CN109916582B

CN109916582B - 一种挠度自动测量装置及测量方法

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Publication number: CN109916582B
Application number: CN201910242204.9A
Authority: CN
Inventors: 周希平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN109916582A

Abstract

本发明公开了一种挠度自动测量装置及测量方法；挠度自动测量装置包括闭水筒、连水筒、安装架、悬轴、吊板、杠杆架、中心圆管、固定盘、传感器和应变仪；安装架包括底板和立柱，立柱为两个，两立柱间隔设置在底板中央两端，两立柱的上端与悬轴连接；杠杆架由至少两条板材组成，两条板材的中部通过轴承与中心圆管活动连接；杠杆架两端对称放置闭水筒和连水筒；传感器一端与固定在中心圆管上的固定盘连接，另一端与杠杆架的一条板材固定，传感器与应变仪连接，应变仪与计算机连接；本发明整合了连通管和二力杠杆架原理以及应变测量技术，测量精度高，操作方便简单，可广泛用于桥梁、建筑、工程、护坡、基坑等长期施工过程中竖向位移监测。

Description

一种挠度自动测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种挠度测量装置，特别是涉及一种精密挠度自动测量装置及测量方法。

背景技术

目前，结构荷载试验中有一项重要内容就是结构在荷载作用下的变形(挠度)测量，该指标反映结构的刚度特性。目前挠度测试主要分为以下几类：

1、水准仪或全站仪。其原理是在结构体上预先布置若干固定测点，将其中一点置于某不动点或相对不动点上，然后根据水准测量原理，在每次加载后用水准仪读取各处塔尺的标高，前后相减后即得到该处的挠度。优点是可以进行多点测量，无需安装基座或支架，设备携带量少。缺点是测量精度低，一般能精确到0.1mm；且测量可视度与精度受环境影响大；人工读数和人工扶尺容易造成人为误差；多点测量时，转站点多，工作量大，耗时巨大造成经济成本增加。

2、接触式位移计。如百分表、千分表、拉线位移计、滑线变阻式位移计等。位移计测量精度高，可以达到0.01～0.001mm。仪器体积小，携带方便。但测量时必须提供固定参考点或者支架，在某些跨河跨江桥或者高架桥梁上几乎无法适用。

3、非接触式激光位移计。这是一种光电装置，利用投影原理非接触测量物体尺寸。精度可达0.01mm，且操作方便。这种测量方式主要缺点在于设备价格昂贵，操作复杂。且对于跨河跨江桥或高架桥梁，由于无法找到合适的固定参考点而无法适用。

4、连通液位计。其测量原理是根据连通管水位总保持在同一平面上，根据变形前后水位的变化推求结构挠度。这个技术具有不受多方位变形及桥梁现场的高程、高湿和浓雾等的影响，能实现多点挠度检测，适用范围广，性价比高等优点。但是目前使用过程中，采用该方法的装置同样存在一定的缺点，例如专利号为01209421.8的中国实用新型专利，采用在直管上安装标尺进行人工读数，因此这种仪器精度不超1mm。而对于采用光电传感器进行读数的，如专利号为200320127308.X、200420013598.X的实用新型专利，由于水面张力的影响以及无任何放大功能，其精度和稳定性都有待提高。

另外专利号为201120026894.3、200810237453.0、200810237454.5、200910273439.0、200920005141.7的中国专利，均是利用微压传感器或者压力变送器来测量水柱压力，因为水柱压力变化极其微小，且连通器在多个管分压后，水压力更小，因此很难达到理想精度要求。

还有利用浮力或浮子进行液面位移的转换，通过弹性元件或光电传感器感应浮力变化或者浮子位移，如中国专利201110204309.9，201120258359.0，该类技术存在二次转换的问题，还有浮子的摩擦和垂直等问题，因此其精度和线性也是无法满足现有应用的要求。

