TW201814106A - 橋墩沖刷深度感測器 - Google Patents

Abstract

一種橋墩沖刷深度感測器，用光纖布拉格光柵為感測元件，主要在於光纖具有質量輕直徑細、高靈敏度、耐惡劣環境、抗電磁干擾且傳輸訊號較傳統電子式感測器穩定等優點，非常適合作為橋墩沖刷深度的感測元件。另外，本發明結合齒輪的機械結構與錘體，利用錘體下降的重力來轉動機械結構，造成光纖布拉格光柵的應變，使光柵的中心波長產生漂移，得以分析得知橋墩被沖刷而裸露的深度變化。這個感測器的測量深度約4公尺，約0.2公尺為一精確的測量單位，而且製造深具省成本的經濟效益。

Description

橋墩沖刷深度感測器

本發明涉及橋墩的檢測領域，特別是指一種橋墩沖刷深度感測器。

橋墩支撐橋樑用於水域兩旁的來往，屬於交通的基礎建設之一。水域的水流方向會對橋墩造成沖刷現象，造成沙、石與泥土的流失。 特別是在天災頻繁的地區，大量的雨水不僅會發生土石流，造成山體或坡地的崩塌災害，也會引起河川或溪水的暴漲，加深沖刷的程度，以致橋墩的基樁外露，相對降低橋樑的負載量。嚴重時，橋墩傾斜或斷裂，導致橋樑跌落水中，造成交通中斷的弊端。

因此，監測橋墩的沖刷深度，提早發現，即時補強或維修，除了延長橋樑的使用期限以外，還能建立完整的監測資料，充當後續的橋墩保護與河床整治之參考用途。

關於橋墩沖刷深度的監測技術相當多，如透地雷達法(Ground Penetrating Radar)、磚塊編號法(Numbered bricks)、滑動磁軸環法(Sliding magnetic collar)、戶外監視鏡頭辨識水位法、自移式鏡頭監測法、多鏡頭監測法、發報器式土層沖刷監測系統、光纖感測器與探針式監測法等。

此處所稱的光纖感測器，通常是利用光纖布拉格光柵充當監督的測量工具或系統。因為介質附著於光纖，會改變光纖布拉格光柵的光柵間距，造成光的波長形成漂移現象，可分析得知介質的深度。缺點是此種方法的光纖需埋入河床，而且光纖比較脆弱，容易被外力破壞。

至於探針式監測法的缺點：是水面離沙面過高，所需測量之桿體長度就越長。如果水位暴漲，探針式監測裝置容易遭受洪水或大石等外力破壞。

為了改良探針式監測法的弊端，考臺灣第I410551號發明專利案公開一種橋墩底床高程之伸縮探針式監測系統，係由一量測模組與一控制模組共同組成。該量測模組有殼體、多層管體、推動單元、攝影單元與感測單元，該推動單元有複數刻度，其被控制模組操作而使多層管體往底床方向伸長。該感測單元設在多層管體的底部，在感測單元觸及底床會發出一訊號至控制模組，控制攝影單元對推動單元拍攝一傳輸到遠端監視單元的影像。該控制模組根據影像或量測模組作動狀態，得知橋墩底床高程並停止多層管體伸長，即時監控底床高程。

但是，多層管體的操作者需要多次經驗的累積，才能從影像判斷多層管體伸張的有效長度。而且，優異的防水性能導致攝影單元價格居高不下，徒增無謂的製作成本。

因此，如何改善橋墩沖刷深度感測器，就成為本發明亟待解決的課題。

鑒於此，本發明提供一種橋墩沖刷深度感測器，其主要目的在於：採用縱深位能轉換成軸向位能的構造，搭配光纖感測裝置，有效解決先前技術有關光纖埋入河床的弊端，兼具橋墩沖刷深度的測量效果。

緣於上述目的之達成，本發明的橋墩沖刷深度感測器包括：一深度測量單元，其有一錘體與一連接錘體的繩索，該繩索支持錘體依重力接觸河床；一將錘體測量河床深度轉換成軸向位移變化量的轉換單元；以及一光感測單元，其有一光導纖維與一配置在光導纖維的光纖 布拉格光柵，允許一定波長的光經由光導纖維輸出至光纖布拉格光柵，該光纖布拉格光柵接收轉換單元的軸向位移變化量致生光柵間距伸張，用以檢測橋墩的沖刷深度。

