CN112902850A - 基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法，包括桥梁底板、支座、桥墩和支座位移传感系统；当支座与桥墩之间、支座和桥梁底板之间产生相对位移时，固定在支座上的光源发射装置和固定在桥梁底板、桥墩上的矩形镜面反射装置之间会产生相对位移，通过在光源接收装置上成像产生的位移换算成实际的相对位移；通过数据采集仪直接转换出实际的相对位移，并传输至后台健康监测系统；本发明构造简单、安装方便，可更加准确、灵活地监测支座位移，服务于桥梁健康监测系统，可同时应用于桥梁支座服役状态评估，提升桥梁支座的智能化水平和桥梁健康监测的水准。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁结构健康监测技术领域，特别是一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，科学技术的进步及交通运输的需求，我国在桥梁建设方面取得了巨大的成就，桥梁作为交通运输的枢纽，在我们的日常生活中承担着极其重要的角色，正是因为一座座桥梁的存在，使得全国的公路及铁路运输网得以贯通，构成了四通八达交通运输系统；桥梁对于城市交通的重要性也与日俱增，随着交通运输量的增大，行车密度、行车速度的不断增长，特别是推行拖挂运输和集装箱运输后，重型车辆日益增加，这些因素都会导致桥梁产生过大变形，会影响车辆行驶的舒适性、稳定性，会危害桥梁安全，所以说桥梁工程是关系到人民生命财产安全的工程，因此桥梁的健康情况需得到高度重视，那么如何能科学、有效、合理、准确的对桥梁健康状况进行监测是目前要高度重视的问题；目前，位移传感器被广泛应用在桥梁位移变形监测中，而现有的位移传感器，通常是拉绳位移传感器，主要是通过连接梁板底部和支座测量位移差，通过拉绳的伸长或收缩转化成电阻的变化来反映位移的变化，但是，这种位移传感器存在以下缺点：1、传感器所处环境有一部分暴露在周围环境中，容易受外界影响，导致测量误差；2、当桥梁与支座发生纵向位移时，比如发生桥梁跳车时产生的临时位移，传感器也会产生数据，导致测量不准确；3、顺桥向和横桥向的位移会导致测量的数据发生耦合关系，增加数据处理的工作量；4、拉绳位移传感器因为外界温度的影响会导致电阻发生变化，导致数据与真实不符；5、拉绳位移传感器的连接点处于梁体和支座之间，忽视了桥墩与支座之间的相对位移,6、拉绳位移传感器的材料磨损性也导致了后期维护的不经济性和测量数据不准确性。
发明内容
为了克服现有监测系统的缺点，本发明提出了一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器，包括桥梁底板、传感器固定外壳、光感位移传感器、环形胶垫板、数据采集仪、电缆、配电柜、圆环形固定板、支座、桥墩、固定螺钉、光源发射装置、矩形镜面反射装置、光源接收装置、位移感应金属板和矩形镜面反射装置固定板；所述光感位移传感器包括光源发射装置、矩形镜面反射装置、光源接收装置、位移感应金属板和矩形镜面反射装置固定板；所述圆环形固定板以支座为中心由固定螺钉连接固定在桥梁底板上，将传感器固定外壳以支座为中心由固定螺钉固定在圆环形固定板上，将位移感应金属板安装围在支座的外围，使位移感应金属板能随着支座的位移而移动，所述支座为矩形截面，桥墩为圆形截面，将两个矩形镜面反射装置固定板以支座为中心成90°方向分别安装在传感器固定外壳与位移感应金属板之间，并安装在桥梁底板上，矩形镜面反射装置固定板与支座的外表面平行，并距离支座外表面为140mm，将两个矩形镜面反射装置分别垂直安装在该两个矩形镜面反射装置固定板上；再将另外两个矩形镜面反射装置垂直安装在传感器固定外壳内侧壁上；将两套光源发射装置和光源接收装置以支座为中心成90°方向分别安装在位移感应金属板的外侧壁；光源发射装置和光源接收装置及两组矩形镜面反射装置分别以顺桥向和横桥向两个方向安装；光感位移传感器安装在传感器固定外壳与位移感应金属板之间，环形胶垫板安装在光感位移传感器的下面，并与传感器固定外壳连接固定；将数据采集仪通过固定螺钉安装在桥墩一侧外壁上，并由电缆将数据采集仪和光源发射装置、光源接收装置连通；将配电柜通过固定螺钉安装在桥墩另一侧并用电缆将配电柜和光源发射装置、光源接收装置连通；所述支座的尺寸为长度100～500mm、宽度100～500mm、高度21～85mm；所述传感器固定外壳的尺寸为直径420～980mm；所述安装围在支座外围成圆筒形的位移感应金属板的尺寸为直径141～707mm；所述光源发射装置和光源接受装置尺寸相同，其长80mm、宽80mm、高40mm；所述固定螺钉的尺寸为直径9mm、长50mm。
