一受测单元为多个受测单元，且该检测系统更包括至少一连接管，以连通这些容纳容器的这些容置空间，使这些容置空间中的流体可根据连通管原理而保持液面呈同一水平。

11.如权利要求10所述的检测系统，其中，当这些容纳容器在一垂直方向上发生相对位移时，这些浮体受到的浮力会产生变化，且这些应变臂的弯曲形变程度与这些容纳容器间的相对位移量相关。

12.一种检测方法，其使用如权利要求1至11任一项所述的检测系统，包括下述步骤：

将该容纳容器设置于一待测体上，且该容纳容器容纳有一流体在该容置空间中；

驱动该光纤测量单元，以提供一输入信号至该检测部，且该输入信号经检测部作用后产生一输出信号，当该待测体的表面发生倾斜或沉陷状况时，该浮体所受浮力将随之产生变化，并引发该输出信号的变动；以及

分析该输出信号，以获得与该倾斜或该沉陷状况相关的物理参数。

13.如权利要求12所述的检测方法，其中，该容纳容器水平设置于该待测体上，且此时该流体所提供的浮力等于该浮体的重量，藉此使该应变臂呈水平未形变的初始状态，并将该初始状态所对应的一测得值设为判断是否发生该倾斜或该沉陷状况的初始点。