CN113503837B - 一种光纤光栅倾角传感器及桥梁 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤光栅倾角传感器以及桥梁，属于桥梁监测设备技术领域，包括壳体、位移传递组件、滑块和光纤光栅，壳体用于固定设置在桥墩柱体上，且位于支座的上支座板的下方；位移传递组件位于壳体内，上端倾斜向上伸出壳体，并且与上支座板相接；滑块与位移传递组件的下端连接，能够在位移传递组件的带动下沿水平方向滑动；光纤光栅沿上下方向设置，上端与壳体固定连接，下端与滑块相接；其中，在支座发生偏转时，上支座板带动位移传递组件摆动，使位移传递组件推动滑块移动，以使光纤光栅产生应变。本发明由于在桥墩柱体上安装了上述传感器，可以在支座的有限测量区间和测量空间内实现实时监测支座倾角，且测量精度高。

Description

一种光纤光栅倾角传感器及桥梁

技术领域

本发明属于桥梁监测设备技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤光栅倾角传感器。

背景技术

为保证桥梁的正常运载状态，可以通过监测桥梁的支座来反应桥梁的健康状态。支座作为桥梁承载系统中的重要组成部分，位于梁体和桥墩柱体之间。支座可以将梁体所受的载荷传递至桥墩柱体上，并减缓由于异常因素引起的冲击。支座本身应该具有足够的承载能力，以保证可靠地传递桥墩柱体形成的反力。梁体在竖直荷载下会发生挠曲变形，需要支座产生相应的转角来满足桥梁端部的转动，所以支座还要做到减小对桥梁的约束，保证梁体可以正常变位(位移和转角)。当支座的转动性能不足时会发生支座的转动掉落，对桥梁结构健康状态带来一定的影响。通过支座的转动性能可以更容易地分析出桥梁的健康状态。

支座倾角是判断桥梁、支座健康状态的重要参数，它关系到列车车辆、汽车车辆的正常运行。尤其是对于列车的提速、平稳性等都有很大的影响。因此必须对支座的转角进行监测。

目前工程市场上的球型支座关于倾角测量的问题仍有不足，球型支座本身不包含倾角监测装置，无法对支座的倾角进行实时监测。采用远程机器人操控监测技术，虽然能提高监测精度，但是监测成本高，普及率低，且不便于维修。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤光栅倾角传感器，旨在解决现有技术中无法对桥梁球形支座的倾角进行实时监测的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种光纤光栅倾角传感器，包括：：

壳体，用于固定设置在桥墩柱体上，且位于支座的上支座板的下方；

位移传递组件，位于所述壳体内，上端倾斜向上伸出所述壳体，并且与所述上支座板相接；

滑块，与所述位移传递组件的下端连接，能够在所述位移传递组件的带动下沿水平方向滑动；以及

光纤光栅，沿上下方向设置，上端与所述壳体固定连接，下端与所述滑块相接；

其中，在所述支座发生偏转时，所述上支座板带动所述位移传递组件摆动，使所述位移传递组件推动所述滑块移动，以使所述光纤光栅产生应变。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，壳体固定在桥墩柱体上，并且位于支座的上支座板下方，位移传递组件和上支座板相接，用于接收上支座板的偏转，在支座发生偏转时，上支座板会带动位移传递组件摆动，位移传递组件将支座转角转化成滑块的水平位移，推动光纤光栅摆动，使光纤光栅发生应变，产生波长移动，通过波长漂移量可反推上支座板的倾角。

本发明提供的光纤光栅倾角传感器，由于固定在桥墩柱体上，可以实时监测支座倾角；另外，由于支座倾角变化非常小，通过位移传递组件可以将支座小角度的偏转放大为光纤光栅的大角度的摆动，以提升测量精度，实现在有限的测量区间和测量空间内的有效监测。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述位移传递组件包括：

直杆，相对于上下方向呈倾斜状态，下端与所述滑块连接；

V型杆，第一端倾斜向上伸出所述壳体，第二端与所述直杆的上端铰接；以及

回转轴，固定设置在所述壳体内，并且与所述V型杆转动连接。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述光纤光栅倾角传感器还包括悬臂梁；所述悬臂梁沿上下方向设于所述壳体内，且上端与所述壳体固定连接，下端与所述滑块相抵接；所述光纤光栅通过所述悬臂梁固定在所述壳体内。

