CN207123616U - 一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，包括固定于待测挠度桥梁的盖梁或桥台侧面的激光测距仪、反射标靶和通信控制连接激光测距仪和转盘的工控机；激光测距仪发射的激光与水平面平行；待测挠度桥梁的下方至少固定一个反射标靶，激光测距仪可以转动朝向每个反射标靶照射；反射标靶包括一个朝向激光测距仪用于反射激光并与水平面呈锐角的反射面。利用本实用新型的装置可以填补中小跨径多片梁桥跨中挠度实时变形监测的空白；或应用于大型宽箱梁桥实时监测其竖向挠度和绕桥梁纵轴线的扭转角；激光测距仪在水平面内能随转盘智能循环转动，使用一个激光测距仪就能监测多片梁桥每片梁的跨中挠度，均摊了激光测距仪高昂的成本。

Description

一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置

技术领域

本实用新型涉及桥梁变形监测技术领域，特别的，涉及一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置。

背景技术

桥梁挠度是桥梁结构健康状态的综合反映，是判定桥梁竖向刚度、结构承载力和结构整体性能最为重要的技术指标。

为了便于施工，降低造价，中小跨径桥梁大部分采用T梁或空心板梁，整幅桥梁在横向由多片梁组成。以往的桥梁挠度监测，受限于精度、频率、成本等因素的制约，仅在特大跨径桥梁中实施，对于常规的中小跨径桥梁基本处于空白状态。传统的桥梁挠度测量主要依靠百分表、千分表、水准仪、全站仪等接触式仪器。其中，百分表、千分表等机械式位移计，精度高，结果直观，梁体较低时，可在挠度测试位置搭设脚手架，梁体稍高时，则一般采用悬挂钢丝的方式，对于跨江河、峡谷以及桥下不可中断交通的跨线桥情况则无法实施；水准仪、全站仪等光学仪器方便野外作业、操作简便，但易受视距、天气、人为等因素影响，对于跨径较大的桥梁，需要多次转点，不仅效率低下，也产生了误差的累积。同时，这些传统的挠度测试方法均无法实现在线实施监测。随着对桥梁检/监测技术要求的提高，传统的挠度测试方法已不能满足要求。

随着“平安交通”、“智慧交通”等理念的逐步深入，在桥梁监测方面，非接触式、全天候挠度实时监测技术近年来得到了迅速发展，主要有以下几种类型：

(1)测量机器人法

测量机器人监测法可看作是水准高程法的自动化改进，由马达驱动全站仪，按照设定的程序依次扫描桥梁测点，得到桥梁的变形情况。但该法成本较高，受环境影响大。

(2)连通管法

连通管法依据的原理是当桥梁受载发生变形，产生挠度变化后，各个测点处连通分管内的液位和管壁或者液位传感器的相对位置发生变化，测出各点变化前后的液位值即可获得该点的挠度变形量。连通管法主要存在以下几方面问题：(a)连通管中存在气泡或气柱会使液位与实际不符；(b)液体中含有杂质可能阻塞或堵塞连通管道；(c)连通管中的液体在环境温度降到其凝固点后会发生冻结现象；(d)对于长期在线监测，连通管中液体挥发过多会导致挠度传感器接触不到液体，测得的数据降为零，与实际不符；(e)液体的响应时间相对过长，对于高频的挠度测量无法达到要求。

(3)倾角仪法

使用倾角法测量桥梁的挠度，并不同于传统的方法直接测得桥梁某一点的挠度值，而是首先使用倾角仪测得桥梁变形时几个截面的倾角，根据倾角拟合出倾角曲线，进而得到挠度曲线，这样就可以求得桥梁上任意一点的挠度值。利用倾角仪测量桥梁挠度不需要静止的参考点。该法的缺点主要为过于依赖倾角值到挠度值转换时所取的数学模型，监测精度误差5％左右。