所述一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器的安装方法：
a、将位移感应金属板包裹安装至支座的外围，再将光源发射装置、光源接收装置分别以顺桥向和横桥向两个方向安装固定在位移感应金属板外壁上；
b、将两个矩形镜面反射装置垂直安装在矩形镜面反射装置固定板上；再将另外两个矩形镜面反射装置安装在传感器固定外壳的内壁，两组矩形镜面反射装置分别为横桥向和顺桥向，并与支座外表面平行；
c、将圆环形固定板通过固定螺钉以支座为中心固定在桥梁底板上；将矩形镜面反射装置固定板通过固定螺钉固定安装在距离支座外表面140mm位置，并与支座的外表面平行；将传感器固定外壳用固定螺钉以支座为中心固定在圆环形固定板上；
d、将数据采集仪通过固定螺钉安装在桥墩一侧并用电缆将数据采集仪和光源发射装置、光源接收装置连通；将配电柜通过固定螺钉安装在桥墩另一侧并用电缆将配电柜和光源发射装置、光源接收装置连通并通电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用了封闭式安装，减少支座位移传感器周围不理环境对其影响，减少数据采集误差。
2、利用光感位移传感器设备，减少温度对数据采集的影响。
3、利用两组独立的光感位移传感器分别监测顺桥向和横桥向的支座位移，避免两个方向的位移耦合误差。
4、利用光感位移传感器的测距方式，避免了当支座和梁体发生垂直位移时的误差。
5、增加测量支座和桥墩之间位移的这一维度，提高了测量支座位移的准确度。
6、提高了传感器的使用寿命，避免所测数据产生断层。
附图说明
图1为本发明一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法的安装示意主视图；
图2为本发明一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法的安装示意俯视图；
图3为本发明一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法的光感位移传感器内部结构图；
图4为本发明一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法光感位移传感器的工作原理图。
图中：1-桥梁底板，2-传感器固定外壳，3-光感位移传感器，4-环形胶垫板，5-数据采集仪，6-电缆，7-配电柜，8-圆环形固定板，9-支座，10-桥墩，11-固定螺钉，12-光源发射装置，13-矩形镜面反射装置，14-光源接收装置，15-位移感应金属板，16-矩形镜面反射装置固定板。
具体实施方式
本发明一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器，包括底板1、传感器固定外壳2、光感位移传感器3、环形胶垫板4、数据采集仪5、电缆6、配电柜7、圆环形固定板8、支座9、桥墩10、固定螺钉11、光源发射装置12、矩形镜面反射装置13、光源接收装置14、位移感应金属板15、矩形镜面反射装置固定板16；所述的光感位移传感器3包括光源发射装置12，矩形镜面反射装置13，光源接收装置14，位移感应金属板15，矩形镜面反射装置固定板16；如图1、图2所示，所述的圆环形固定板8以支座9为中心由固定螺钉11连接固定在桥梁底板1上，将传感器固定外壳2以支座9为中心由固定螺钉11固定在圆环形固定板8上，如图3所示，将位移感应金属板15安装围在支座9的外围成圆筒形，使位移感应金属板15能随着支座9的位移而移动，所述的支座9为矩形截面，桥墩10为圆形截面，将两个矩形镜面反射装置固定板16以支座9为中心成90°方向分别安装在传感器固定外壳2与位移感应金属板15之间，并安装在桥梁底板上，矩形镜面反射装置固定板16与支座9的外表面平行，并距离支座9外表面