專利名稱：一種撓度自動測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及撓度測量研究領(lǐng)域，特別涉及一種撓度自動測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
目前，橋梁荷載試驗中有一項重要內(nèi)容就是結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形(撓度)測量，該指標反映結(jié)構(gòu)的剛度特性。目前撓度測試主要分為以下幾類1、水準儀或全站儀。其原理是在結(jié)構(gòu)體上預先布置若干固定測點，將其中一點置于某不動點或相對不動點上，然后根據(jù)水準測量原理，在每次加載后用水準儀讀取各處塔尺的標高，前后相減后即得到該處的撓度。優(yōu)點是可以進行多點測量，無需安裝基座或支架，設備攜帶量少。缺點是測量精度低，一般能精確到O.1mm ;且測量可視度與精度受環(huán)境影響大；人工讀數(shù)和人工扶尺容易造成人為誤差；多點測量時，轉(zhuǎn)站點多，工作量大，耗時巨大造成經(jīng)濟成本增加。2、接觸式位移計。如百分表、千分表、拉線位移計、滑線變阻式位移計等。位移計測量精度高，可以達到O. OfO. OOlmm0儀器體積小，攜帶方便。但測量時必須提供固定參考點或者支架，在某些跨河跨江橋或者高架橋梁上幾乎無法適用。3、非接觸式激光位移計。這是一種光電裝置，利用投影原理非接觸測量物體尺寸。精度可達O. 01mm，且操作方便。這種測量方式主要缺點在于設備價格昂貴，操作復雜。且對于跨河跨江橋或高架橋梁，由于無法找到合適的固定參考點而無法適用。4、連通液位計。其測量原理是根據(jù)連通管水位總保持在同一平面上，根據(jù)變形前后水位的變化推求結(jié)構(gòu)撓度。這個技術(shù)具有不受多方位變形及橋梁現(xiàn)場的高程、高濕和濃霧等的影響，能實現(xiàn)多點撓度檢測，適用范圍廣，性價比高等優(yōu)點。但是目前使用過程中，采用該方法的裝置同樣存在一定的缺點，例如專利號為01209421. 8的專利，該專利采用在直管上安裝標尺進行人工讀數(shù)，因此這種儀器精度不超1_。而對于采用光電傳感器進行讀數(shù)的，如專利號為200320127308. X、200420013598. X的專利，由于水面張力的影響以及無任何放大功能，其精度和穩(wěn)定性同樣令人懷疑。另外專利號為201120026894. 3、200810237453. 0,200810237454. 5,200910273439. 0,200920005141. 7 的這些專利，均是利用微壓傳感器或者壓力變送器來測量水柱壓力，因為水柱壓力變化極其微小，且連通器在多個管分壓后，水壓力更小，因此很難達到理想精度要求。還有利用浮力或浮子進行液面位移的轉(zhuǎn)換，通過彈性元件或光電傳感器感應浮力變化或者浮子位移如201110204309. 9，201120258359. 0，這種方式存在二次轉(zhuǎn)換的問題，還有浮子的摩擦和垂直等問題，因此其精度和線性也是無法滿足現(xiàn)有應用的要求。由此可見，由于沒有將液面位移或壓力或浮力進行放大，直接測量這些量，即使采用很精密的光柵傳感器、光電傳感器或者微壓傳感器，其精度都很難滿足橋梁撓度測量的要求
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種撓度自動測量裝置，該裝置封裝性好，可抗風、抗雨，且攜帶方便，操作簡單，可廣泛用于建筑、工程、護坡、基坑等土木工程的施工過程豎向位移測量，更可以適用于結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)檢測中的結(jié)構(gòu)短期撓度測量，也可以作為既成結(jié)構(gòu)的長期撓度測量的基本工具。本發(fā)明還給出了一種基于上述裝置的撓度自動測量方法，該方法整合連通管和應變測量技術(shù)，通過測量測管內(nèi)液體的重量來實現(xiàn)撓度的測量，測量精度高。本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種撓度自動測量裝置，包括外框、豎管、軟管和力傳感器，豎管位于外框內(nèi)正中央，與力傳感器下端固結(jié)，力傳感器上端通過萬向頭與外框連接，外框上部設置一用于固定萬向頭的承力桿；萬向頭與力傳感器鉸接；豎管底部一側(cè)設一進水孔，進水孔與軟管相連，軟管水平放置在外框底部框架上，軟管另一端和外部進水管相連，在其相連處設置有一用于控制軟管導通的閥門。優(yōu)選的，所述萬向頭為凹球槽與球體進行鉸接的結(jié)構(gòu)?？梢允沽鞲衅骱拓Q管在小角度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動調(diào)平。為了使測管和力傳感器重力線與地面垂直，在外框上方正中可設置一水準泡，以保證本裝置預先垂直于地面。更進一步的，所述水準泡的位置通過設置于外框四周的調(diào)平螺絲來進行調(diào)節(jié)。在測量前，通過外框四周的調(diào)節(jié)螺絲使水準泡位于中央而使外框重心線與地面垂直，而豎管的垂直則通過萬向頭自動予以調(diào)整，測量過程中一般無須再次人工調(diào)平。優(yōu)選的，所述軟管通過三通接頭與外部進水管連接，另一接頭接一豎直的、用于在測量前觀察初始水位的透明管。當初始水位與豎管初始線基本處于同一水平面時，可以通過開關(guān)導通軟管和外部進水管進行測量。優(yōu)選的，所述豎管和力傳感器直接通過螺紋連接在一起。優(yōu)選的，所述力傳感器采用S型應變式稱重傳感器。優(yōu)選的，所述力傳感器通過應變儀與計算機連接。計算機可以控制應變儀采集、記錄、顯示力傳感器所得到的數(shù)據(jù)，避免了人工讀數(shù)、記錄造成的錯誤，降低操作人員的勞動強度。更進一步的，所述力傳感器和應變儀之間、應變儀和計算機之間、或者力傳感器和計算機之間均通過無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)的傳遞。