总之，现有技术由于没有将液面位移或压力或浮力进行放大，直接测量这些量，即使采用很精密的光栅传感器、光电传感器或者微压传感器，其精度都很难满足结构挠度测量的要求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种精密挠度自动测量装置，使桥梁挠度自动测量成为可能，且测量精度高，达到与水准仪相同等级精度或更高精度的测量结果。

本发明还提供了一种基于上述装置的挠度自动测量方法。

本发明整合连通管、二力杠杆架和应变测量技术，通过杠杆架原理和微小称重传感器来测量两管的相对重量。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种挠度自动测量装置：包括闭水筒、连水筒、安装架、悬轴、吊板、杠杆架、中心圆管、固定盘、传感器和应变仪；

所述的安装架包括底板和立柱，立柱为两个，两立柱间隔设置在底板中央两端，两立柱的上端与悬轴连接；两吊板分别设置在两立柱的内侧，两吊板的上端通过轴承与悬轴活动连接；两吊板的下端与中心圆管固定连接；杠杆架由至少两条板材组成，两条板材的中部通过轴承与中心圆管活动连接；杠杆架两端对称放置闭水筒和连水筒；传感器一端与固定在中心圆管上的固定盘连接，另一端与杠杆架的一条板材固定，传感器与应变仪连接，应变仪与计算机连接；

所述的中心圆管中部为实心，两端为空心管；闭水筒和连水筒分别通过底部中央的开孔与闭水筒接管和连水筒接管连接；闭水筒接管和连水筒接管还分别与中心圆管中部实心端两侧的空心管对称连接；中心圆管两端的空心管都与软管连接，两端的软管与三通连接；三通还与总水路接管连接；两端的软管中至少一个与三通连接的通路上设有阀门；总水路接管与外部水路连通。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的底板或杠杆架的条板材上设有水准泡。

优选地，所述的底板下端设有水平调节螺丝，水平调节螺丝为四个，分别设置在底板四角下端。

优选地，所述的两条板材设置在两吊板的内侧；两立柱的上端与悬轴连接的方式为铰结。

优选地，所述的传感器采用称重传感器或扭矩传感器。

优选地，所述的称重传感器采用电阻应变式的微小称重传感器。

优选地，所述的传感器与杠杆架的两条板材平行，与吊板垂直安装。

优选地，所述的应变仪与计算机有线或无线连接。

优选地，所述的中心圆管两端穿过安装架的立柱，与软管连接；与三通连接的两端的软管上都设有阀门。

应用所述装置的精密挠度自动测量方法：测量前，调平安装架，打开软管与三通连接的通路上设有的阀门；闭水筒和连水筒同时被注入相同高度的水，杠杆架保持水平平衡状态，传感器置零，关闭软管与三通连接的通路上设有的阀门，水路上的水产生流动，未关闭阀门的闭水筒或连水筒进水或出水，达到另一高度，导致闭水筒和连水筒中水的重量差产生微小变化，使原先处于水平平衡状态的杠杆架失去平衡产生转动力矩；该力矩由传感器监测得到，并通过计算可得到两侧水筒的相对重量变化，从而得到测点处相对与初始固定点的竖向位移，即挠度。

本发明可以调节两水筒在杠杆架上的位置，增加或减少杠杆架力臂长度以增加或减少测试量程，相应降低或提高测试精度。本发明利用杠杆架原理将水筒的初始重量影响去除，而直接用小量程高精度的传感器测取两水筒的相对重量。计算机可以控制应变仪采集、记录、显示传感器所得到的数据，避免了人工读数、记录造成的错误，降低操作人员的劳动强度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明整合了杠杆架原理、连通管和应变测量技术，首先利用连通管，使两水筒重量基本一致，然后关闭一侧水筒，此时杠杆架处于平衡位置。当测点有竖向位移变化时，另侧水筒重量发生变化，杠杆架将绕轴偏转，在传感器悬臂端产生抵抗该偏转的力。该偏转力与水筒重量变化量为线性关系，通过微小高精度的测重传感器可以测量得到。本发明通过杠杆架平衡预先剔除了水筒的初始重量，之后再通过杠杆架测量两个水筒重量的相对变化量，这样就大大减少了对传感器量程的要求而可以使用微小量程传感器来切实提高测量精度。并且还可以根据需要，调整杠杠力臂和水筒尺寸等，物理放大测量信号，提高对结构挠度的精密测量要求。