(4)GPS/北斗变形观测法

GPS以其全天候、高效率、实时动态、测站间无需通视、集平面与高程测量于一体等诸多特点，成为当今极为重要的监测手段之一，在大跨径桥梁挠度监测方面已有大量的应用。北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，在我国及亚太地区对卫星进行了加密，多项指标优于GPS。GPS/北斗变形观测系统的解算方式包括静态解算和实时动态解算，静态解算的精度显著高于动态解算。北斗解算软件在基准站与监测站距离1km以内，达到了水平位移监测精度2mm，垂直位移监测精度4mm，为边坡等监测提供了充分的保障，但对于桥梁等需要实时动态解算的精度在水平5mm、垂直10mm左右，只能适用于大跨径的斜拉桥和悬索桥的挠度监测，而对于占比更大的常规桥梁则仍然无法满足精度要求。

(5)光电成像法/激光投射式位移传感法

光电成像法系统由光靶、投影标靶、视频采集设备、数据传输系统和计算机等组成。在此基础上，利用激光良好的方向性，用激光器代替光靶，开发了激光投射式位移传感法。桥梁现场尘埃、水汽、小飞虫等物体的干扰，导致光斑不规则，数据容易失真，同时由于需要视屏采集设备、图像采集卡等，该方法造价较高。

(6)激光测距法

CN201520112935.9公开了一种非接触式自动测量桥梁挠度装置，将反光标靶固定于待测挠度桥梁的梁下，反射标靶反射面与水平面呈锐角，激光测距仪固定于待测挠度桥梁的桥墩处。

CN201510701029.7公开了一种非接触式多点高频动态桥梁挠度检测方法，在梁下安装n个激光测距仪，在桥墩处安装反射标靶，将实测的多个挠度值进行拟合可得出挠曲线，目前高精度的激光测距仪成本太高，且对于中小跨径桥梁一般仅需测量跨中挠度，得出挠曲线的意义不大。

已有的激光测距法测试桥梁挠度专利中激光测距仪均是处于固定状态，一个测距仪仅能采集一个测点的挠度数据，而实际上桥梁的变形是逐步发展的，24小时全天候测量一个点的挠度，造成了资源的浪费，提高了成本，增加了推广的难度。

实用新型内容

为克服现有的监测技术的不足，本实用新型提供了一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，仅使用一个激光测距仪就能实现整幅桥多片梁挠度数据的采集，均摊了激光测距仪高昂的成本。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，包括激光测距仪、反射标靶和工控机；所述激光测距仪固定于待测挠度桥梁的一个盖梁或桥台侧面，所述激光测距仪发射的激光与水平面平行；所述待测挠度桥梁的下方至少固定一个所述反射标靶，所述激光测距仪可以转动朝向每个所述反射标靶照射；所述工控机通信控制连接所述激光测距仪，用于将所述激光测距仪监测的数据进行接收传输；所述反射标靶包括一个朝向激光测距仪用于反射激光的反射面，所述反射面在朝向激光测距仪的方向上与水平面呈锐角。

特别地，每个所述反射标靶均包括反射支架和反光板，所述反射支架为直角三角形支架，所述反射支架的水平板与所述待测挠度桥梁的梁体底部连接，所述反射支架的竖板与所述激光测距仪发射的对应的激光垂直；所述反光板沿所述反射支架的斜板平行设置，所述反光板朝向激光测距仪用于反射激光。

特别地，所述反射支架的水平板与所述待测挠度桥梁的梁底通过反射标靶基座连接，所述反射标靶基座与所述待测挠度桥梁的梁底通过膨胀螺丝连接，所述反射标靶基座与所述反射支架的水平板通过第一调平旋钮固定，通过调节所述第一调平旋钮，确保所述反射支架的水平板处于水平状态。