采用無線傳輸模塊可以減小測量儀的尺寸，同時在現(xiàn)場使用時，也不必進行布線，節(jié)省了勞動量。一種基于上述裝置的撓度自動測量方法，將豎管和力傳感器懸吊起來，同時將豎管與連通器連接，然后通過力傳感器直接測取豎管內(nèi)液體的重量變化，根據(jù)重量變化與結(jié)構(gòu)撓度值的關(guān)系得到撓度值；測量過程中，豎管的重力線應與力傳感器的軸線重合。該方法依據(jù)的原理是因為連通器所連接的各管中液面高度應處處相等，結(jié)構(gòu)變形后，各管中液面高度隨之變化，各管中液體的重量相應發(fā)生微小變化，將該微小的重量變化直接由力傳感器感受，力傳感器的讀數(shù)就可以線性反應出結(jié)構(gòu)的撓度值。本發(fā)明方法創(chuàng)新點是直接采用力傳感器測量豎管內(nèi)液體的重力變化，以及采用水平放置的軟管與豎管連接?，F(xiàn)有技術(shù)中已知豎管內(nèi)液體的重力變化直接跟液體的體積變化成線性關(guān)系，在管徑不變的前提下，液體的體積變化跟液面高度變化成線性關(guān)系；當結(jié)構(gòu)體撓度發(fā)生變化時，導致預先處于同一液面高度的各豎管液面高度將發(fā)生變化，液面高度變化跟撓度成線性關(guān)系，從而轉(zhuǎn)換為液體體積或者液體重量發(fā)生變化，液體重量的變化由力傳感器感應得到。這樣就可以通過力的測量獲取撓度數(shù)值。本發(fā)明中豎管內(nèi)液體的重力變化與結(jié)構(gòu)撓度值之間的關(guān)系具體如下Δ f = P gS ( Δ h)；其中V為撓度變化，P為水密度，g是重力加速度，S為豎管截面面積，Ah為豎管液面高度變化。本發(fā)明數(shù)據(jù)精度與體積變化相關(guān)，下面以管徑50、70、100mm的豎管闡明該精度，但不局限于采用此尺寸。表I不同管徑的豎管在相同變化液面高度下的變化質(zhì)量
權(quán)利要求
1.一種撓度自動測量裝置，其特征在于，包括外框、豎管、軟管和力傳感器，豎管位于外框內(nèi)正中央，與力傳感器下端固結(jié)，力傳感器上端通過萬向頭與外框連接，外框上部設置一用于固定萬向頭的承力桿；萬向頭與力傳感器鉸接；豎管底部一側(cè)設一進水孔，進水孔與軟管相連，軟管水平放置在外框底部框架上，軟管另一端和外部進水管相連，在其相連處設置有一用于控制軟管導通的閥門。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度自動測量裝置，其特征在于，所述萬向頭為凹球槽與球體進行鉸接的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度自動測量裝置，其特征在于，在外框上方正中可設置一水準泡，水準泡的位置通過設置于外框四周的調(diào)平螺絲來進行調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的撓度自動測量裝置，其特征在于，所述軟管通過三通接頭與外部進水管連接，另一接頭接一豎直的、用于在測量前觀察初始水位的透明管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度自動測量裝置，其特征在于，所述豎管和力傳感器直接通過螺紋連接在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度自動測量裝置，其特征在于，所述力傳感器采用S型應變式稱重傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度自動測量裝置，其特征在于，所述力傳感器通過應變儀與計算機連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的撓度自動測量裝置，其特征在于，所述力傳感器和應變儀之間、應變儀和計算機之間、或者力傳感器和計算機之間均通過無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)的傳遞。
9.一種基于權(quán)利要求1-8任一項所述撓度自動測量裝置的撓度自動測量方法，其特征在于，將豎管和力傳感器懸吊起來，同時將豎管與連通器連接，然后通過力傳感器直接測取豎管內(nèi)液體的重量變化，根據(jù)重量變化與結(jié)構(gòu)撓度值的關(guān)系得到撓度值；測量過程中，豎管的重力線應與力傳感器的軸線重合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的撓度自動測量方法，其特征在于，所述豎管內(nèi)液體的重力變化與結(jié)構(gòu)撓度值之間的關(guān)系具體如下 Δ f = ρ gS ( Δ h)； 其中Af為撓度變化，ρ為水密度，g是重力加速度，S為豎管截面面積，Ah為管液面高度變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種撓度自動測量裝置及其測量方法，該裝置包括外框、豎管、軟管和力傳感器，豎管位于外框內(nèi)正中央，與力傳感器下端固結(jié)，力傳感器上端通過萬向頭與外框連接，外框上部設置一用于固定萬向頭的承力桿；萬向頭與力傳感器鉸接；豎管底部一側(cè)設一進水孔，進水孔與軟管相連，軟管水平放置在外框底部框架上，軟管另一端和外部進水管相連，在其相連處設置有一用于控制軟管導通的閥門。該方法是通過測取豎管內(nèi)液體的重量變化，根據(jù)此重量變化與結(jié)構(gòu)撓度值的關(guān)系得到撓度值。本發(fā)明整合了連通管和應變測量技術(shù)，測量精度高，可廣泛用于建筑、工程、護坡、基坑等施工過程中豎向位移測量，可以適用于結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)檢測中的結(jié)構(gòu)短期撓度測量。
文檔編號G01C5/04GK103063382SQ20121056236
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者周希平 申請人:華南理工大學