CN115031683A - 实时高精度结构挠度测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种实时高精度结构挠度测量系统，多个测点装置布置在各个测点上，使初始激光发射装置的激光束照射第一个测点装置的感光元件的中心部位，而相邻的测点装置中上一级的二级激光发射器的激光束能够准确达到下一级感光元件中心部位，最后一个测点装置的二级激光发射器激光束能够准确达到终点接收装置感光元件中心部位。数据处理系统根据测点装置感光元件获取的激光束相对纵向坐标，测点装置感光元件和二级激光发射器的相对纵向坐标，测点装置的绝对转角，终点装置感光元件获取的激光束的相对纵向坐标，终点装置感光元件的相对纵向坐标，计算出各个测点的相对高程数据，对数据进行拟合得到整个结构的动挠度状态。

Description

实时高精度结构挠度测量系统
技术领域
本发明涉及实时高精度结构挠度测量系统，能够用于桥梁结构施工监控和桥梁结构运营监控。
背景技术
桥梁等结构的动态挠度监测应满足量程、精度(或分辨率)、灵敏度、频响特征、长期稳定性、耐久性、实时性、环境适应性和经济性要求。目前常用的激光类别的挠度监测系统，由于激光本身的衍射和散射，同时，由于自然光和周围水汽，昆虫，尘埃等影响，激光在感光元件上所形成的光斑图像是一个不均匀光斑，会带来误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时高精度结构挠度测量系统，能够获取不同时间的各测点挠度变化曲线，即实现目标结构的静态和动态特性实时监控。
根据本发明实施例，提供一种实时高精度结构挠度测量系统，包括：
初始激光发射装置，具有激光发射器；
多个测点装置，其包括：第一立尺；位于第一立尺上位置可调的第一感光元件和二级激光发射器；第一位置传感器，探测第一感光元件和二级激光发射器的在第一立尺上的相对纵向坐标；以及倾角测量辅助系统，测量第一立尺的绝对转角；
终点接收装置，其包括：第二立尺；第二感光元件，位于第二立尺上且位置可调；水平仪，位于第二立尺上对第二立尺进行水平校准；以及第二位置传感器，探测第二感光元件在第二立尺上的相对纵向坐标；
其中多个测点装置布置在各个测点上，将终点装置和激光发射器调整水平，使激光发射器的激光束照射与其相邻的第一个测点装置的第一感光元件的中心部位，而相邻的测点装置中上一级的二级激光发射器的激光束能够准确达到下一级感光元件中心部位，最后一个测点装置的二级激光发射器激光束能够准确达到终点接收装置第二感光元件中心部位，
利用各个测点装置第一感光元件获取的激光束相对纵向坐标，所述第一位置传感器获取的第一感光元件和二级激光发射器的相对纵向坐标，所述倾角测量辅助系统获取的第一立尺的绝对转角，终点接收装置第二感光元件获取的激光束相对纵向坐标，以及所述第二位置传感器获取的第二感光元件的相对纵向坐标，通过三角函数计算出各个测点的相对高程数据，对各个时间的相对高程数据进行拟合，得到整个结构的动态挠度状态。
在一些示例中，第一立尺两个平行的侧面有沿刻度方向的第一卡位限位槽，第一卡位限位槽上设有位置可调节的第一卡位限位器，第一感光元件布置在第一卡位限位器A端且与第一立尺平行，二级激光发射器设置在第一卡位限位器B端，使得其发出的激光与第一立尺垂直。
在一些示例中，二级激光发射器可在第一卡位限位器B端平台上旋转。
在一些示例中，第二立尺两个平行的侧面有沿刻度方向的第二卡位限位槽，所述第二卡位限位槽上设有位置可调节的第二卡位限位器，第二感光元件布置在第二卡位限位器A端且与第二立尺平行，水平仪布置在第二卡位限位器B端。
在一些示例中，激光发射器设置在可调节三角架上。
在一些示例中，第一感光元件、第二感光元件为点阵CCD。
在一些示例中，所述第一位置传感器和所述第二位置传感器精度与第一感光元件、第二感光元件精度一致。
在一些示例中，第一立尺和/或第二立尺直接固定在待测结构上或者可调节角度的底座上。
挠度是分析桥梁等结构健康状态的重要指标。挠度监控的准确性和实时性是桥梁挠度健康监测系统的重要参数。本发明不仅克服了其他检测系统不准确、延时性或者不稳定的局限性，同时搭建了多点分布、高精度高可靠性以及能够真正实现了桥梁挠度的静态和动态实时监控系统。对于桥梁的健康状态分析以及安全评估具有重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明一实施例提供的初始激光发射装置示意图。
图2为本发明一实施例提供的激光发射器示意图。
图3为本发明一实施例提供的测点装置正视图。
图4为本发明一实施例提供的测点装置俯视图。
图5为本发明一实施例提供的测点装置局部剖面图。
图6为本发明一实施例提供的终点接收装置正视图。
图7为本发明一实施例提供的终点接收装置侧视图。
图8为本发明一实施例提供的终点接收装置俯视图。
图9为本发明一实施例提供的初始激光发射装置、测点装置、终点接收装置布置图。
具体实施方式
