CN211927216U - 桥梁在线挠度监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了桥梁在线挠度监测系统，包括：挠度测量模块，计算挠度值；数据分析处理及阈值判别模块，用于从桥梁自振信号中通过算法提取扰度值，该扰度值与比较器预先设定的挠度阈值进行比较判别，并将判别结果发送至客户端；数据传输模块，挠度测量模块挠度值数据传输至数据分析处理及阈值判别模块。本发明使用非接触的监测系统，增加实时告警功能。从而有效的解决了接触式监测方法带来的操作难度高精度低的问题，可以监测高铁桥梁挠度，提高了监测的准确性。同时使用半导体近红外激光作为传输媒介，将铁路桥梁的挠度变化通过靶标反射光斑的位移从几何图像中反映出来，只需通过简单的运算即可得到铁路桥梁挠度值变化。
Description
技术领域
本实用新型涉及铁路桥梁安全评估领域，具体的讲是基于半导体近红外激光成像技术的桥梁在线挠度监测系统。
背景技术
随着经济高速发展，铁路在社会生活中发挥着极其重要的作用。铁路桥梁是铁路网络的重要组成部分，它在国民经济生活中有着重要的地位，它是否能安全运营直接关系到国家及人民的生命财产安全。其中挠度作为铁路桥梁安全评估的关键参数之一，对铁路桥梁的健康有很大的影响，对挠度的测量是桥梁参数监测中必不可少的，可以通过监测挠度的变化来评估铁路桥梁存在的安全风险。
目前对桥梁挠度的监测现有技术主要分为光钎光栅传感器测量、全站仪自动扫描测量、位移传感器测量、加速度传感器测量，其中光钎光栅传感器测量、位移传感器测量和加速度传感器测量均采用接触式的测量方法，分别存在一定缺陷如光钎光栅传感器测量需在整桥布设，安装施工周期长，后续维护难度大。位移传感器测量必须与测点相接触在实际测量时存在难以操作的问题。加速度传感器测量对于低频静态测量效果较差，为获得挠度必须进行多次测量。全站仪自动扫描测量是对桥梁各个测点进行多天次连读扫描其缺陷在于各测点不能同步且时效性较差。
中国专利(公开号：CN103424175A，公开日：2013.12.04)公开了一种基于激光监测桥梁振幅从而实现对桥梁实施监控的技术，该专利采用传统的光电成像法，通过采集和对比激光照射固定于桥梁上的靶标前后的光信号并通过调制解调器将光信号转换成电信号，最终计算出桥梁振幅。该专利技术的主要缺点在于，需要使用调制解调器和复杂的计算才能解算出桥梁的振幅，计算过于复杂，系统制造、安装和维护成本过高。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题，就是针对现有测量装置光钎光栅传感器测量、全站仪自动扫描测量、位移传感器测量存在的接触式监测实际操作难度高，测量不精确，全扫描监测时效性较差的问题。
本实用新型桥梁在线挠度监测系统，包括：
挠度测量模块，计算挠度值；
数据分析处理及阈值判别模块，对挠度值进行分析处理及阈值判别并将结果发送至客户端；
数据传输模块，将挠度测量模块所得挠度值数据传输至数据分析处理及阈值判别模块；
其中，所述挠度测量模块包括控制器、CCD面阵探测器、固定于桥梁上的靶标、半导体近红外激光光源、激光发射整形光学和激光接收光学，所述控制器与激光发射整形光学4和半导体近红外激光光源连接，所述CCD面阵探测器7与激光接收光学和控制器6连接，所述激光发射整形光学4和激光接收光学8与靶标9面对面安装，所述控制器6控制连接的半导体近红外激光光源5用于发射近红外激光，激光发射整形光学4用于将发射近红外激光整形成圆形光束后发射至靶标9上形成圆形光斑，所述CCD面阵探测器7用于通过激光接收光学 8接收靶标9反射的激光束采集光斑图像，所述控制器6用于根据CCD面阵探测器7采集的光斑图像经强度重心计算。
进一步地，所述靶标9刚性固定于桥梁上，所述靶标9包括基板1、反射层2和吸光层3，所述反射层2紧贴于基板1上，所述吸光层3紧贴于反射层2上，所述吸光层3有通孔。
进一步地，所述吸光层3为黑色氧化铝。
进一步地，所述反射层2为针对近红外光谱的反射膜。