2、本发明以具有一定刚度的微型称重传感器作为挠度信号的感应器，与杠杆架支点处的中心圆管、杠杆架固定连接在一起，使杠杆架实际偏转角度极其微小，并能即时感应相对的拉、压力变化。传感器输出为电压信号，可以被计算机自动采集，实现挠度的自动实时测量，彻底解放水准测量或挠度测量的人力和工时，同时增加测试频率提高测试精度。

3、本发明采用悬挂的方式实现杠杆架的自动调平。只要安装架处于调平状态，则杠杆架、水筒均自动处于水平位置上。

附图说明

图1是精密挠度自动测量装置的正面结构图。

图2是精密挠度自动测量装置的中心侧视图。

图3是精密挠度自动测量装置的传感器安装放大示意图。

图4是应用精密挠度自动测量装置进行单点测量的原理图。

图5是应用精密挠度自动测量装置进行多点测量的示意图。

图中示出：闭水筒1、安装架2、悬轴3、吊板4、杠杆架5、中心圆管6、固定盘7、闭水筒接管8、连水筒接管9、软管10、阀门11、三通12、总水路接管13、传感器14、应变仪15、调平螺丝16、连水筒17。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、图2和图3所示，一种精密挠度自动测量装置，包括闭水筒1、连水筒17、安装架2、悬轴3、吊板4、杠杆架5、中心圆管6、固定盘7、传感器14和应变仪15。

安装架2包括底板和立柱，两立柱间隔设置在底板中央两端，两立柱的上端与悬轴3活动连接。底板上设有水准泡，用于检测底板的水平情况；底板下端设有水平调节螺丝16，优选水平调节螺丝为四个，分别设置在底板四角下端；两吊板4分别设置在两立柱的内侧，具体是悬轴3的两端分别穿过吊板4和安装架立柱，实现两立柱的上端与悬轴3铰结。两吊板4的上端通过轴承与悬轴3活动连接；两吊板4的下端与中心圆管6固定连接；吊板4可以绕悬轴3自由转动；杠杆架5由至少两条板材组成，两条板材的中部通过轴承与中心圆管6连接；两条板材设置在两吊板4的内侧；杠杆架5两端对称放置闭水筒1和连水筒17。杠杆架5以中心圆管6为支点，可以绕中心圆管6自由转动。传感器14一端与固定在中心圆管6上的固定盘7螺丝连接，另一端与杠杆架5固定，传感器14与应变仪15连接，应变仪15与计算机连接，优选应变仪15与计算机有线或无线连接；传感器14的数据通过计算机软件进行自动采集和数据处理。传感器14采用称重传感器或扭矩传感器；称重传感器优选采用电阻应变式的微小称重传感器。传感器14与杠杆架5的两条板材平行，与吊板4垂直安装。杠杆架5所产生的力矩根据杠杆架原理全部传感器14承受。

中心圆管6中部为实心，两端为空心管；闭水筒1和连水筒17分别通过底部中央的开孔与闭水筒接管8和连水筒接管9连接；闭水筒接管8和连水筒接管9分别与中心圆管6中部实心端两侧的空心管对称连接；中心圆管6两端的空心管都与软管10连接，两端的软管10与三通12连接；三通12还与总水路接管13连接；两端的软管10中至少一个与三通12连接的通路上设有阀门11。总水路接管13与外部水路连通。优选中心圆管6两端穿过安装架2的立柱，与软管10连接。