特别地，所述激光测距仪与所述盖梁或桥台通过激光测距仪基座连接，所述激光测距仪基座为L形结构，所述激光测距仪基座的其中一块板与所述盖梁或桥台的侧面连接；所述激光测距仪基座上设置有转盘，所述转盘水平设置在所述激光测距仪基座的另一块板上，所述转盘通过所述工控机的控制能围绕中心竖轴转动；所述激光测距仪直接或间接平放在所述转盘上，使得所述激光测距仪能根据需要转动一定的角度。

特别地，所述转盘上设置有第二调平旋钮，所述第二调平旋钮上方设置有一块固定板，所述激光测距仪水平设置于所述固定板上，通过调节所述第二调平旋钮，确保所述固定板处于水平状态，从而进一步保证所述激光测距仪处于水平状态。

特别地，所述工控机和所述激光测距仪之间通过无线数传模块通信，从而省去所述工控机与所述激光测距仪直接通信所需的电缆线。

特别地，所述反射标靶设置于所述待测挠度桥梁的梁体下方的跨中对称轴位置。

特别地，所述反射面竖向投影高度不小于所述待测挠度桥梁可能发生的最大允许挠度值。

应用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

(1)安全效益。利用本实用新型的装置可以填补中小跨径多片梁桥跨中挠度实时变形监测的空白，保证桥梁在整桥全天候、单片梁分时段、高精度、高频率的监测下安全运行，确保人民群众出行的公共安全。本实用新型的装置特别适用于T梁桥、空心板梁桥、横向布置多片小箱梁的桥，若应用于大型宽箱梁桥可进一步实时监测其绕纵轴线的扭转角。

(2)经济效益。激光测距技术中激光测距仪成本高，占总成本的80％以上，本实用新型的监测装置通过设置转盘，使得激光测距仪在水平面内能智能循环转动，使用一个激光测距仪就能轮流、分时段监测多片梁桥的各片梁跨中挠度，均摊了激光测距仪高昂的成本，便于大规模推广应用。

(3)行业效益。有利于推动激光测距技术和桥梁形变监测技术的发展，可提升交通基础设施科技含量，促进“平安交通”、“智慧交通”的发展。

(4)通过低成本实现了自动测量桥梁挠度，且结构简单，操作方便，便于实现现场实时监控及大面积推广。

(5)本实用新型的装置能对跨径150m以下的桥梁实现亚毫米级挠度实时监测。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

在附图中：

图1是实施例1中激光测距仪与反射标靶的平面布置图；

图2是实施例1中监测装置的侧视图；

图3是实施例1中激光测距仪与激光测距仪基座的俯视图；

图4是本实用新型计算桥梁挠度的原理图；

附图标记：

1、激光测距仪，2、反射标靶，21、反射支架，22、反光板，3、反射标靶基座，4、第一调平旋钮，5、激光测距仪基座，6、转盘，7、第二调平旋钮，8、固定板，9、待测挠度桥梁，10、盖梁。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

详见图1-图3，一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，包括激光测距仪1、反射标靶2和工控机。

所述激光测距仪固定于待测挠度桥梁9的其中一个盖梁10侧面(当待测挠度桥梁的一端位于桥台时，也可固定于桥台)，所述激光测距仪发射的激光与水平面平行。

所述激光测距仪与所述盖梁通过激光测距仪基座5连接，所述激光测距仪为L形结构，所述激光测距仪基座的其中一块板与所述盖梁或桥台的侧面连接；所述激光测距仪基座上设置有转盘6，所述转盘水平设置在所述激光测距仪基座的另一块板上，所述转盘能围绕中心竖轴转动。

所述激光测距仪基座的另一块板的上表面设置有一个从上至下的圆柱形凹槽，所述转盘设置于所述凹槽内，且所述转盘通过电机带着进行转动，因此只需设定电机的转动角度，就可以使得所述转盘转动一定的角度。