进一步地，所述半导体近红外激光光源5发射的近红外半导体激光束覆盖吸光层3的所有通孔
进一步地，所述通孔个数≥2。
进一步地，相邻通孔之间的间距相等。
进一步地，所述半导体近红外激光光源、激光发射整形光学、靶标和激光接收光学之间为光连接。
进一步地，控制器和CCD面阵探测器7之间为电连接。
本实用新型还提供了用于上述监测系统的监测方法，控制器控制连接的半导体近红外激光光源发射近红外激光，激光发射整形光学将发射近红外激光整形成圆形光束后发射至靶标上形成圆形光斑，所述CCD面阵探测器通过激光接收光学接收靶标反射的激光束采集光斑图像，所述控制器根据CCD面阵探测器采集的光斑图像经强度重心计算，设光斑在CCD面阵探测器上的图像灰度表示为f(x，y)，其中x＝1，…，m；y＝1，…，n。
将其阈值化为：
这里T表示CCD最小可探测信号阈值，光强重心实际上就是计算阈值后光斑图像的一阶矩，其坐标可以表示为：
若设光斑之一位于CCD面阵XOY坐标系(CCD的中心与XOY坐标系原点重合)的S0(X0， Y0)，铁路桥梁因压应力的作用移至S1(X1，Y1)，则可以计算出靶标处的挠度值，将获取挠度值通过数据传输模块传输至数据分析处理及阈值判别模块进行分析处理和运算，数据分析处理及阈值判别模块根据预设挠度阈值判断桥梁挠度值是否超过告警界限并将处理结果直接送客户端。
本实用新型的有益效果是，使用非接触的监测系统，增加实时告警功能。从而有效的解决了接触式监测方法带来的操作难度高精度低的问题，可以监测高铁桥梁挠度，提高了监测的准确性。同时使用半导体近红外激光作为传输媒介，将铁路桥梁的挠度变化通过靶标反射光斑的位移从几何图像中反映出来，只需通过简单的运算即可得到铁路桥梁挠度值变化。
下面结合附图对本实用新型进一步说明，以使本领域技术人员能够实现本实用新型。
附图说明
图1为本实用新型桥梁在线挠度监测系统的挠度测量模块的结构示意图；
图2为本实用新型桥梁在线挠度监测系统的流程结构示意图。
图3为本实用新型激光光斑位移计算示意图。
图中标记：1为基板、2为反射层、3为吸光层、4为光学发射整形光学、5为半导体近红外激光光源、6为控制器、7为CCD面阵探测器、8为激光接收光学、9为靶标、10为扰度测量模块、11为数据模块传输模块、12为数据分析处理及阈值判别模块、13客户端。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。在结合附图对本实用新型进行说明前，需要特别指出的是：
本实用新型中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本实用新型的实施例通常仅是本实用新型一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
关于本实用新型中术语和单位。本实用新型的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。如图1所示，桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：包括：
本实用新型桥梁在线挠度监测系统，包括：
挠度测量模块10，计算挠度值；
数据分析处理及阈值判别模块12，用于从桥梁自振信号中通过算法提取扰度值，该扰度值与比较器预先设定的挠度阈值进行比较判别，并将判别结果发送至客户端；
数据传输模块11，将挠度测量模块10挠度值数据传输至数据分析处理及阈值判别模块 12；
其中，所述挠度测量模块10包括控制器6、CCD面阵探测器7、固定于桥梁上的靶标9、半导体近红外激光光源5、激光发射整形光学4和激光接收光学8，所述控制器6与激光发射整形光学4和半导体近红外激光光源5连接，所述CCD面阵探测器7与激光接收光学8和控制器6连接，所述激光发射整形光学4和激光接收光学8与靶标9面对面安装，所述控制器 6控制连接的半导体近红外激光光源5用于发射近红外激光，激光发射整形光学4用于将发射近红外激光整形成圆形光束后发射至靶标9上形成圆形光斑，所述CCD面阵探测器7用于通过激光接收光学8接收靶标9反射的激光束采集光斑图像，所述控制器6用于根据CCD面阵探测器7采集的光斑图像经强度重心计算。