本發明的深度測量單元，更包括一定滑輪，允許局部的繩索纏繞於定滑輪。其中，該定滑輪樞接於一第一支撐軸，該第一支撐軸緊固於一箱體內。

該箱體緊固於橋墩與橋樑之一，其有一允許繩索自由垂落且通過的孔。該箱體內部的金屬零組件塗抹防鏽油的措施，可降低鏽蝕現象的發生率，對全部或部分的深度測量、轉換及感測等單元產生保護作用。

該深度測量單元還有一固定在橋墩的直管，以直管擋住水流方向對錘體的衝擊，可引導錘體順著管徑下降，相對降低深度測量的誤差值。

該轉換單元包括：一聯結定滑輪而可同向轉動的主動輪與一從動輪，該從動輪樞接一緊固於箱體的第二支撐軸，並與一螺桿設計為一體。該螺桿鎖入一設在箱體內的蓋板且觸及光感測單元，支持從動輪嚙接主動輪並維持1：1的齒數比。

所述的主動輪配置在一輪軸，該輪軸一端樞接於蓋板，另端插入一聯結定滑輪的連桿，以連桿驅動主動輪與定滑輪同向旋轉。

該光感測單元還有二金屬片與一彈性體，這些金屬片粘著於光導纖維且位於光纖布拉格光柵兩旁，該彈性體包住光纖布拉格光柵、光導纖維和金屬片。當二金屬片緊固在一設於箱體內的座體，該彈性體被金屬片支持在大致垂直於螺桿的位置。該彈性體接收螺桿的作用力，既能保護光導纖維不易遭受外力而斷裂，卻不影響光纖布拉格光柵關於光柵間距伸張的感測功能。

該光感測單元更包括一光譜分析儀、一光循環器、一光隔離器與一輸入光源。該輸入光源傳輸波長範圍約1310nm~1610nm的光，經由 光導纖維通過光隔離器進入光循環器，轉送到光纖布拉格光柵致生反射作用，藉由光譜分析儀分析中心波長漂移的距離，取得橋墩沖刷深度的測量結果。

為使本發明之目的、特徵、和優點更加明顯易懂，茲舉下列實施例，並配合圖式詳細說明如下(實施方式)。

10‧‧‧深度測量單元

11‧‧‧支撐架

12‧‧‧錘體

13‧‧‧緊固件

14‧‧‧繩索

16‧‧‧定滑輪

18‧‧‧直管

20‧‧‧箱體

21‧‧‧孔

22‧‧‧第一支撐軸

23‧‧‧螺孔

24‧‧‧第二支撐軸

26‧‧‧座體

28‧‧‧蓋板

30‧‧‧轉換單元

31‧‧‧螺桿

32‧‧‧主動輪

34‧‧‧連桿

36‧‧‧輪軸

38‧‧‧從動輪

40‧‧‧光感測單元

41‧‧‧光纖布拉格光柵

42‧‧‧光導纖維

43‧‧‧牢固點

44‧‧‧金屬片

46‧‧‧固定孔

48‧‧‧彈性體

50‧‧‧光譜分析儀

52‧‧‧光循環器

54‧‧‧光隔離器

56‧‧‧輸入光源

60‧‧‧橋墩

62‧‧‧橋樑

64‧‧‧水流方向

66‧‧‧河床

68‧‧‧沖刷位置

第1圖是本案橋墩沖刷深度感測器一較佳實施例之配置圖。

第2圖是箱體內部的配置圖。

第3圖是彈性體的平面圖。

第4圖是橋墩沖刷深度感測器的使用狀態圖。

第5圖是光譜分析表的示意圖。

請參考第1、2、4圖，闡明橋墩沖刷深度感測器一較佳實施例的具體結構，其包含：一接觸河床66的深度測量單元10、一將深度轉換成軸向位移變化量的轉換單元30，以及一採用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，縮寫為FBG)檢測軸向位移變化量的光感測單元40。

本創作的橋墩沖刷深度感測器還有一箱體20，其透過螺鎖與銲接手段之一緊固於一橋墩60或一橋樑62上。在本實施例，該箱體20在橋樑62下方，其擁有良好的氣密性，可有效防止外部的潮溼空氣滲入箱內，對全部或部分的深度測量、轉換及感測等單元10、30、40產生保護作用。另外，該箱體20內部的金屬零組件塗抹防鏽油的措施，可降低鏽蝕現象的發生率，消弭一些誤差值，使感測作業能夠穩定地進行。

所述的深度測量單元10有一錘體12、一繩索14與一定滑輪16。該定滑輪16樞接於一緊固於箱體20的第一支撐軸22，允許局部的繩索14纏繞於定滑輪16。該繩索14一端自由垂落地通過一形成於箱體20的孔21，用以繫上錘體12。

