專利名稱：基于四象限位置探測器測試橋梁撓度/縱向位移變化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用光學(xué)裝置勘探或探測，尤其涉及一種用四象限位置探測器測試橋梁撓度變化的方法。
背景技術(shù)：
橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的重要聯(lián)接設(shè)施在我國的交通運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著極其重要的位置。在橋梁的建造過程中，由于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工建造的不合理和管理力度的不嚴(yán)格；以及在橋梁的運(yùn)行過程中，由于地質(zhì)狀況、風(fēng)力的變化，水位上升，空氣，溫度，地震等自然因素的影響及橋梁自身的載重和橋梁滿負(fù)荷的運(yùn)行狀況下所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載重，使得橋梁不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種形變損傷，甚至是發(fā)生橋梁坍塌和斷裂。由于這些諸多不利的因素的存在，使得橋梁的建設(shè)和維護(hù)方面都存在極大的安全隱患，以致近年來橋梁坍塌的事故頻繁出現(xiàn)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來極大的威脅。而橋梁撓度的變化量是檢測大型橋梁運(yùn)行狀況的常用度量參數(shù)，是設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。在橋梁自身載重或載荷的作用下，橋面各處將發(fā)生彎曲變形，橋梁橋面各點(diǎn)撓度的變化量，直接反映了橋梁結(jié)構(gòu)的豎向整體剛度。因而基于測量橋梁撓度的變化值可以得到橋梁豎直方向的變形曲線，從而判斷出橋梁當(dāng)前是否處于安全狀態(tài)下。目前國內(nèi)外的橋梁撓度測量方法有很多，概括起來可以分為以下兩大類。一類是全人工讀數(shù)方法①百分表測量法②經(jīng)緯儀法。采用經(jīng)緯儀來測量是目前國內(nèi)應(yīng)用最為普遍的一種方法。以上兩種方法只能測量橋梁的靜態(tài)位移偏移量，測量精度低，對(duì)測量人員要求高，無法完成現(xiàn)場的自動(dòng)測量。另一類是自動(dòng)測量方法，包括①橋梁的傾角測量法、②光電成像和攝像法、③光電分光成像和高速線陣CCD法、④利用連通管測量⑤和利用GPS進(jìn)行橋梁測量的方法。以上五種撓度測量方法都能完成撓度自動(dòng)測量。但采用傾角儀和GPS測量撓度，存在著精度低的缺點(diǎn)，測量精度一般只能達(dá)到厘米級(jí)。而且用傾角儀進(jìn)行撓度測量時(shí)，對(duì)各傾角儀之間的相位差、傾角儀的瞬態(tài)反應(yīng)、傾角儀零漂等的要求較高。利用光電成像和CCD攝像法測量撓度精度很高，但在測量時(shí)需要復(fù)雜的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整機(jī)構(gòu)和過程，操作復(fù)雜，且在強(qiáng)光時(shí)，需要使用遮光裝置。盡管光電分光成像和高速線陣CCD法通過采用單色光可以在白天工作，但在同時(shí)發(fā)生多個(gè)方向的變形時(shí)，會(huì)出現(xiàn)采集不到信號(hào)的情況。另外由于CCD尺寸的限制，在測量系統(tǒng)不加其他放大環(huán)節(jié)的情況下，測量范圍非常有限。兩者均屬于開放式系統(tǒng)，容易受到灰塵、霧氣的影響，不能進(jìn)行長期在線測量。連通管式撓度測量系統(tǒng)采用全封閉結(jié)構(gòu)，不怕橋梁現(xiàn)場的高塵、高濕和濃霧，可以長期在線使用。