所述靶标9刚性固定于桥梁上，所述靶标9包括基板1、反射层2和吸光层3，所述反射层2 紧贴于基板1上，所述吸光层3紧贴于反射层2上，所述吸光层3有通孔。
所述吸光层3为黑色氧化铝。
所述反射层2为针对近红外光谱的反射膜。
所述半导体近红外激光光源5发射的近红外半导体激光束覆盖吸光层3的所有通孔。
所述通孔个数≥2。
相邻通孔之间的间距相等。
所述半导体近红外激光光源5、激光发射整形光学4、靶标9和激光接收光学8之间为光连接。
控制器6和CCD面阵探测器7之间为电连接。
控制器6控制连接的半导体近红外激光光源5发射近红外激光，激光发射整形光学4将发射近红外激光整形成圆形光束后发射至靶标9上形成圆形光斑，所述CCD面阵探测器7通过激光接收光学8接收靶标9反射的激光束采集光斑图像，所述控制器6根据CCD面阵探测器7采集的光斑图像经强度重心计算，设光斑在CCD面阵探测器7上的图像灰度表示为f(x，y)，其中x＝1，…， m；y＝1，…，n。
将其阈值化为：
这里T表示CCD最小可探测信号阈值，光强重心实际上就是计算阈值后光斑图像的一阶矩，其坐标可以表示为：
若设光斑之一位于CCD面阵XOY坐标系CCD的中心与XOY坐标系原点重合的S0X0，Y0，铁路桥梁因压应力的作用移至S1X1，Y1，则可以计算出靶标10处的挠度值，将获取挠度值通过数据传输模块11传输至数据分析处理及阈值判别模块12进行分析处理和运算，数据分析处理及阈值判别模块12根据预设挠度阈值判断桥梁挠度值是否超过告警界限并将处理结果直接送客户端。
下面结合本实用新型在铁路桥梁在线挠度监测上的应用对本实用新型作进一步说明。
实施例1
某桥的挠度安全范围为N，某铁路分局车辆通过桥面，挠度测量模块10监测出该车通过时挠度值为N1并将该挠度数据传输至数据分析处理及阈值判别处理，若判定有N1＞N，客户端13将显示告警信号，同时数据存储模块对此事件进行存储。
结合图1和图2所示，所述挠度测量模块10包括控制器6、CCD面阵探测器7、固定于桥梁上的靶标9、半导体近红外激光光源5、激光发射整形光学4和激光接收光学8，所述控制器6与激光发射整形光学4和半导体近红外激光光源5连接，所述CCD面阵探测器7与激光接收光学8和控制器6连接，所述激光发射整形光学4和激光接收光学8与靶标9面对面安装，所述控制器6控制连接的半导体近红外激光光源5用于发射近红外激光，激光发射整形光学4用于将发射近红外激光整形成圆形光束后发射至靶标9上形成圆形光斑，所述CCD 面阵探测器7用于通过激光接收光学8接收靶标9反射的激光束采集光斑图像，所述控制器 6用于根据CCD面阵探测器7采集的光斑图像经强度重心计算。
激光发射整形光学4光轴与激光接收光学8光轴平行。所述激光发射整形光学4和激光接收光学8与靶标9面对面安装，控制器6控制与之连接的半导体近红外激光源5发射近红外激光光，经激光发射整形光学4整形成园形光束后发射至靶标9上，反射后的激光束由激光接收光学8接收并成像在CCD面阵上形成两个等径的同心圆光斑,设光斑在CCD上的图像灰度表示为f(x，y)，其中x＝1，…，m；y＝1，…，n。
将其阈值化为：
这里T表示CCD最小可探测信号阈值，光强重心实际上就是计算阈值后光斑图像的一阶矩，其坐标可以表示为：
若设光斑之一位于CCD面阵XOY坐标系(CCD的中心与XOY坐标系原点重合)的S0(X0， Y0)，铁路桥梁因压应力的作用移至S1(X1，Y1)，则可以计算出靶标9处的挠度值
R＝((X1-X0)2+(Y1-Y0)2)1/2
如图3所示，一种桥梁在线挠度监测系统连接示意图，通过挠度测量模块10监测铁路桥梁挠度值，挠度数据通过数据传输模块11传输至数据分析处理及阈值判别模块12进行分析处理和运算，数据分析处理及阈值判别模块12根据预设挠度阈值判断桥梁挠度值是否超过告警界限并将处理结果直接送客户端13(包括铁路分局监控中心﹑手机用户﹑计算机和打印) 显示。数据传输模块11为无线数据传输/4G/5G网。
