CN116086676B - 基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是涉及基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，使用时固定于拉索附近的桥面上，并与外部采集系统相连接，包括移动平台、支撑架、连接杆、测量杆和非接触式传感器，所述支撑架底端设置于移动平台上表面，顶端与连接杆活动连接，连接杆远离支撑架的端部与测量杆相连接，所述测量杆与拉索平行，测量杆沿其高度方向设置有滑轨，滑轨上安装非接触式传感器阵列；所述非接触式传感器阵列与外部采集系统相连接。通过非接触传感器阵列，可以保证测量面与拉索平行，直接获取拉索上多点的振动响应，无需进行转换。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是涉及基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统。
背景技术
我国已经建成桥梁大国。索结构作为一种高效的受拉构件，具有强度高、质量轻等优点，在桥梁工程中被广泛地运用于斜拉桥、悬索桥以及吊杆拱桥等索杆体系桥梁上。吊杆或拉/吊索作为主要受力构件，其索力大小直接影响结构整体的内力分布，决定了整个桥梁的状态和安全性。拉索索力是桥梁检测和长期监测中的重要指标。
现有的索力识别方法主要有：(1)压力表法：将压力表串联在索上，一般放置在索端，直接读取索力；(2)压力传感器测试法：在索股上贴应变传感器等方式测索的伸长量或者增量，换算获得索力或者索力增量；(3)三点弯曲法：钢索张力测定器与钢索被测表面进行三点接触，施加横向力索段产生局部变形，进而计算索力；(4)磁通量法：在索段上施加磁场，根据索应力状态变化导致的磁导率变化计算索力或者索力变化；(5)光纤光栅传感器测量法：在索上粘贴光纤光栅传感器，通过光纤光栅中心的波长变化分析索的弹性变形，进而获取索力；(6)振动法：根据索的振动信号识别索的振动模态信息，然后采用合适的动力模型求出其索力。这其中振动法具有传感器安装便利、不影响索受力、无需校准、耐久性好等特点，应用最为广泛。
基于振动法的索力测量技术，随着振动测量的方法不断进步，由传统的有线加速度观测发展到无线加速度观测，再到利用激光、雷达或者摄影技术的非接触观测，不断提升振动观测的便利性和效率。对于长度较大的拉索，可以采用上述技术观测索上单个位置的振动，进而分析索的频率即可较为精确的获取索力；然而，对于长度较短的拉索、或者索上有减振器或中间支承等情况时，单靠频率测量已经无法满足精度需求，需要测量获取索上多点振动时程，分析索的模态振型等信息，进而识别索力、抗弯刚度和边界条件等参数，提高识别精度。但是，现有通过在索上安装多个传感器的方式效率低，而且拉索上端高处安装传感器困难，不利于实际应用；基于摄影的多点振动观测，需要在索上安装靶点，同样存在靶点安装困难和效率低的问题；而不需要靶点的摄影技术，受到光线等因素影响，此外相机靶面不能与索平行，索上各个点的拍摄角度不同，需要通过几何关系换算获取各个测量索的横向振动以及测点间的距离，容易在这个过程中积累误差，同时现有相机的拍摄范围有限，在工程实际中存在应用困难。因此，研发桥梁拉索以及其他结构上多点振动观测系统具有重要工程意义。
发明内容
为了解决上述现有结构多点振动测量中的问题，本发明的目的是提供基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，使用时固定于拉索(也简称“索”)附近的桥面上，并与外部采集系统相连接，包括移动平台、支撑架、连接杆、测量杆和非接触式传感器阵列，所述支撑架底端设置于移动平台上表面，顶端与连接杆活动连接，连接杆远离支撑架的端部与测量杆相连接，所述测量杆与静态下的拉索平行，测量杆沿其高度方向设置有滑轨，滑轨上安装非接触式传感器阵列；所述非接触式传感器阵列与外部采集系统相连接。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器阵列为若干个沿滑轨高度间隔设置的非接触式传感器。
在本发明的一个实施方式中，所述滑轨上设置有刻度用于读取相邻非接触式传感器之间的间距。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器转动式连接在滑轨上，且非接触式传感器与滑轨之间的角度可调。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器选自激光位移计、微波雷达或者相机中的一种。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器通过线缆或无线网络与外部采集系统相连接。
在本发明的一个实施方式中，所述支撑架允许伸缩以调整其与连接杆的连接点高度。
在本发明的一个实施方式中，所述移动平台与支撑架通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定；所述支撑架与连接杆通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆与水平面之间的夹角；所述连接杆与测量杆通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆与测量杆之间的夹角。
在本发明的一个实施方式中，所述测量杆与拉索之间的水平距离低于1m。
在本发明的一个实施方式中，所述移动平台选自手推车、工程车或桥梁检修车中的一种。
在本发明的一个实施方式中，非接触式传感器采用电源或蓄电池进行供电。
在本发明中，各非接触式传感器可沿着滑轨移动调整间距；所述非接触式传感器观测方向与滑轨间间的角度可在观测平面内调节，通过角度调整以及测试杆的接长扩大和调节测量范围。
测量前，调整非接触式传感器在滑轨上的位置、非接触式传感器与滑轨之间的夹角(使非接触式传感器阵列监测拉索的范围最大)，并记录；
调节支撑架的高度、连接杆和测量杆之间的角度，使得测量杆与拉索平行。
测量时，开启非接触式传感器和外部采集系统，准备好采集系统，采集拉索上多点振动响应，也可用激振锤在测量平面内锤击拉索，增大振动响应并采集；