但目前普遍采用超聲波液位檢測計(jì)進(jìn)行液位檢測來完成撓度測量，測量精度比較低，僅為厘米級(jí)。通過比較以上幾種橋梁撓度測量方法，可以知道目前現(xiàn)有的撓度測量方法都無法滿足橋梁撓度測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種精度高、實(shí)時(shí)性好、易安裝，可以精確的檢測出橋梁撓度變化值的一種方法。四象限探測器本身的特點(diǎn)使得系統(tǒng)在測量的同時(shí)還能獲得被測點(diǎn)的橫向位移，實(shí)現(xiàn)二維測量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的發(fā)明的基本思路是將激光光源安裝于橋梁固定位置處，四象限位置探測器安裝于橋梁中心位置或其它被測點(diǎn)。當(dāng)橋梁橋面發(fā)生撓度變化時(shí)，四象限探測器隨被測點(diǎn)一起發(fā)生縱向位置移動(dòng)，激光在四象限探測器上形成的光斑位置相對(duì)于探測器往相反的方向移動(dòng)，記錄下橋梁發(fā)生撓度變化前后光斑在探測器上的不同位置坐標(biāo)，在四象限探測器反映出的光斑位置變化量即為橋面上被測點(diǎn)的撓度位置變化量。用四象限位置探測器測試橋梁撓度方法的主要工藝過程包括下述步驟(1)將四象限探測器安裝在橋梁底部的中心位置或其它被測點(diǎn)處，保證四象限探測器垂直于橋梁底面，同時(shí)也保證四象限探測器的光敏面垂直正對(duì)激光光源。(2)根據(jù)待測橋梁孔徑大小的不同，將激光光源通過電移臺(tái)安裝在橋梁的橋墩上或橋面底部。(2. 1)當(dāng)待測橋梁孔徑彡300m時(shí)，將激光光源通過電移臺(tái)安裝在橋墩上；(2. 2)當(dāng)待測橋梁孔徑> 300m時(shí)，將激光光源安裝在橋面下的被測點(diǎn)上。(3)根據(jù)橋梁撓度變化范圍的大小，用四象限探測器進(jìn)行撓度測量和/或?qū)⑺南笙尢綔y器與電移臺(tái)相配合進(jìn)行撓度測量。(3. 1)當(dāng)撓度變化小，激光光源與橋面水平方向重合和/或平行而未形成夾角α 時(shí)，由四象限探測器計(jì)算出橋梁在K時(shí)刻(撓度變化前)光斑的縱向坐標(biāo)值yk，在Κ+1時(shí)刻 (撓度變化后)光斑的縱向坐標(biāo)值yk+Ι，則Ay = yk+1-yk即為橋梁在此時(shí)刻的撓度變化值。(3. 2)當(dāng)橋梁撓度變化范圍過大，發(fā)生撓度變化后光斑不能再次打在光敏面上，通過調(diào)節(jié)控制電移臺(tái)使得光源可以在電移臺(tái)上自動(dòng)的上下移動(dòng)，使光斑再次打在光敏面的初始位置處，計(jì)算出電移臺(tái)移動(dòng)的距離值，這個(gè)距離值就是這種情況下橋梁的撓度變化值。(3. 3)當(dāng)光源安裝在橋面底部的待測點(diǎn)處，發(fā)生撓度變化時(shí)光源的入射方向與水平方向存在一個(gè)角度α，此時(shí)的撓度值應(yīng)按下述步驟計(jì)算；(3. 3. 1)計(jì)算求出發(fā)生撓度時(shí)光源處產(chǎn)生的角度值α ；(3. 3. 2)計(jì)算出發(fā)生撓度變化后電移臺(tái)的上端點(diǎn)距變化前橋平面的距離值hi ；(3. 3. 3)計(jì)算出發(fā)生撓度變化后四象限探測器端點(diǎn)距變化后電移臺(tái)上端點(diǎn)的距離值h2 ；(3. 3. 4)將所述步驟(3. 3. 2)與所述步驟(3. 3. 3)的兩個(gè)距離值hhh2求和，即為光源安裝在橋面待測點(diǎn)時(shí)橋梁的撓度變化值。本發(fā)明的作用原理是本發(fā)明者研究發(fā)現(xiàn)基于四象限位置探測器測試裝置能有效地測量出橋梁的撓度變化值。當(dāng)橋梁橋面發(fā)生撓度變化時(shí)，四象限探測器隨被測點(diǎn)一起發(fā)生縱向位置移動(dòng)，激光光源在四象限探測器上形成的光斑位置相對(duì)于探測器向相反方向移動(dòng)，四象限探測器反映的光斑位置變化量即為橋面上被測點(diǎn)的撓度位置變化量。