一些实施例中，所述光纤光栅粘贴在所述悬臂梁的上部。

一些实施例中，所述悬臂梁设有两个，分别位于所述滑块的滑动方向的两侧，并且所述悬臂梁的下端与所述滑块的侧面相抵接。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述壳体的底部设置有滑轨，所述滑块滑动连接在所述滑轨上；所述壳体的顶部开设有避让槽，所述避让槽用于避让所述位移传递组件。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述壳体的两个相对的侧面为开口面，所述开口面用于避让所述位移传递组件摆动；所述壳体的外部还罩设有罩体。

第二方面，本发明实施例还提供了一种桥梁，包括桥墩柱体、梁体、连接于所述桥墩柱体与所述梁体之间的支座，所述桥墩柱体上安装有上述的光纤光栅倾角传感器。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，由于在桥墩柱体上安装了上述的光纤光栅倾角传感器，可以在支座的有限测量区间和测量空间内实现实时监测支座倾角，且测量精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光纤光栅倾角传感器的立体结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的光纤光栅倾角传感器的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光纤光栅倾角传感器的立体结构示意图二(图中省略了罩体)；

图4为图3中的位移传递组件和悬臂梁的连接结构示意图；

图5为本发明提供的光纤光栅倾角传感器安装在桥梁上的结构示意图；

图6为本发明提供的光纤光栅倾角传感器的V型杆的第二端和直杆的数学模型图；

图7为本发明提供的光纤光栅倾角传感器的悬臂梁的结构示意图。

图中：1、壳体；11、滑轨；12、避让槽；2、滑块；3、位移传递组件；31、直杆；32、V型杆；33、回转轴；4、光纤光栅；5、罩体；6、悬臂梁；7、支座；71、上支座板；8、梁体；9、桥墩柱体。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的光纤光栅倾角传感器进行说明。所述光纤光栅倾角传感器，包括壳体1、滑块2、位移传递组件3以及光纤光栅4。壳体1用于固定设置在桥墩柱体9上，且位于支座7的上支座板71的下方；滑块2与位移传递组件3的下端连接，能够在位移传递组件3的带动下沿水平方向滑动；光纤光栅4沿上下方向设置，上端与壳体1固定连接，下端与滑块2相接；其中，在支座7发生偏转时，上支座板71带动位移传递组件3摆动，使位移传递组件3推动滑块2移动，以使所述光纤光栅4产生应变。

需要说明的是，本实施例中的支座7为球形支座7，球型支座7目前在工程市场上运用广泛，相对于普通的钢支座，其传递力的性能更好，承受更大的竖向载荷。在承载非均部载荷所形成的倾斜变形时，球型支座7能够更好地将倾斜性能体现出来，起到对桥梁梁体8的保护作用。

球形支座7包括上支座板71、不锈钢板、平面滑板、球冠衬板、球面不锈钢板、密封环、球面滑板和下支座板。其中，上支座板71与梁体8相接，下支座板固定在桥墩柱体9的顶面。

本发明提供的光纤光栅倾角传感器，与现有技术相比，壳体1固定在桥墩柱体9上，并且位于上支座板71下方，位移传递组件3和上支座板71相接，用于接收上支座板71的偏转，在支座7发生偏转时，上支座板71会带动位移传递组件3的上端向下摆动，位移传递组件3的下端跟随摆动，以推动滑块2水平移动，使光纤光栅4发生波长移动，产生应变，通过应变量可计算得到上支座板71的倾角。

本发明提供的光纤光栅倾角传感器，由于固定在桥墩柱体9上，可以实时监测支座7的倾角；另外，由于支座7倾角变化非常小，上支座板71的最大偏转程度为0.02rad(即1.146°)；通过位移传递组件3可以将小角度的偏转放大为光纤光栅4的大角度的摆动，提升了测量精度，实现了在有限的测量区间和测量空间内的有效监测。

在一些实施例中，位移传递组件3可以采用如图2、图3和图4所示结构。参见图2、图3和图4，位移传递组件3包括直杆31、V型杆32和回转轴33，直杆31相对于上下方向呈倾斜状态，下端与滑块2连接；V型杆32的第一端倾斜向上伸出壳体1，第二端与直杆31的上端铰接；回转轴33固定设置在壳体1内，并且与V型杆32转动连接，优选地，回转轴33穿设于V型杆32的尖端。