完成一根拉索的测试后，整体移动至下一根索，进行振动测量，相邻拉索倾角、长度等参数变化较大时，再次调节非接触式传感器之间的间距和角度后开始测量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，通过非接触传感器阵列，无需传感器安装，并且可以保证测量面与索平行，直接获取索上多点的振动响应，无需进行转换。
(2)本发明的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，通过测量杆上安装的带刻度的滑轨，可以方便调节和读取传感器间距，适应不同参数和边界条件的拉索。
(3)本发明的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，可以通过测量杆的接长、传感器测量角度的调整，扩大测量范围，适应不同长度的拉索。
(4)本发明的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，采用完全非接触式测量，同时安装在移动平台上，可以高效的进行多索振动测试和索力识别。
附图说明
图1为本发明的基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统(非接触式传感器垂直于拉索)的结构示意图；
图2为本发明的基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统的结构示意图；
图3为实施例2的基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统中激光位移计的布设位置；
图4为实施例2的基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统中激光位移计所测得的位移数据；
图5为实施例2中利用4个激光位移计测得的位移数据进一步获取的索频率和等效索长；
图中标号：1、非接触式传感器；2、滑轨；3、测量杆；4、连接杆；5、支撑架；6、移动平台；7、采集系统；8、拉索；9、桥面；10、激振锤。
具体实施方式
本发明提供一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，使用时固定于拉索附近的桥面上，并与外部采集系统相连接，包括移动平台、支撑架、连接杆、测量杆和非接触式传感器阵列，所述支撑架底端设置于移动平台上表面，顶端与连接杆活动连接，连接杆远离支撑架的端部与测量杆相连接，所述测量杆与静态下的拉索平行，测量杆沿其高度方向设置有滑轨，滑轨上安装非接触式传感器阵列；所述非接触式传感器阵列与外部采集系统相连接。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器阵列为若干个沿滑轨高度间隔设置的非接触式传感器。
在本发明的一个实施方式中，所述滑轨上设置有刻度用于读取相邻非接触式传感器之间的间距。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器阵列与滑轨之间的夹角为-180°～180°。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器选自激光位移计、微波雷达或者相机中的一种。
在本发明的一个实施方式中，所述非接触式传感器通过线缆或无线网络与外部采集系统相连接。
在本发明的一个实施方式中，所述支撑架允许伸缩以调整其与连接杆的连接点高度。
在本发明的一个实施方式中，所述移动平台与支撑架通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定；所述支撑架与连接杆通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆与水平面之间的夹角；所述连接杆与测量杆通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆与测量杆之间的夹角。
在本发明的一个实施方式中，所述测量杆与拉索之间的水平距离低于1m。
在本发明的一个实施方式中，所述移动平台选自手推车、工程车或桥梁检修车中的一种。
在本发明的一个实施方式中，非接触式传感器采用电源或蓄电池进行供电。
在本发明中，各非接触式传感器可沿着滑轨移动调整间距；所述非接触式传感器观测方向与滑轨间间的角度可在观测平面内调节，通过角度调整以及测试杆的接长扩大和调节测量范围。
测量前，调整非接触式传感器在滑轨上的位置、非接触式传感器与滑轨之间的夹角(使非接触式传感器阵列监测拉索的范围最大)，并记录；
调节支撑架的高度、连接杆和测量杆之间的角度，使得测量杆与拉索平行。
测量时，开启非接触式传感器和外部采集系统，准备好采集系统，采集拉索上多点振动响应，也可用激振锤在测量平面内锤击拉索，增大振动响应并采集；
完成一根拉索的测试后，整体移动至下一根索，进行振动测量，相邻拉索倾角、长度等参数变化较大时，再次调节非接触式传感器之间的间距和角度后开始测量。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，使用时固定于拉索8附近的桥面9上，并与外部采集系统7相连接，如图1-2所示，包括移动平台6、支撑架5、连接杆4、测量杆3和非接触式传感器阵列，支撑架5底端设置于移动平台6上表面，并通过球铰与移动平台6活动连接，并利用锁紧螺栓固定；支撑架5顶端与连接杆4通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆4与水平面之间的夹角，同时，支撑架5允许伸缩以调整其与连接杆4的连接点高度；连接杆4远离支撑架5的端部与测量杆3通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆4与测量杆3之间的夹角；测量杆3与静态下的拉索8平行，且测量杆3与拉索8之间的水平距离低于1m；测量杆3沿其高度方向设置有滑轨2，滑轨2上安装非接触式传感器阵列，非接触式传感器阵列为若干个沿滑轨2高度间隔设置的非接触式传感器1，滑轨2上设置有刻度用于读取相邻非接触式传感器1之间的间距，非接触式传感器1转动式连接在滑轨2上，且非接触式传感器1与滑轨2之间的角度可调；非接触式传感器阵列通过线缆或无线网络与外部采集系统7相连接。