闭水筒1的水通过闭水筒接管8，再通过中心圆管6流向软管10，连水筒的水通过连水筒接管9，再通过中心圆管6流向软管10，其中闭水筒1的水经过阀门11，闭水筒1和连水筒的两水筒的水在三通12汇合，通过总水路接管13与外部水路连通。

闭水筒1和连水筒17都属于竖管，已知竖管内液体的重量G跟液体的体积成线性关系，在竖管的截面直径d不变的前提下，竖管内液体的体积只跟液面高度h成线性关系；即G＝ρ·g·S·h。其中ρ为液体的密度，g是重力加速度，S为竖管截面面积，竖管内液体优选用水。

当待测结构体的挠度发生变化时，设置在待测结构体待测点的精密挠度自动测量装置处于开路的闭水筒1或连水筒17的水流入或流进，使该水筒液面高度h和水重发生改变，而处于闭路的水筒水重将维持不变，从而两筒水重产生了相对变化。这种相对的水重变化使原先处于平衡的杠杆架要发生偏转，如果受阻，则产生偏转力矩，偏转力矩由传感器测取。

以截面直径为200mm的水筒(闭水筒1和连水筒17)阐明本装置的测试原理和测试精度，但不局限于采用此尺寸。本发明中，闭水筒1和连水筒17内液体液面高度变化与传感器14力值之间的关系具体如下：

闭水筒1或连水筒17两水筒的液面高度变化Δh时，水筒的液体重量变化为ΔG：ΔG＝ρ·g·d²·Δh；所产生的力矩变化ΔM＝ΔG·L；

传感器前端的受力ΔF＝ΔM/L_c＝ρ·g·d²·L/L_c·Δh

设系数k＝L_c/(ρ·g·d²·L),对于一已经固定的本装置，k为常数，于是水筒高度变化Δh与传感器前端的受力ΔF成直线线性关系，即：Δh＝k·ΔF。

其中，L为杠杆架力臂长度，是闭水筒或连水筒的重心到中心圆管的中心线的距离；L_c为传感器力臂长度，是传感器前端到中心圆管的中心线的距离。

本发明可以方便地通过杠杆架比L/Lc将作用到传感器上的力放大很高的倍数，显著提高测量的精度。

表1不同力臂长度下的偏转扭矩

由上表1看出，通过杠杆架，可以不考虑初始平衡时水筒的绝对重量而只需要测量出两筒的相对重量变化造成的转动力矩ΔM或者测出传感器的对应力ΔF，就可以得到所需要的液面变化高度Δh。

制作时，需保证在吊板4与杠杆架5垂直时才能固定传感器，此时悬轴3、吊板4、杠杆架5、中心圆管6、传感器14成为一个整体，记为测量体。使用时，先调平安装架5，因测量体处于悬挂状态，将自动调平。

打开阀门11，测量体两侧水筒进水，杠杆架5仍处于平衡状态，待水面稳定，关闭阀门11，将传感器14读数清零。当测点处有竖向位移时，根据连通器原理，原水路将有水流动，连水筒17将进水或者出水改变水重，而闭水筒1将保持水重不变，从而使两筒水重发生相对的微小改变，杠杆架将失去平衡而产生转动力矩。该力矩在传感器14一端转换为拉、压力形式，传感器14如采用微小的称重传感器，可感应测取该拉、压力信号，再通过应变仪和计算机将此信号予以采集和输出。

利用连水筒17、闭水筒1水量相同时杠杆架平衡，传感器14受力为零或调零；测量时，关闭闭水筒1连接的阀门，使只有连水筒17与总水路接管13继续连通，接受水量变化，从而两筒水重将产生相对变化，对杠杆架产生不平衡力矩，而该不平衡力矩可传递给精密称重传感器并转化为电信号输出。