當錘體12的重量作用於繩索14，該定滑輪16被繩索14牽引而在第一支撐軸22轉動，支持錘體12接觸橋樑62下方的河床66，達到測量河床66深度之目的。

該深度測量單元10還有一直管18，在直管18單邊銲接或鎖固二支撐架11。每個支撐架11類似於Y型設計，其被二宛如螺絲或螺栓的緊固件13牢固在一橋墩60側邊，支撐直管18大致平行於橋墩60的長度方向且擋住水流方向64的衝擊，避免錘體12過度晃動。該直管18其管口正對著箱體20的孔21，可引導錘體12順著固定的管徑下降，相對降低深度測量的誤差值。

所述的轉換單元30有一主動輪32與一從動輪38。該主動輪32配置在一根輪軸36，輪軸36一端樞接於一蓋板28，另端插入一連桿34。該連桿34聯結定滑輪16而可同向轉動，負責定滑輪16旋轉動能的傳遞，並驅動輪軸36連帶主動輪32自轉。該從動輪38的軸向長度比主動輪32長，其一側樞接一緊固於箱體20的第二支撐軸24，另側與一螺桿31設計為一體。該螺桿31自由端鎖入一形成於蓋板28的螺孔23，而且螺桿31鎖入蓋板28的端部觸及光感測單元40為佳，支持從動輪38與主動輪32維持嚙接關係。

在軸向長度方面，該從動輪38比主動輪32長。該主動、從動二輪32、38的齒數比維持在1：1，使從動輪38與定滑輪16自轉幅度保持一致，可以持續深入蓋板28的螺孔23。因為蓋板28被其他的緊固件13牢固在一座體26上，所以螺桿31沿大致垂直於蓋板28的方向位移，對光感測單元40施予一定的推擠式壓力。

接著看到第3圖，該光感測單元40有一條光導纖維42(又稱光纖，原文為Optical fiber)，用熱熔膠黏方式將二金屬片44粘著於光導纖維42。界定該光導纖維42與金屬片44膠黏處為一牢固點43，二牢固點43相隔一定的距離，允許一光纖布拉格光柵41附著於光導纖維42介於二牢固點43間的部位，再用矽膠灌模方式形成一彈性體48，以彈性體48包住光纖布拉格光柵41、光導纖維42和金屬片44。

其中，該金屬片44有二固定孔46，任一固定孔46被第2圖所示其他的緊固件13穿過，用以鎖緊於座體26相應的部位。如此，該金屬片44本身的彈性作用，可以提高光感測單元40測量的靈敏度。

再者，該彈性體48接收螺桿31的推擠式壓力，既能保護光導纖維42不易遭受外力而斷裂，又不影響光纖布拉格光柵41的感測功能。

從第1~4圖不難理解，所述的光感測單元40還有一光譜分析儀(Optical spectrum analyzer，縮寫為OSA)50、一光循環器52、一光隔離器(Isolator)54與一輸入光源56。

在光路架構上，所述的輸入光源56使用波長範圍約1310nm~1610nm的C+L Band寬頻光源(Board band source，縮寫為BBS)，經由光導纖維42通過光隔離器54進入光循環器52的第1埠(Port)。該光源從光循環器52的第1埠轉到第2埠，輸出至光導纖維42的光纖布拉格光柵41執行感測。因為光通過光柵會發生反射，所以反射的中心波由第2埠轉入第3埠且輸出到光頻譜分析儀50進行測量結果分析。

當橋墩60遭受水流方向64的沖刷，該河床66致生高度的落差，會從實線位置改變到虛線的沖刷位置68。在重量大於浮力的作用下，該錘體12下降至沖刷位置68，可測量河床66沖刷後的深度。

該錘體12檢測的深度通過主動、從動二輪32、38的嚙接關係，轉換成螺桿31沿著軸向位移的變化量而施壓在彈性體48，造成光纖布拉格光柵41的光柵間距伸張，改變中心波的波長而可檢測得知錘體12下降的深度值。

在本實施例，假設金屬片44的材質是矽錳鋼，可取得第5圖所示的分析表。該分析表的垂直線代表中心波長(Central Wavelength)，單位是奈米(nm)；以水平線表示深度(Depth)，單位是公尺(m)，用以分析實、虛二曲線的落點。其中，該實的曲線代表非線性的曲線擬合(Nonlinear Curve Fitting)，虛的曲線表示矽錳鋼(Silicon manganese steel)。

倘若，該定滑輪16的圓周長約0.2公尺，該螺桿31各個螺牙的間距約1毫米(millimetre，縮寫為mm)。在本實施例，允許螺桿31旋轉約20圈，保證光纖布拉格光柵41承受螺桿31的作用力而不斷裂。因此，該彈性體48接受螺桿31位移變化量的容許範圍約20mm。