在支座7发生偏转时，上支座板71挤压V型杆32，使V型杆32绕回转轴33转动，V型杆32的第二端带动直杆31摆动，直杆31推动滑块2移动，以使光纤光栅4产生应变。

优选地，为了保证滑块2移动平衡稳定，位移传递组件3平行设置两个，在垂直于滑块2滑动的水平方向上，两组位移传递组件3分别位于滑块2的两侧。

V型杆32和直杆31的组合方式，一方面，可以减少位移传递组件3的水平及竖直占用空间，便于实现由支座7的偏转转化为滑块2的水平移动，另一方面，V型杆32和直杆31的自身结构，便于实施计算光纤光栅4的应变与支座7倾角的关系。

在一些实施例中，该光纤光栅倾角传感器还可以采用如图2、图3及图4所示的结构。参见图2、图3及图4，所述光纤光栅倾角传感器还包括悬臂梁6；悬臂梁6沿上下方向设于壳体1内，且上端与壳体1固定连接，下端与滑块2相抵接；光纤光栅4通过悬臂梁6固定在壳体1内。优选地，光纤光栅4粘贴在悬臂梁6的上部。

由于光纤光栅4为线状结构，为了精准控制其应变，利用悬臂梁6来固定光纤光栅4，以提升光纤光栅4的变形稳定性能。

优选地，悬臂梁6设有两个，分别位于滑块2的滑动方向的两侧，并且悬臂梁6的下端与滑块2的侧面相抵接。由于位移传递组件3可以绕回转轴33向上或向下摆动，因此在滑块2的两侧均设置悬臂梁6，分别对应位移传递组件3的顺时针摆动和逆时针摆动。

在一些实施例中，上述壳体1可以采用如图2所示结构。参见图2，壳体1的底部设置有滑轨11，滑块2滑动连接在滑轨11上；壳体1的顶部开设有避让槽12，避让槽12用于避让位移传递组件3。滑轨11用于保证滑块2直线移动。需要说明的是，悬臂梁6位于滑轨11的上方。

在滑块2的滑动方向上，壳体1的两个相对的侧面为开口面，开口面用于避让悬臂梁6及位移传递组件3摆动。由于该传感器安装在桥墩柱体9上，安装环境恶劣，为了避免杂质进入壳体1内，壳体1的外部还罩设有罩体5，如图1所示。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种桥梁，包括桥墩柱体9、梁体8、连接于桥墩柱体9与梁体8之间的支座7，在桥墩柱体9上安装有上述的光纤光栅倾角传感器。

本发明提到的桥梁，由于在桥墩柱体9上安装了上述的光纤光栅倾角传感器，可以在支座7的有限测量区间和测量空间内实现实时监测支座倾角，且测量精度高。

以下是该光纤光栅倾角传感器的应变与支座7倾角关系的计算方法。

以TJQZ-8360-5000球型支座为例，上支座板71的长度X＝950mm。

假设该球型支座7的偏转角度为顺时针θ，当上支座板71发生偏转时，上支座板71左右两侧的竖直位移差值a为：

a＝950mm×tanθ

此时单侧位移倾角传感器所能监测到的位移为a/2。当偏转角度为0.02rad时，达到了上支座板71的最大偏转程度。在最大偏转角度内，上支座板71的偏转位移为9.45mm。

由于偏转位移与实际圆弧接近，故将竖直位移视为上支座板71的位移。

V型杆32在9.45mm内的偏转弦长与弧长所计算得到的圆心角度几乎一致，故将上支座板71的竖直位移等价于V型杆32的偏转弧长，此时得到偏转的圆弧长S为：

V型杆32的尖端(即回转中心)与第一端的距离为l₁，l₁＝43mm，那么假设V型杆32的偏转角度为

则：

V型杆32的回转中心至第二端的距离为l₂，l₂＝42mm。建立V型杆32的第二端和直杆31的数学模型，如图6所示。

图6的数学模型是将实际应用中的传感器模型简化后，逆时针旋转90°。

假设O点为回转中心，初始角为β＝70.187°，直杆322的长度为100mm，V型杆32的第二端和直杆31的夹角设置为80°。以A点为圆心(此时A点坐标为(42cos70.187°，42sin70.187°))，直杆31的长度为半径，做圆弧，交x＝105mm于B点，得到方程：