实施例2
某桥的挠度安全范围为N，某铁路车辆通过桥面，挠度测量模块10监测出该车通过时挠度值为N2并将该挠度数据传输至数据分析处理及阈值判别处理，若判定有N＞N2，表明桥梁挠度无异常。分析处理结果送客户端13(包括铁路分局监控中心﹑手机用户﹑计算机和打印机)显示。
以上对本实用新型的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。基于本实用新型的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
Claims (9)
1.桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：包括：
挠度测量模块(10)，计算挠度值；
数据分析处理及阈值判别模块(12)，用于从桥梁自振信号中通过算法提取扰度值，该扰度值与比较器预先设定的挠度阈值进行比较判别，并将判别结果发送至客户端；
数据传输模块(11)，将挠度测量模块(10)所得挠度值数据传输至数据分析处理及阈值判别模块(12)；
其中，所述挠度测量模块(10)包括控制器(6)、CCD面阵探测器(7)、固定于桥梁上的靶标(9)、半导体近红外激光光源(5)、激光发射整形光学(4)和激光接收光学(8)，所述控制器(6)与激光发射整形光学(4)和半导体近红外激光光源(5)连接，所述CCD面阵探测器(7)与激光接收光学(8)和控制器(6)连接，所述激光发射整形光学(4)和激光接收光学(8)与靶标(9)面对面安装，所述控制器(6)控制连接的半导体近红外激光光源(5)用于发射近红外激光，激光发射整形光学(4)用于将发射近红外激光整形成圆形光束后发射至靶标(9)上形成圆形光斑，所述CCD面阵探测器(7)用于通过激光接收光学(8)接收靶标(9)反射的激光束采集光斑图像，所述控制器(6)用于根据CCD面阵探测器(7)采集的光斑图像经强度重心计算。
2.如权利要求1所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：所述靶标(9)刚性固定于桥梁上，所述靶标(9)包括基板(1)、反射层(2)和吸光层(3)，所述反射层(2)紧贴于基板(1)上，所述吸光层(3)紧贴于反射层(2)上，所述吸光层(3)有通孔。
3.如权利要求2所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：所述吸光层(3)为黑色氧化铝。
4.如权利要求2所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：所述反射层(2)为针对近红外光谱的反射膜。
5.如权利要求2所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：所述半导体近红外激光光源(5)发射的近红外半导体激光束覆盖吸光层(3)的所有通孔。
6.如权利要求5所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：所述通孔个数≥2。
7.如权利要求6所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：相邻通孔之间的间距相等。
8.如权利要求6所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：所述半导体近红外激光光源(5)、激光发射整形光学(4)、靶标(9)和激光接收光学(8)之间为光连接。
9.如权利要求6所述的桥梁在线挠度监测系统，其特征在于：控制器(6)和CCD面阵探测器(7)之间为电连接。
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