传感器14由于无需承受整个水筒的重量，而只需承受平衡后两筒的相对重量，因此可以采用微小量程的称重传感器进行测量，从而极大地提高测试的精度。

在中心圆管6上设置轴承，杠杆架5的板上钻孔以安装轴承，并保证杠杆架的板可以自由绕轴转动，闭水筒1、连水筒17和水管及杠杆架板重量应完全对称于中心圆管6轴线。

中心圆管6的中间应有一段实心结构，以隔断连水筒17和闭水筒1的水路；两端部应可接软管10。水从杠杠支点的中心圆管引出，以剔除连接软管对杠杆架可能产生力矩的影响。

连水筒17、闭水筒1的进水管分别从中心圆管6两端通过软管10引出，再在闭水筒1水路上设置阀门，以控制闭水筒的进水或出水。

实施例1

本实施例以测量竖向位移来说明具体的测量方法和测量装置。

如图4所示，在固定不动的位置上设置一基准点，在可动位置上设置一监测点，在一不动的基点上放置一个本精密挠度自动测量装置，在需要监测点位置放置另一本精密挠度自动测量装置，将2个精密挠度自动测量装置安装到这2点上，并调平安装架使水准泡位于中央位置，使安装架2都位于水平位置。两个精密挠度自动测量装置的外部水路连通，根据连通器原理，当监测点位置存在竖向位移f时，所有装置上连通器液面高度将发生相对基点装置液面高度的变化，如图4。连通水路，然后注水，根据连通器原理，各点水面将保持在相同的高度上(如图1第一次水平线)，但各点水筒水高度跟各点所处初始高度有关，但这并不影响结果，因为本装置测量的是装置内部两筒的相对高度，而初始平衡时，本装置的两个筒的水高一致。

关闭阀门11，闭水筒1将断开与总水路接管13的连接，将传感器14读数清零或记录初始值。之后若测点产生竖向移动(如试验机控制横梁动作)，监测点与基准点将产生高度差。根据连通器原理，连水筒17的水将由于新的高度差而开始移动，直到达到另一个水平面(第二次水平线)为止。从而连水筒17发生了重量变化，而闭水筒1重量不变，两水筒重量产生相对差，从而使杠杆架5失去平衡，进而使传感器14受力，传感器前端的受力ΔF作为输出力信号由计算机采集得到。

监测点位置的竖向位移f与基点上精密挠度自动测量装置上的高度变化的关系为：

第1次平衡时：L0＝L1

监测点位置竖向下降f，第2次平衡后：L0-Δh₀+f＝L1+Δh₁

f＝Δh₁+Δh₀

L0为基准点连水筒测试前的水位；L1为监测点连水筒第1次平衡时的水位；Δh₀为监测点连水筒第1次平衡时的水位变化高度；Δh₁为监测点连水筒第2次平衡时的水位变化高度。

同理，若测点很多，任意地i个测点的挠度f_i＝Δh_i+Δh₀，可见挠度跟水筒原始高度无任何关系，只要测到各测点与基点处的相对高度变化，就可以得到测点处的挠度或者位移。

Δh₁＝k·ΔF₁，Δh₀＝k·ΔF₀

于是：f＝Δh₁+Δh₀＝k·(ΔF₁+ΔF₀)