其中，非接触式传感器1选自激光位移计、微波雷达或者相机中的一种；移动平台6选自手推车、工程车或桥梁检修车中的一种；非接触式传感器1采用电源或蓄电池进行供电。
使用时，各非接触式传感器1可沿着滑轨2移动调整间距；非接触式传感器1观测方向与滑轨2间间的角度可在观测平面内调节，通过角度调整以及测试杆的接长扩大和调节测量范围。
测量前，调整非接触式传感器1在滑轨2上的位置、非接触式传感器1与滑轨2之间的夹角(使非接触式传感器阵列监测拉索8的范围最大)，并记录；调节支撑架5的高度、连接杆4和测量杆3之间的角度，使得测量杆3与拉索8平行。
测量时，开启非接触式传感器1和外部采集系统7，准备好采集系统7，采集拉索8上多点振动响应，也可用激振锤10在测量平面内锤击拉索8，增大振动响应并采集；
完成一根拉索8的测试后，整体移动至下一根索，进行振动测量，相邻拉索8倾角、长度等参数变化较大时，再次调节非接触式传感器1之间的间距和角度后开始测量。
实施例2
本实施例提供一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，如图3所示，非接触式传感器阵列为4个沿滑轨2高度间隔设置的激光位移计，相邻激光位移计之间的间距为1m，4个激光位移计均与拉索8和滑轨2垂直，移动平台6为手推车，其他与实施例1相同。
测量前，调整激光位移计在滑轨2上的位置、激光位移计与滑轨2之间的夹角，并记录，四个激光位移计记录的拉索8在4个位置的位移时程如图4所示；
本实施例中，测试拉索8的长度和边界条件未知，仅知道其长度在10m左右，单位长度质量为11.3kg/m。根据4个激光位移计测到的位移，采用特征系统实现算法可以获取拉索8前三阶振动的频率为7.34Hz、15.07Hz和23.05Hz，以及对应的振型，将各阶振动等效为两端铰接的张拉梁的振动，获得等效梁的长度分别为9.416m、9.466m和9.506m，如图5所示。进而可以根据公式
计算出索力和抗弯刚度。上式中T为索力，L为等效索长，m为单位长度质量，EI为抗弯刚度，fi和ni对应为频率和对应的阶数(其中i为提取的第i组频率、等效索长数据)。本实施例中，综合考虑三组提取的频率、等效索长数据，回归分析得到索力为212.25kN，抗弯刚度为39.28kNm2。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的解释，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，使用时固定于拉索(8)附近的桥面(9)上，并与外部采集系统(7)相连接，其特征在于，包括移动平台(6)、支撑架(5)、连接杆(4)、测量杆(3)和非接触式传感器阵列，移动平台(6)设置于桥面(9)上，所述支撑架(5)底端设置于移动平台(6)上表面，顶端与连接杆(4)活动连接，连接杆(4)远离支撑架(5)的端部与测量杆(3)相连接，测量杆(3)沿其高度方向设置有滑轨(2)，滑轨(2)上安装非接触式传感器阵列；所述非接触式传感器阵列与外部采集系统(7)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述非接触式传感器阵列为若干个沿滑轨(2)高度间隔设置的非接触式传感器(1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述滑轨(2)上设置有刻度用于读取相邻非接触式传感器(1)之间的间距。
4.根据权利要求2所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述非接触式传感器(1)转动式连接在滑轨(2)上，且非接触式传感器(1)与滑轨(2)之间的角度可调。
5.根据权利要求2所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述非接触式传感器(1)选自激光位移计、微波雷达或者相机中的一种。
6.根据权利要求2所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述非接触式传感器(1)通过线缆或无线网络与外部采集系统(7)相连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述支撑架(5)允许伸缩以调整其与连接杆(4)的连接点高度。
8.根据权利要求1所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述移动平台(6)与支撑架(5)通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定；所述支撑架(5)与连接杆(4)通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆(4)与水平面之间的夹角；所述连接杆(4)与测量杆(3)通过球铰相连接，并利用锁紧螺栓固定，用于调整连接杆(4)与测量杆(3)之间的夹角。
9.根据权利要求1所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述测量杆(3)与拉索(8)之间的水平距离低于1m。
10.根据权利要求1所述的一种基于移动式可调节非接触传感器阵列的多点振动观测系统，其特征在于，所述移动平台(6)选自手推车、工程车或桥梁检修车中的一种。
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- 2023-02-16 CN CN202310124988.1A patent/CN116086676B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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