为140mm，将两个矩形镜面反射装置13分别垂直安装在该两个矩形镜面反射装置固定板16上；再将另外两个矩形镜面反射装置13垂直安装在传感器固定外壳2内侧壁上；将两套光源发射装置12和光源接收装置14以支座9为中心成90°方向分别安装在位移感应金属板15的外侧壁；光源发射装置12和光源接收装置14及两组矩形镜面反射装置13分别以顺桥向和横桥向两个方向安装；光感位移传感器3安装在传感器固定外壳2与位移感应金属板15之间，环形胶垫板4安装在光感位移传感器3的下面，并与传感器固定外壳2连接固定；将数据采集仪5通过固定螺钉11安装在桥墩10一侧外壁上，并由电缆6将数据采集仪5和光源发射装置12、光源接收装置14连通；将配电柜7通过固定螺钉11安装在桥墩另一侧并用电缆6将配电柜7和光源发射装置12、光源接收装置14连通。
所述支座9的尺寸为长度100～500mm、宽度100～500mm、高度21～85mm之间可选；所述传感器固定外壳2的尺寸为直径420～980mm之间可选；所述的位移感应金属板15的尺寸为直径141～707mm之间可选；所述的光源发射装置12和光源接受装置14尺寸相同，其为长80mm、宽80mm、高40mm；所述的固定螺钉11的尺寸为直径9mm长50mm。
如图4所示，本发明一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法的工作原理如下：
a.首先光源发射装置12以50Hz的频率发射光束，采用斜射的方式将一部分光束以θ入射角度射到固定在桥墩10上的矩形镜面反射装置13上，光束将以θ反射角度返回光源接收装置14上，另一部分光束以同样的入射角度射到固定在传感器固定外壳2上的矩形镜面反射装置13，同理以θ反射角度返回光源接收装置14上。
b.当支座9与桥墩10之间产生相对位移x1时，固定在支座9上的光源发射装置12和固定在桥墩10上的矩形镜面反射装置13之间会产生相对位移x1，同时在光源接收装置14上成像产生的位移为x1’；同理，支座9和桥梁底板1之间产生相对位移x2时，固定在支座9上的光源发射装置12和固定在桥梁底板1上的矩形镜面反射装置13之间会产生相对位移x2，同时在光源接收装置14上成像产生的位移为x2’，所述x1与x1’、x2与x2’的几何关系表达式为：
c.所述数据采集仪5计算光源接受装置12上的成像位移值x1’、x2’，再依据上述几何关系，计算得到相对位移值x1、x2，并将结果传送至桥梁健康监测系统中。
本发明一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器及其安装方法最佳实施例的安装步骤如下：
a、将直径560mm、高度200mm及厚度10mm的位移感应金属板15包裹安装至边长396mm、高度200mm的支座9的外围成圆筒状，再将两个长80mm、宽80mm、高40mm的光源发射装置12、光源接收装置14分别以顺桥向和横桥向两个方向安装固定在位移感应金属板15外壁上，并且二者方向保证垂直，光源发射装置12和光源接收装置14尺寸相同；
b、将长320mm、宽190mm及厚度8mm的两个矩形镜面反射装置13垂直安装在长320mm、宽16mm及厚度5mm的矩形镜面反射装置固定板16上；再将另外两个长320mm、宽190mm及厚度8mm的矩形镜面反射装置13安装在直径840mm、高度190mm及厚度10mm的传感器固定外壳2的内侧壁，两组矩形镜面反射装置分别为横桥向和顺桥向安装，并与支座外表面平行；
c、将内径820mm、外径920mm的圆环形固定板8通过固定螺钉11以支座9为中心固定在桥梁底板1上；将矩形镜面反射装置固定板16通过固定螺钉11固定安装在距离支座9外表面140mm位置，并与支座9的外表面平行；将传感器固定外壳2用固定螺钉11以支座9为中心固定在圆环形固定板8上；
d、将长200mm、宽100mm、高400mm的数据采集仪5通过固定螺钉11安装在桥墩10一侧并用电缆6将数据采集仪5和光源发射装置12、光源接收装置14连通；将长500mm、宽300mm、高700mm的配电柜7通过固定螺钉11安装在桥墩10另一侧并用电缆6将配电柜7和光源发射装置12、光源接收装置14连通并通电。
Claims (3)