所述转盘还可以设置为一个转轮，所述激光测距仪基座的另一块板内设置有与该转盘啮合的齿轮，所述齿轮由电机带动，同时进一步带动所述转盘转动。

所述电机的转动利用工控机进行通信控制，从而所述转盘的转动由所述工控机通信控制连接。

所述激光测距仪可以直接水平设置于所述转盘上，但是需要保证所述转盘的上表面水平。因此，为了减少由于所述转盘不平而造成的监测误差，所述转盘上设置有第二调平旋钮7，所述第二调平旋钮上方设置有一块固定板8，所述激光测距仪水平设置于所述固定板上。在转盘上放置激光测距仪后，通过手动调节所述第二调平旋钮，确保所述固定板处于水平状态，从而进一步保证所述激光测距仪处于水平状态。

在本实施例中，所述待测挠度桥梁横向由七片空心板梁组成，因此本实施例中设置有七个反射标靶。七个所述反射标靶分别设置于每片空心板梁的跨中位置。

每个所述反射标靶均包括反射支架21和反光板22，所述反射支架为直角三角形支架，所述反射支架的水平板与所述待测挠度桥梁的梁段底部连接，所述反射支架的竖板与所述激光测距仪发射的对应的激光垂直(不考虑桥梁横向位移的影响，减少监测误差)；所述反光板沿所述反射支架的斜板平行设置，所述反光板朝向激光测距仪用于反射激光。

为了在监测时，所述激光测距仪发射的激光能时刻照射到所述反光板上，因此所述反光板在竖向投影高度不小于所述待测挠度桥梁可能发生的挠度值。所述待测挠度桥梁可能发生的挠度值一般与所述待测挠度桥梁的跨度有关，如梁段跨度为50m时，所述待测挠度桥梁可能发生的最大允许挠度值为10cm，设置反光板竖向投影高度不小于10cm；梁段跨度为100m时，所述待测挠度桥梁可能发生的最大允许挠度值为20cm，设置反光板竖向投影高度不小于20cm。

所述反射支架的水平板与所述待测挠度桥梁的梁底通过反射标靶基座3连接，所述反射标靶基座与所述待测挠度桥梁的梁底通过膨胀螺丝连接，所述反射标靶基座与所述反射支架的水平板通过第一调平旋钮4固定。在安装完成反射支架后，通过手动调节所述第一调平旋钮，确保所述反射支架的水平板处于水平状态。

所述膨胀螺丝也可以采用预埋件等连接件替换。

所述工控机可以直接通信控制连接所述激光测距仪，用于将所述激光测距仪监测的数据进行接收传输；所述工控机和所述激光测距仪之间也可以通过无线数传模块通信，从而省去所述工控机与所述激光测距仪直接通信所需的电缆线。

所述工控机、转盘的电机、激光测距仪、无线数传模块均通过单晶硅光伏板组件和光伏控制器进行供电。

详见图4，上述实施例工作原理如下：

1、在盖梁或桥台上激光测距仪附近安装无线数传模块；

2、在桥台处设置工控机柜，安装调试好工控机；

3、依次量取每片主梁跨中底部反光板与铅垂面的夹角α_i；

4、选取桥上没有车辆通行时，作为初始平衡位置，依次采集激光测距仪到每片梁反光板的距离并同步记录存储激光测距仪转盘方位角θ_i。

考虑到外界风荷载等影响，桥梁自身始终存在振动，选择在夜间车辆较少时，依次对第i片梁开启激光测距仪采集一定时间段的距离值，取其均值作为桥梁初始平衡位置的同步记录存储激光测距仪转盘方位角计算均值，得到高精度的θ_i。

5、详见图1，后续正常使用中，通过对转盘设置固定的转动模式，一般设置为按 n为反射标靶的数量，之后转盘重新转为①位置，依次往后循环监测，每片梁的监测时间设为半小时。