以每0.2公尺視為一精準的深度測量單位，故光纖布拉格光柵41的中心波長會漂移0.3515nm的距離。因此，本實施例中心波長總漂移量約7.03nm，達到總深度約4公尺的測量範圍，兼具架構簡化、靈敏度高及穩定性佳等優點。

某些實施例，該橋墩沖刷深度感測器或金屬片44的材質，可以採用矽錳鋼、鋁、中碳鋼或其他的金屬材料之一。

Claims (9)

1. 一種橋墩沖刷深度感測器，包括：一深度測量單元(10)，其有一錘體(12)與一連接錘體(12)的繩索(14)，該繩索(14)支持錘體(12)依重力接觸河床(66)；一將錘體(12)測量河床(66)深度轉換成軸向位移變化量的轉換單元(30)；一光感測單元(40)，其有一光導纖維(42)與一配置在光導纖維(42)的光纖布拉格光柵(41)，允許一定波長的光經由光導纖維(42)輸出至光纖布拉格光柵(41)，該光纖布拉格光柵(41)接收轉換單元(30)的軸向位移變化量致生光柵間距伸張，用以檢測檢測橋墩(60)的沖刷深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之橋墩沖刷深度感測器，其中，該深度測量單元(10)更包括一定滑輪(16)，允許局部的繩索(14)纏繞於定滑輪(16)。
3. 如申請專利範圍第2項所述之橋墩沖刷深度感測器，其中，該定滑輪(16)樞接於一第一支撐軸(22)，該第一支撐軸(22)緊固於一箱體(20)內。
4. 如申請專利範圍第3項所述之橋墩沖刷深度感測器，其中，該箱體(20)緊固於橋墩(60)與橋樑(62)之一，其有一允許繩索(14)自由垂落且通過的孔(21)，該箱體(20)內部的金屬零組件塗抹防鏽油的措施，可降低鏽蝕現象的發生率，對全部或部分的深度測量、轉換及感測等單元(10、30、40)產生保護作用。
5. 如申請專利範圍第4項所述之橋墩沖刷深度感測器，其中，該深度測量單元(10)還有一固定在橋墩(60)的直管(18)，該直管(18)擋住水流方向(64)對錘體(12)的衝擊，可引導錘體(12)順著管徑下降， 相對降低深度測量的誤差值。
6. 如申請專利範圍第3項所述之橋墩沖刷深度感測器，其中，該轉換單元(30)包括：一聯結定滑輪(16)而可同向轉動的主動輪(32)與一從動輪(38)，該從動輪(38)樞接一緊固於箱體(20)的第二支撐軸(24)，並與一螺桿(31)設計為一體，該螺桿(31)鎖入一設在箱體(20)內的蓋板(28)且觸及光感測單元(40)，支持從動輪(38)嚙接主動輪(32)並維持1：1的齒數比。
7. 如申請專利範圍第6項所述之橋墩沖刷深度感測器，其中，該主動輪(32)配置在一輪軸(36)，該輪軸(36)一端樞接於蓋板(28)，另端插入一聯結定滑輪(16)的連桿(34)，以連桿(34)驅動主動輪(32)與定滑輪(16)同向旋轉。
8. 如申請專利範圍第6項所述之橋墩沖刷深度感測器，其中，該光感測單元(40)還有二金屬片(44)與一彈性體(48)，這些金屬片(44)粘著於光導纖維(42)且位於光纖布拉格光柵(41)兩旁，該彈性體(48)包住光纖布拉格光柵(41)、光導纖維(42)和金屬片(44)；當二金屬片(44)緊固在一設於箱體(20)內的座體(26)，該彈性體(48)被金屬片(44)支持在大致垂直於螺桿(31)的位置，該彈性體(48)接收螺桿(31)的作用力，既能保護光導纖維(42)不易遭受外力而斷裂，卻不影響光纖布拉格光柵(41)關於光柵間距伸張的感測功能。
9. 如申請專利範圍第1項所述之橋墩沖刷深度感測器，該光感測單元(40)更包括一光譜分析儀(50)、一光循環器(52)、一光隔離器(54)與一輸入光源(56)，該輸入光源(56)傳輸波長範圍約1310nm~1610nm的光，經由光導纖維(42)通過光隔離器(54)進入光循環器(52)，轉送到光纖布拉格光柵(41)致生反射作用，藉由光譜分析儀(50)分析中心波長漂移的距離，取得橋墩(60)沖刷深度的測量結果。