基于四象限探測器的撓度測試方法具有< 0. 02mm的高分辨率和< 0. Imm的高測試精度，保證該測試系統(tǒng)能達(dá)到較好的準(zhǔn)確性測量。當(dāng)光斑打在探測器的光敏面上時(shí)，四象限探測器能夠根據(jù)自身的計(jì)算公式準(zhǔn)確的計(jì)算出光斑在探測器上面的位置值。四象限探測器本身的特點(diǎn)使得系統(tǒng)在進(jìn)行撓度測量的同時(shí)還能獲得被測點(diǎn)的橫向位移，實(shí)現(xiàn)二維測量，當(dāng)遇到大風(fēng)等狀況橋梁發(fā)生橫向位移時(shí)，四象限探測器同樣可以計(jì)算出橋梁的橫向位移偏移量，從而保證橋梁的健康運(yùn)行。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(1)本裝置中使用的四象限探測器是工程中實(shí)際應(yīng)用的一種非常好的測量儀器， 其測量的精度極高，具有< 0. 02mm的高分辨率和< 0. Imm的高測試精度。高精度性是其它形式的儀器不可替代的。在對(duì)各種大跨徑、大撓度的橋梁進(jìn)行監(jiān)測時(shí)仍能保證較高的精度。 四象限探測器具有高頻測量的能力，這不僅保證了撓度測試的準(zhǔn)確性，且當(dāng)橋梁在載荷作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，也能捕獲瞬態(tài)的高頻撓度變化特性，以實(shí)時(shí)監(jiān)控橋梁的安全狀態(tài)。(2)本監(jiān)測裝置對(duì)環(huán)境的依賴性很小，在大風(fēng)、暴雨天、陰天、夜間都能保證測量的準(zhǔn)確性與精確性。在對(duì)跨河橋、跨線橋、跨峽谷橋梁和其它高架橋的撓度進(jìn)行測量時(shí)優(yōu)勢更加明顯，有效的彌補(bǔ)了其它測量方面因?yàn)榄h(huán)境的影響而造成的測量精度降低。(3)本裝置通過調(diào)節(jié)光源在高精度電移臺(tái)上的位置可以實(shí)現(xiàn)大范圍的撓度測量。 對(duì)大跨度孔徑的橋梁也能起到良好的檢測作用。(4)本監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，無需人工參與，受到人為因素和儀器本身影響很小。本裝置成本低、安裝方便、可以長期運(yùn)用于橋梁監(jiān)測。


本發(fā)明有附圖4幅，其中圖1為本發(fā)明的測量原理示意圖；圖2為橋梁的跨度孔徑在300m以內(nèi)，把光源安裝在橋墩處的橋梁監(jiān)測示意圖；圖3為橋梁的跨度孔徑超過300m以上，把光源安裝在橋面底部待測點(diǎn)(不在橋墩)的橋梁監(jiān)測示意圖；圖4為本發(fā)明測量方法的流程圖。在圖中1.橋墩，2.電移臺(tái)，3.激光光源，4.橋梁，5.四象限位置探測器，6.光斑。
具體實(shí)施例方式如圖1 圖4所示。一種基于四象限位置探測器測試橋梁撓度及縱向位移變化的方法，其特征在于將激光光源安裝于橋梁規(guī)定位置處，四象限位置探測器安裝于橋梁中心位置或其它被測點(diǎn)。當(dāng)橋面發(fā)生撓度變化時(shí)，四象限探測器隨被測點(diǎn)一起發(fā)生縱向位置移動(dòng)，激光在四象限探測器上形成的光斑位置相對(duì)于探測器往相反方向移動(dòng)，記錄下橋梁發(fā)生撓度變化前后光斑在探測器上的不同位置坐標(biāo)，在四象限探測器反映出的光斑位置變化量即為橋面上被測點(diǎn)的撓度位置變化量。下面結(jié)合圖1對(duì)其測量過程進(jìn)行具體描述將光源的光斑垂直打在四象限探測器的光敏面上，由于四象限探測器的本身特性將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)輸出，再根據(jù)探測器的位置計(jì)算公式(1)可以將光斑在光敏面的位置值求出。計(jì)算公式(1)為I1, I2, I3, I4-分別代表四象限探測器各象限輸出的電流值；K-與四象限探測器特性有關(guān)的常數(shù)