在遭遇特殊状况，如地震、有超重车通过后，转盘可转换为远程控制，或改变对每片梁的监测时间，实现对多片梁桥更高循环频率的实时监测。

6、对于第i片梁，激光测距仪转盘转动到θ_i，测出L_i，工控机将激光测距仪监测的位移数据传输给计算机后，即可按进行实时挠度的监测，在数据中心可设置安全预警值，当挠度超过预警值后系统发出警告，提醒桥梁管养人员及时采取措施。

由公式可知，只要α_i大于45°，挠度值f的精度值小于激光测距的精度值，也即本系统所测桥梁挠度的精度小于激光测距仪的测距精度，且越大，挠度精度越高，但也要考虑反光板与激光束之间的夹角对激光反射信号的不利影响。

当所述待测挠度桥梁为宽箱梁时，可以沿所述待测挠度桥梁的下方跨中位置设置一个所述反射标靶进行跨中挠度监测；或者在跨中对称轴(此处的对称轴沿平行桥梁宽度方向设置)位置设置多个所述反射标靶用于测量宽箱梁沿跨中对称轴方向横向不同位置挠度变化，进一步计算出桥梁绕纵轴线的扭转角。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，包括激光测距仪(1)、反射标靶(2)和工控机；所述激光测距仪固定于待测挠度桥梁(9)的一个盖梁(10)或桥台侧面，所述激光测距仪发射的激光与水平面平行；所述待测挠度桥梁的下方至少固定一个所述反射标靶，所述激光测距仪可以转动朝向每个所述反射标靶照射；所述工控机通信控制连接所述激光测距仪，用于将所述激光测距仪监测的数据进行接收传输；所述反射标靶包括一个朝向激光测距仪用于反射激光的反射面，所述反射面在朝向激光测距仪的方向上与水平面呈锐角。

2.根据权利要求1所述一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，每个所述反射标靶均包括反射支架(21)和反光板(22)，所述反射支架为直角三角形支架，所述反射支架的水平板与所述待测挠度桥梁的梁体底部连接，所述反射支架的竖板与所述激光测距仪发射的对应的激光垂直；所述反光板沿所述反射支架的斜板平行设置，所述反光板朝向激光测距仪用于反射激光。

3.根据权利要求2所述一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，所述反射支架的水平板与所述待测挠度桥梁的梁底通过反射标靶基座(3)连接，所述反射标靶基座与所述待测挠度桥梁的梁底通过膨胀螺丝连接，所述反射标靶基座与所述反射支架的水平板通过第一调平旋钮(4)固定，通过调节所述第一调平旋钮，确保所述反射支架的水平板处于水平状态。

4.根据权利要求1所述一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，所述激光测距仪与所述盖梁或桥台通过激光测距仪基座(5)连接，所述激光测距仪基座为L形结构，所述激光测距仪基座的其中一块板与所述盖梁或桥台的侧面连接；所述激光测距仪基座上设置有转盘(6)，所述转盘水平设置在所述激光测距仪基座的另一块板上，所述转盘通过所述工控机的控制能围绕中心竖轴转动；所述激光测距仪直接或间接平放在所述转盘上，使得所述激光测距仪能根据需要转动一定的角度。

5.根据权利要求4所述一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，所述转盘上设置有第二调平旋钮(7)，所述第二调平旋钮上方设置有一块固定板(8)，所述激光测距仪水平设置于所述固定板上，通过调节所述第二调平旋钮，确保所述固定板处于水平状态，从而进一步保证所述激光测距仪处于水平状态。

6.根据权利要求1所述一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，所述工控机和所述激光测距仪之间通过无线数传模块通信，从而省去所述工控机与所述激光测距仪直接通信所需的电缆线。

7.根据权利要求1所述一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，所述反射标靶设置于所述待测挠度桥梁的梁体下方的跨中对称轴位置。

8.根据权利要求1所述一种基于激光测距技术的桥梁挠度实时监测装置，其特征在于，所述反射面竖向投影高度不小于所述待测挠度桥梁可能发生的最大允许挠度值。