k为常数；ΔF₁为监测点传感器第2次测试的对应力；ΔF₀为监测点传感器第一次测试的对应力。可见，竖向位移f可直接由各装置的传感器读数得到。

实施例2

本实施例以测量桥梁挠度(竖向位移)来说明多点的具体的测量方法和测量装置。

如图5所示，将多个本精密挠度自动测量装置放置到待测绕度的桥梁待测点上，待测点如桥梁跨中、支点或1/4L等位置，当然，也需要选择在桥梁外固定不动点上作为基准点。

调平安装架，使各精密挠度自动测量装置自动调平，打开所有装置进水的阀门11，使各精密挠度自动测量装置成为连通器，直至水面稳定，达到第一次水平线(未画出)。

此时，各精密挠度自动测量装置由于桥梁待测点位置本身具有初始高度差而导致各装置的水筒水面高度不同，各装置初始读数也不同，但可以作为初始值予以置零。

关闭各装置上的闭水筒的阀门，并在电脑采样软件中对所有数据清零或记录初始值。对桥梁实施加载，各测点将产生竖向位移，各装置上的连水筒水面高度将发生改变，直至达到另一水平线(第二次水平线)。各精密挠度自动测量装置的连水筒17与闭水筒1的高度差反应了连水筒的水面高度的变化，并引起杠杆架偏转，传感器14受力变化，输出力信号ΔF_i，由装置固定系数k_i计算得到。再由各测点装置上的高度变化值Δh_i计算得到各测点的挠度(或竖向位移)，即：

f_i＝Δh_i+Δh₀

目前多采用精密水准仪或全站仪来测量竖向位移或者挠度，精度为0.1mm，施工工况变化时就需要进行测量，当测点多时，工作量大，人工成本非常高，测量误差有的非常大。采用本发明后，前期根据需要布置好本装置并连通水路后，就可以由计算机自动采集挠度数据，从而实现实时监测工况变化时数据的变化，大大节约人工成本，并提高测量精度减少人为误差。

本精密挠度自动测量装置的精度可根据需要进行适当调整提高，比如当采用水筒边长200mm，力臂长度240mm时，挠度变化0.1mm时，变化力为0.15牛，换算为公斤是15克，完全可由称重传感器感应得到。当采用水筒边长300mm，力臂长度240mm时，挠度变化0.1mm时，变化力为0.15牛*9/4，换算为公斤是34克，此时精度提高近一倍，即达到0.05mm。可见，跟现有技术的人工测量对比，本精密挠度自动测量装置是自动测量，在精度一样或要求更高的前提下，本发明具有明显优势。

本发明精密挠度自动测量装置可广泛用于建筑、工程、护坡、基坑等土木工程的施工过程竖向位移(沉降)测量，更可以适用于结构静、动态检测中的结构短期挠度测量，还可以作为既成结构的长期挠度测量的基本工具。

需要说明的是，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种挠度自动测量装置，其特征在于：包括闭水筒、连水筒、安装架、悬轴、吊板、杠杆架、中心圆管、固定盘、传感器和应变仪；

2.根据权利要求1所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的底板或杠杆架的条板材上设有水准泡。

3.根据权利要求1所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的底板下端设有水平调节螺丝，水平调节螺丝为四个，分别设置在底板四角下端。

4.根据权利要求1所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的两条板材设置在两吊板的内侧；两立柱的上端与悬轴连接的方式为铰结。

5.根据权利要求1所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的传感器采用称重传感器或扭矩传感器。

6.根据权利要求5所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的称重传感器采用电阻应变式的微小称重传感器。

7.根据权利要求1所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的传感器与杠杆架的两条板材平行，与吊板垂直安装。

8.根据权利要求1所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的应变仪与计算机有线或无线连接。

9.根据权利要求1所述的挠度自动测量装置，其特征在于，所述的中心圆管两端穿过安装架的立柱，与软管连接；与三通连接的两端的软管上都设有阀门。

10.应用权利要求1-9任一项所述装置的挠度自动测量方法，其特征在于，测量前，调平安装架，打开软管与三通连接的通路上设有的阀门；闭水筒和连水筒同时被注入相同高度的水，杠杆架保持水平平衡状态，传感器置零，关闭软管与三通连接的通路上设有的阀门，水路上的水产生流动，未关闭阀门的闭水筒或连水筒进水或出水，达到另一高度，导致闭水筒和连水筒中水的重量差产生微小变化，使原先处于水平平衡状态的杠杆架失去平衡产生转动力矩；该力矩由传感器监测得到，并通过计算可得到两侧水筒的相对重量变化，从而得到测点处相对与初始固定点的竖向位移，即挠度。