(x-42cos70.187°)²+(y-42sin70.187°)²＝100²

计算初始位置滑块2所处位置即x＝105mm时，可由数学方程计算得到，初始位置时的纵坐标为-2.56mm。此数学方程应得到两解，结合传感器初始布置的实际情况，B点的纵坐标要在A点纵坐标以下，故排除另外一解。

当上支座板71带动V型杆32发生偏转时，假设偏转角度为α，此时V型杆32的第二端端与x轴之间的夹角为(β-α)，则方程变化为：

[x-42cos(70.187°-α)]²+[y-42sin(70.187°-α)]²＝100²

得到纵坐标的位置的表达式为：

故悬臂梁6末端的水平位移的大小δ：

滑块2的水平位移大小即悬臂梁6的末端挠度大小。

悬臂梁6的模型图如图7所示。

悬臂梁6截面距离固定端为x处的弯矩方程为：

M(x)＝-F(l-x)＝F(x-l)

列出该悬臂梁6曲线的微分方程并进行两次积分得到：

注：E为悬臂梁材料的弹性模量；

I为悬臂梁的极惯性矩。

第一次积分后得到角度θ与x之间的关系；

第二次积分后得到挠度y与x之间的关系；

由边界条件可得：

带入方程中可得到：

故悬臂梁6的挠度方程为：

当x＝l时，取得悬臂梁6挠度的最大值y_B：

悬臂梁6末端的水平位移δ视为悬臂梁的挠度大小y_max。悬臂梁6的截面为圆形，故其极惯性矩为:

其中d＝h。

悬臂梁应力公式：

结合胡克定律：

将悬臂梁应力公式及力的方程代入胡克定律即可得到：

在该设计中，悬臂梁6上光纤光栅4的粘贴位置l＝100mm，悬臂梁6截面边长h＝5mm。整理得到支座7倾角θ和悬臂梁6应变ξ之间的关系为：

当θ在0-0.02rad变化时，ξ的变化情况如下表所示：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范范之内。

Claims (7)

1.一种光纤光栅倾角传感器，其特征在于，包括：

壳体，用于固定设置在桥墩柱体上，且位于支座的上支座板的下方；

位移传递组件，位于所述壳体内，上端倾斜向上伸出所述壳体，并且与所述上支座板相接；

滑块，与所述位移传递组件的下端连接，能够在所述位移传递组件的带动下沿水平方向滑动；以及

光纤光栅，沿上下方向设置，上端与所述壳体固定连接，下端与所述滑块相接；

其中，所述位移传递组件包括：

直杆，相对于上下方向呈倾斜状态，下端与所述滑块连接；

V型杆，第一端倾斜向上伸出所述壳体，第二端与所述直杆的上端铰接；以及

回转轴，固定设置在所述壳体内，并且与所述V型杆转动连接，所述回转轴穿设于所述V型杆的尖端；

在所述支座发生偏转时，所述上支座板挤压所述V型杆，使所述V型杆绕所述回转轴转动，所述V型杆的第二端带动所述直杆摆动，所述直杆推动所述滑块移动，以使所述光纤光栅产生应变。

2.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述光纤光栅倾角传感器还包括悬臂梁；所述悬臂梁沿上下方向设于所述壳体内，且上端与所述壳体固定连接，下端与所述滑块相抵接；所述光纤光栅通过所述悬臂梁固定在所述壳体内。

3.如权利要求2所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述光纤光栅粘贴在所述悬臂梁的上部。

4.如权利要求2所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述悬臂梁设有两个，分别位于所述滑块的滑动方向的两侧，并且所述悬臂梁的下端与所述滑块的侧面相抵接。

5.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述壳体的底部设置有滑轨，所述滑块滑动连接在所述滑轨上；所述壳体的顶部开设有避让槽，所述避让槽用于避让所述位移传递组件。

6.如权利要求1所述的光纤光栅倾角传感器，其特征在于，所述壳体的两个相对的侧面为开口面，所述开口面用于避让所述位移传递组件摆动；所述壳体的外部还罩设有罩体。

7.一种桥梁，包括桥墩柱体、梁体、连接于所述桥墩柱体与所述梁体之间的支座，其特征在于,所述桥墩柱体上安装有权利要求1-6任一项所述的光纤光栅倾角传感器。

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