本发明的实时高精度结构挠度测量系统能够用于桥梁等结构施工监控和运营监控。系统包括初始激光发射装置1、多个测点装置2、终点接收装置3以及数据采样系统、数据传输系统和对应的数据处理系统。
如图1，初始激光发射装置1包括可调节三角架10和精密激光发射器11。其中，三脚架10提供相应的高度和发射平台，可以将精密激光发射器11固定于平台上并且调整至激光射线水平。如图2，精密激光发射器11可以发射两束水平且距离相距为D的激光。
如图3、图4、图5，测点装置2包括：第一立尺20、第一卡位限位器21、第一感光元件22、二级激光发射器23、第一倾角测量辅助系统。第一立尺20侧面有沿刻度方向的第一卡位限位槽25，第一卡位限位器21设置在第一卡位限位槽25内且位置可调节。第一卡位限位器21A端210布置第一感光元件22，第一卡位限位器21B端211固定二级激光发射器23，使得第一感光元件22与第一立尺20平行，二级激光发射器23发出的两束激光与第一立尺20垂直。二级激光发射器23可在第一卡位限位器21B端211平台上旋转，且激光间距为D。第一卡位限位槽25布置有第一位置传感器(图中未示出)，能够识别第一卡位限位器21A、B两端在第一限位槽25的具体位置，即第一感光元件22和二级激光发射器23的相对纵向坐标。第一倾角测量辅助系统的主要传感元件为陀螺仪24，陀螺仪24固定于第一立尺20上端，能够高频地采样第一立尺20的倾角大小和方向。
如图6、图7、图8，终点接收装置3包括：第二立尺30、第二卡位限位器31、第二感光元件32、支撑调节腿33、底座34、水平仪35、第二倾角测量辅助系统。与测点装置2一样，终点接收装置3的第二立尺30侧面有沿刻度方向的第二卡位限位槽，第二卡位限位器31设置在第二卡位限位槽内且位置可调节。第二卡位限位器31A端310与第二感光元件32相连，第二卡位限位器31B端311布置水平仪35，第二感光元件32与第二立尺30平行。第二卡位限位槽布置有第二位置传感器(图中未示出)，能够识别第二卡位限位器31在第二限位槽的具体位置，即第二感光元件32的相对纵向坐标。第二立尺30固定于底座34上，并且通过支撑调节腿33校准水平仪35。第二倾角测量辅助系统的主要传感元件为陀螺仪，陀螺仪固定于第二立尺30上端，能够高频地采样第二立尺30的倾角大小和方向。
感光元件22、32核心是点阵CCD，其测量精度可以通过改变点阵密度实现。测点装置2、终点接收装置3上的位置传感器精度应该与感光元件精度一致。
多个测点装置2布置在各个测点上，将终点装置3调整水平，将初始激光发射装置1的精密激光发射器11调整水平，使精密激光发射器11的激光束照射与其相邻的第一个测点装置2的感光元件22的中心部位，而相邻的测点装置2中上一级的二级激光发射器23的激光束能够准确达到下一级感光元件22中心部位，最后一个测点装置2的二级激光发射器23激光束能够准确达到终点接收装置3感光元件32中心部位。
采样系统将感光元件22、32上由于激光产生的电信号进行采集和转换为数字信号，同时将探测卡位限位器21、31位置的位置传感器产生电信号进行采集和转换为数字信号，并且将高精度倾角测量辅助系统传感器产生电信号进行采集和转换为数字信号。
传输系统将数据采样系统采集到的数字信号传递给电脑，电脑上配置的数据处理系统计算出不同时间的各测点挠度变化曲线，实现目标结构的静态和动态特性实时监控。
设定初始状态，则此时刻t0获取的数据有：激光发射器11发射两条平行的激光，其间距为D；测点装置2感光元件22获取的相对纵向坐标HXA和HXB(X为测点编号，A为上部激光，B为下部激光)；测点装置2第一位置传感器获取的第一卡位限位器21A、B两端的相对纵向坐标LXA和LXB(X为测点编号，A为A端，B为B端)，即感光元件22和二级激光发射器23的相对纵向坐标；测点装置2上第一倾角测量辅助系统获取的第一立尺20绝对转角ax(X为测点编号)；终点装置3感光元件32获取的相对纵向坐标HZA、HZB(A为上部激光，B为下部激光)；终点装置3第二位置传感器获取的卡位限位器31的相对纵向坐标LZA，即第二感光元件32的相对纵向坐标。利用HXA和HXB，LXA和LXB，ax，HZA和HZB，LZA，通过三角函数计算出各个测点的相对高程GX。
当时间为tn时刻，再次获取相关数据，H(n)XA和H(n)XB，LXA和LXB，a(n)X，H(n)ZA和H(n)ZB，LZA，从而计算出不同时间各个测点的相对高程G(tn)X。对各个时间的相对高程数据进行拟合，继而能得到整个结构的动态挠度状态。
对于立尺转角以及倾角测量辅助系统测量得到转角ax，其正负规定为以重力方向为0°，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。
对于初始状态，可以计算得到，测点装置2的第一立尺20的绝对转角
Figure BDA0003542329900000041
为防止系统错误，数据差异过大，两个数据要进行对比，即计算转角的正负值通过第一倾角测量辅助系统测量得到转角ax进行修正，且将AX和ax进行绝对值比较，得到AX'。则可以得到，测点的挠度初始值为：Gx＝(HZB+LXB)×cosAX'。