假設(shè)在k時(shí)刻采樣時(shí)(橋梁發(fā)生撓度變化前)光斑中心位于探測器的中心位置坐標(biāo)為(xk、yk)，第k+1時(shí)刻采樣時(shí)(橋梁發(fā)生撓度變化后)光斑中心在探測器的坐標(biāo)位置為(xk+l、yk+l)。那么兩次采樣之間光斑中心的相對(duì)偏移量為yk+1-yk，因?yàn)樵诎l(fā)生撓度變化時(shí)四象限探測器的位置隨被測點(diǎn)一起向下移動(dòng)，而光源的位置不發(fā)生變化，此刻光斑在
ι Z1 + L " — 110 + L· ι
探測器光敏面上的位置相當(dāng)于向相反方ζ\ ‘ ？ ,3向移動(dòng)。所以兩次采樣之
I1 +I2+1^+
間光斑中心的相對(duì)偏移量yk+1-yk即為橋梁撓度的變化值。
, + A ‘ - · Λ + h 1Y = k」~-——
Z1 + Z2 + Z3 + Z4實(shí)施例1如圖2所示。橋梁4的跨度孔徑在300m以內(nèi)，把探測器5固定在橋梁4的中間位置處，把激光光源3通過電移臺(tái)2安裝在橋墩1處，進(jìn)行撓度值的測量。保證激光的光斑6 垂直打在探測器5的光敏面上。在K時(shí)刻(橋梁發(fā)生撓度變化前)光斑6打在探測器5的中心位置處，在K+1時(shí)刻(橋梁發(fā)生撓度變化后)由于橋梁4的撓度變化過大，光斑6打不到探測器5的光敏面上，這時(shí)是通過控制電移臺(tái)2調(diào)節(jié)光源3的位置，使光斑6再次打在探測器5的光敏面中心。通過測量求出電移臺(tái)2移動(dòng)的距離H。這個(gè)H值即為當(dāng)前情況下橋梁的撓度變化值。實(shí)施例2如圖3所示。把探測器5固定在橋梁4的中間位置處，把光源3固定在離探測器 5適當(dāng)?shù)木嚯x處以保證測量的精度。橋梁4發(fā)生撓度變化時(shí)待測點(diǎn)的撓度值為H = hl+h2, 其中hi為橋梁4發(fā)生撓度變化時(shí)電移臺(tái)2處的撓度變化值，h2為橋梁4發(fā)生撓度變化時(shí)探測器5位置處相對(duì)于電移臺(tái)2位置處撓度的變化值。由于電移臺(tái)2離橋墩1處有一定的距離，所以橋梁4發(fā)生撓度變化后橋梁4端點(diǎn)與橋面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)角度α，電移臺(tái)2與原來豎直方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)角度α ；同樣，光源與原來的水平方向也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)角度a。撓度變化前激光光斑6打在探測器5中心A點(diǎn)處，撓度變化后激光光斑6打在探測器5B點(diǎn)處，通過探測器光斑位置的計(jì)算公式可以得出B點(diǎn)的坐標(biāo)值。通過電移臺(tái)2移動(dòng)光源3的位置使光斑6剛好打到探測器5的中心位置0點(diǎn)處，求出0點(diǎn)的坐標(biāo)，通過計(jì)算求出B、0兩點(diǎn)間的距離值h4，測量出光源3在電移臺(tái)2上的移動(dòng)距離Li。由公式α = arccos (Ll/h4)就可以求出偏移角度α的值。電移臺(tái)2距橋墩1的距離為sl，由公式hi = sl*tana，就可以把橋梁1發(fā)生撓度變化時(shí)電移臺(tái)2處的撓度變化值hi求出。電移臺(tái)2距探測器5的距離為 s2，根據(jù)公式h3 = s2*tan α可以把BC兩點(diǎn)的距離h3求出，再由公式h2 = h3_h4得出OC 兩點(diǎn)間的距離h2即為橋梁4發(fā)生撓度變化時(shí)探測器5處相對(duì)于電移臺(tái)2位置處撓度的變化值h2。橋梁中心處的實(shí)際撓度值H = hl+h2即為求出。
權(quán)利要求