1.一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器，其特征在于：包括桥梁底板(1)、传感器固定外壳(2)、光感位移传感器(3)、环形胶垫板(4)、数据采集仪(5)、电缆(6)、配电柜(7)、圆环形固定板(8)、支座(9)、桥墩(10)、固定螺钉(11)、光源发射装置(12)、矩形镜面反射装置(13)、光源接收装置(14)、位移感应金属板(15)和矩形镜面反射装置固定板(16)；所述光感位移传感器(3)包括光源发射装置(12)、矩形镜面反射装置(13)、光源接收装置(14)、位移感应金属板(15)和矩形镜面反射装置固定板(16)；所述圆环形固定板(8)以支座(9)为中心由固定螺钉(11)连接固定在桥梁底板(1)上，将传感器固定外壳(2)以支座(9)为中心由固定螺钉(11)固定在圆环形固定板(8)上，将位移感应金属板(15)安装围在支座(9)的外围，使位移感应金属板(15)能随着支座(9)的位移而移动，所述支座(9)为矩形截面，桥墩(10)为圆形截面，将两个矩形镜面反射装置固定板(16)以支座(9)为中心成90°方向分别安装在传感器固定外壳(2)与位移感应金属板(15)之间，并安装在桥梁底板上，矩形镜面反射装置固定板(16)与支座(9)的外表面平行，并距离支座(9)外表面为140mm，将两个矩形镜面反射装置(13)分别垂直安装在该两个矩形镜面反射装置固定板(16)上；再将另外两个矩形镜面反射装置(13)垂直安装在传感器固定外壳(2)内侧壁上；将两套光源发射装置(12)和光源接收装置(14)以支座(9)为中心成90°方向分别安装在位移感应金属板(15)的外侧壁；光源发射装置(12)和光源接收装置(14)及两组矩形镜面反射装置(13)分别以顺桥向和横桥向两个方向安装；光感位移传感器(3)安装在传感器固定外壳(2)与位移感应金属板(15)之间，环形胶垫板(4)安装在光感位移传感器(3)的下面，并与传感器固定外壳(2)连接固定；将数据采集仪(5)通过固定螺钉(11)安装在桥墩(10)一侧外壁上，并由电缆(6)将数据采集仪(5)和光源发射装置(12)、光源接收装置(14)连通；将配电柜(7)通过固定螺钉(11)安装在桥墩另一侧并用电缆(6)将配电柜(7)和光源发射装置(12)、光源接收装置(14)连通。
2.如权利要求1所述的一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器，其特征在于：所述支座(9)的尺寸为长度100～500mm、宽度100～500mm、高度21～85mm；所述传感器固定外壳(2)的尺寸为直径420～980mm；所述安装围在支座(9)外围成圆筒形的位移感应金属板(15)的尺寸为直径141～707mm；所述光源发射装置(12)和光源接受装置(14)尺寸相同，其长80mm、宽80mm、高40mm；所述固定螺钉(11)的尺寸为直径9mm、长50mm。
3.权利要求1所述一种基于桥梁健康监测系统的支座位移传感器的安装方法，其特征在于：
a、将位移感应金属板(15)包裹安装至支座(9)的外围，再将光源发射装置(12)、光源接收装置(14)分别以顺桥向和横桥向两个方向安装固定在位移感应金属板(15)外壁上；
b、将两个矩形镜面反射装置(13)垂直安装在矩形镜面反射装置固定板(16)上；再将另外两个矩形镜面反射装置(13)安装在传感器固定外壳(2)的内壁，两组矩形镜面反射装置分别为横桥向和顺桥向，并与支座外表面平行；
c、将圆环形固定板(8)通过固定螺钉(11)以支座(9)为中心固定在桥梁底板(1)上；将矩形镜面反射装置固定板(16)通过固定螺钉(11)固定安装在距离支座(9)外表面140mm位置的桥墩上，并与支座(9)的外表面平行；将传感器固定外壳(2)用固定螺钉(11)以支座(9)为中心固定在圆环形固定板(8)上；
d、将数据采集仪(5)通过固定螺钉(11)安装在桥墩(10)一侧并用电缆(6)将数据采集仪(5)和光源发射装置(12)、光源接收装置(14)连通；将配电柜(7)通过固定螺钉(11)安装在桥墩(10)另一侧并用电缆(6)将配电柜(7)和光源发射装置(12)、光源接收装置(14)连通并通电。
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