对于tn时刻，可以得到
Figure BDA0003542329900000042
计算转角的正负值通过倾角测量辅助系统测量得到转角a(n)X进行修正，且将A(n)X和a(n)X进行绝对值比较，得到A(n)X'。则可以得到，测点挠度在tn时刻的挠度值：G(tn)x＝(H(n)ZB+L(n)XB)×cosA(n)X'。则，对于测点X，在tn时刻的挠度值的变化量为ΔG＝G(tn)x-Gx。
通过减小激光和感光元件的距离，同时利用软件处理感光中感光单位的分布，可以得到光斑的中心区域，从而得到精准的挠度。在实际运行中，每个测点装置的测量时间是数十毫秒，通过硬件和软件配合，可以得到所有测点同一时刻的挠度值，也可以得到测点不同时间的挠度变化曲线，即实现目标桥梁的静态和动态特性实时监控。

Claims (8)

1.一种实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，包括：
初始激光发射装置(1)，具有激光发射器(11)；
多个测点装置(2)，其包括：第一立尺(20)；位于第一立尺(20)上位置可调的第一感光元件(22)和二级激光发射器(23)；第一位置传感器，探测第一感光元件(22)和二级激光发射器(23)的在第一立尺(20)上的相对纵向坐标；以及倾角测量辅助系统，测量第一立尺(20)的绝对转角；
终点接收装置(3)，其包括：第二立尺(30)；第二感光元件(32)，位于第二立尺(30)上且位置可调；水平仪(35)，位于第二立尺(30)上对第二立尺(30)进行水平校准；以及第二位置传感器，探测第二感光元件(32)在第二立尺(30)上的相对纵向坐标；
其中多个测点装置(2)布置在各个测点上，将终点装置(3)和激光发射器(11)调整水平，使激光发射器(11)的激光束照射与其相邻的第一个测点装置(2)的第一感光元件(22)的中心部位，而相邻的测点装置(2)中上一级的二级激光发射器(23)的激光束能够准确达到下一级感光元件(22)中心部位，最后一个测点装置(2)的二级激光发射器(23)激光束能够准确达到终点接收装置(3)第二感光元件(32)中心部位，
利用各个测点装置(2)第一感光元件(22)获取的激光束相对纵向坐标，所述第一位置传感器获取的第一感光元件(22)和二级激光发射器(23)的相对纵向坐标，所述倾角测量辅助系统获取的第一立尺(20)的绝对转角，终点接收装置(3)第二感光元件(32)获取的激光束相对纵向坐标，以及所述第二位置传感器获取的第二感光元件(32)的相对纵向坐标，通过三角函数计算出各个测点的相对高程数据，对各个时间的相对高程数据进行拟合，得到整个结构的动态挠度状态。
2.根据权利要求1所述的实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，第一立尺(20)两个平行的侧面有沿刻度方向的第一卡位限位槽(25)，第一卡位限位槽(25)上设有位置可调节的第一卡位限位器(21)，第一感光元件(22)布置在第一卡位限位器(21)A端(210)且与第一立尺(20)平行，二级激光发射器(23)设置在第一卡位限位器(21)B端(211)，使得其发出的激光与第一立尺(20)垂直。
3.根据权利要求2所述的实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，二级激光发射器(23)可在第一卡位限位器(21)B端(211)平台上旋转。
4.根据权利要求1所述的实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，第二立尺(30)两个平行的侧面有沿刻度方向的第二卡位限位槽，所述第二卡位限位槽上设有位置可调节的第二卡位限位器(31)，第二感光元件(32)布置在第二卡位限位器(31)A端(310)且与第二立尺(30)平行，水平仪(35)布置在第二卡位限位器(31)B端(311)。
5.根据权利要求1所述的实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，激光发射器(11)设置在可调节三角架(10)上。
6.根据权利要求1所述的实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，第一感光元件(22)、第二感光元件(32)为点阵CCD。
7.根据权利要求1或6所述的实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，所述第一位置传感器和所述第二位置传感器精度与第一感光元件(22)、第二感光元件(32)精度一致。
8.根据权利要求1所述的实时高精度结构挠度测量系统，其特征在于，第一立尺(20)和/或第二立尺(30)直接固定在待测结构上或者可调节角度的底座上。
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