1. 一種基于四象限位置探測器測試橋梁撓度的方法，其特征在于包括下述步驟 1. 1將四象限探測器( 安裝在橋梁(4)底部的中心位置或其它待測點(diǎn)處，保證其垂直于橋梁(4)底面，使其光敏面垂直正對(duì)激光光源(3)；1.2根據(jù)待測橋梁(4)孔徑大小的不同，將激光光源C3)通過電移臺(tái)( 安裝在橋梁 (4)的橋墩上或橋面底部；1. 2. 1當(dāng)待測橋梁孔徑小于300m時(shí)，將激光光源(3)通過電移臺(tái)(2)安裝在橋墩上； 1. 2. 2當(dāng)待測橋梁孔徑大于300m時(shí)，將激光光源(3)通過電移臺(tái)(2)安裝在橋面下的被測點(diǎn)上；1. 3根據(jù)橋梁撓度變化范圍的大小采用四象限探測器和/或?qū)⑺南笙尢綔y器與電移臺(tái)相配合進(jìn)行撓度測量；1. 3. 1當(dāng)撓度變化范圍小，激光光源(3)與原橋面水平方向重合和/或平行而未形成 α角時(shí)，由四象限探測器( 計(jì)算出橋梁在撓度變化前的K時(shí)刻光斑的縱向坐標(biāo)值yk，及在撓度變化后的K+1時(shí)刻光斑的縱向坐標(biāo)值yk+Ι，并按Ay = yk+1-yk計(jì)算橋梁在此時(shí)刻的撓度變化值；1. 3. 2當(dāng)橋梁撓度變化范圍過大，發(fā)生撓度變化后光斑不能打在光敏面上，通過調(diào)節(jié)控制電移臺(tái)( 使光源C3)在電移臺(tái)( 上自動(dòng)上下移動(dòng)，并使光斑(6)再次打在光敏面的初始位置處，計(jì)算出電移臺(tái)( 移動(dòng)的距離值，此值即為這種情況下的撓度變化值；1. 3. 3當(dāng)光源C3)安裝在橋面底部的某點(diǎn)處，發(fā)生撓度變化時(shí)光源C3)的入射方向與水平方向形成一個(gè)角度α，此時(shí)的撓度值應(yīng)按下述步驟計(jì)算1. 3. 3. 1計(jì)算求出發(fā)生撓度時(shí)光源C3)處產(chǎn)生的角度值α ；1.3. 3. 2計(jì)算出發(fā)生撓度變化后電移臺(tái)O)的上端點(diǎn)距發(fā)生變化前橋平面的距離值； 1. 3. 3. 3計(jì)算出發(fā)生撓度變化后四象限探測器( 上端點(diǎn)距變化后電移臺(tái)( 上端點(diǎn)的距離值；1. 3. 3. 4將所述步驟1. 3. 3. 2與1. 3. 3. 3的兩個(gè)距離值求和，即為光源安裝在橋面待測點(diǎn)時(shí)橋梁的撓度變化值。全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于四象限位置探測器測試橋梁撓度/縱向位移變化的方法，其特征在于首先將四象限位置探測器裝在橋梁的中心位置或橋面底部其它待測點(diǎn)，將激光光源通過電移臺(tái)裝在橋墩和/或橋面下某點(diǎn)上，然后通過用四象限探測器與激光光源相配合進(jìn)行測試，使激光的光斑正對(duì)探測器中心。當(dāng)橋梁橋面發(fā)生撓度變化時(shí)，四象限探測器隨被測點(diǎn)一起發(fā)生縱向位置移動(dòng)，激光在四象限探測器上形成的光斑位置相對(duì)于探測器往相反的方向移動(dòng)，計(jì)算出橋梁發(fā)生撓度變化前后光斑在探測器上的不同位置坐標(biāo)，以及在四象限探測器上的光斑位置變化量即為橋面上被測點(diǎn)的撓度位置變化量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、可控性好，精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁撓度/縱向位移的實(shí)時(shí)在線測試。
文檔編號(hào)G01B11/03GK102564323SQ20111005821
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者李瑛 , 董麗麗, 許文海 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)