本實(shí)用新型涉及橋梁動(dòng)力響應(yīng)測試及高速鐵路橋梁安全監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)及傳感器。

背景技術(shù)：

橋梁在行駛車輛的不斷作用下，其梁體產(chǎn)生較明顯的動(dòng)態(tài)彎曲變形。相比普通鐵路橋梁，高速鐵路橋梁的梁體的動(dòng)態(tài)彎曲變形有更嚴(yán)格的限制，因?yàn)槿绻后w的動(dòng)態(tài)變形過大，導(dǎo)致高速列車與鐵軌的相互摩擦力過大，進(jìn)而影響高速列車的行駛速度，增加了高速列車脫軌的危險(xiǎn)性。橋梁梁體橫向動(dòng)轉(zhuǎn)角和豎向動(dòng)撓度是分析橋梁動(dòng)力響應(yīng)特性變化及運(yùn)營安全的重要參考指標(biāo)。現(xiàn)有的可同時(shí)監(jiān)測橋梁橫向動(dòng)轉(zhuǎn)角和豎向動(dòng)撓度的系統(tǒng)主要是基于高精度的機(jī)械式伺服式形變儀，并將測試數(shù)據(jù)經(jīng)由積分?jǐn)M合法計(jì)算獲取。這類系統(tǒng)在用于監(jiān)測簡單結(jié)構(gòu)橋梁時(shí)具有較高的精度，但是存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：(1)、體積比較大；(2)、由于量程很小，常需要在安裝好后，進(jìn)行手工精確調(diào)零；(3)、控制機(jī)械擺體運(yùn)動(dòng)的十字彈簧片的溫票效應(yīng)對測試結(jié)果的誤差影響比較大，導(dǎo)致輸出值在較長時(shí)間后存在較大漂移。(4)、用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁時(shí)，對測點(diǎn)的布置位置和數(shù)量要求較高，需要比較密集的、合理地布置形變儀，如果布置形變儀的數(shù)量不夠或位置不對，則在由轉(zhuǎn)角積分成的撓度的誤差較大。(5)、由于形變儀即能感應(yīng)到梁體的橫向轉(zhuǎn)角，也能感應(yīng)到梁體的縱向振動(dòng)加速度，其監(jiān)測結(jié)果受梁體的縱向振動(dòng)影響大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型提出一種橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)以及傳感器，以更加方便地對復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的橫向動(dòng)轉(zhuǎn)角和豎向動(dòng)撓度的長期監(jiān)測，解決和改善現(xiàn)有系統(tǒng)的使用不方便、穩(wěn)定性差、梁體縱向振動(dòng)影響大、難以用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的橫向動(dòng)轉(zhuǎn)角和豎向動(dòng)撓度的長期監(jiān)測等缺點(diǎn)。

第一方面，提供一種橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)，包括：

安裝架，包括長桿、短桿和連接桿，其中，所述長桿兩端設(shè)置有固定座，所述短桿與所述連接桿固定，所述連接桿與所述長桿的一端活動(dòng)連接，所述短桿僅在與所述連接桿連接的一端設(shè)置有固定座；

第一力平衡加速度計(jì)，設(shè)置于所述短桿遠(yuǎn)離固定座的一端，用于檢測所在位置的縱向振動(dòng)加速度輸出第一模擬檢測信號(hào)；

第二力平衡加速度計(jì)，設(shè)置于所述長桿上，用于檢測橫向角加速度和縱向振動(dòng)加速度輸出第二模擬檢測信號(hào)；

數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，與所述第一力平衡加速度計(jì)和第二加速度計(jì)連接，用于將所述第一模擬檢測信號(hào)和第二模擬檢測信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為第一數(shù)字檢測信號(hào)和第二數(shù)字檢測信號(hào)并向數(shù)據(jù)處理裝置傳輸；

數(shù)據(jù)處理裝置，與所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置通信連接，用于根據(jù)第二數(shù)字檢測信號(hào)和第一數(shù)字檢測信號(hào)的差值輸出表征橫向轉(zhuǎn)角的檢測信號(hào)。

優(yōu)選地，所述第一力平衡加速度計(jì)和第二力平衡加速度計(jì)均為MEMS力平衡加速度計(jì)。

優(yōu)選地，所述固定座為鐵磁材料固定座。

優(yōu)選地，所述長桿和所述短桿采用聚甲醛-鐵氟龍(POM+PTFE)復(fù)合材料制成。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置包括：

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述第一模擬檢測信號(hào)和第二模擬檢測信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為第一數(shù)字檢測信號(hào)和第二數(shù)字檢測信號(hào)；

無線傳輸模塊，用于以無線方式向所述數(shù)據(jù)處理裝置發(fā)送所述第一數(shù)字檢測信號(hào)和第二數(shù)字檢測信號(hào)；以及

控制模塊，用于控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和所述無線傳輸模塊。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備用于根據(jù)所述長桿的長度和所述表征橫向轉(zhuǎn)角的檢測信號(hào)計(jì)算長桿的絕對撓度差值，根據(jù)多個(gè)不同位置的絕對撓度差值計(jì)算梁體的絕對豎向撓度值。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理裝置通過對第二數(shù)字檢測信號(hào)和第一數(shù)字檢測信號(hào)的差值進(jìn)行反正切變換計(jì)算所述表征橫向轉(zhuǎn)角的檢測信號(hào)。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：

電池；以及

電源管理模塊，與所述電池連接，用于為所述第一力平衡加速度計(jì)、第二力平衡加速度計(jì)和所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置供電。

優(yōu)選地，所述連接桿與所述長桿的一端通過雙自由度鉸鏈活動(dòng)連接。

第二方面，提供一種橋梁梁體形變傳感器，包括：

安裝架，包括長桿、短桿和連接桿，其中，所述長桿兩端設(shè)置有固定座，所述短桿與所述連接桿固定，所述連接桿與所述長桿的一端活動(dòng)連接，所述短桿僅在與所述連接桿連接的一端設(shè)置有固定座；

第一力平衡加速度計(jì)，設(shè)置于所述短桿遠(yuǎn)離固定座的一端，用于檢測所在位置的縱向振動(dòng)加速度輸出第一模擬檢測信號(hào)；

第二力平衡加速度計(jì)，設(shè)置于所述長桿上，用于檢測橫向角加速度和縱向振動(dòng)加速度輸出第二模擬檢測信號(hào)；

數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，與所述第一力平衡加速度計(jì)和第二加速度計(jì)連接，用于將所述第一模擬檢測信號(hào)和第二模擬檢測信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為第一數(shù)字檢測信號(hào)和第二數(shù)字檢測信號(hào)并向數(shù)據(jù)處理裝置傳輸。

本實(shí)用新型通過設(shè)置雙桿式安裝架，兩端固定安裝架的長桿，同時(shí)將安裝架的短桿通過連接桿活動(dòng)連接到長桿的一端，并且僅固定短桿靠近連接的一端。同時(shí)，在安裝架的短桿和長桿上分別設(shè)置對應(yīng)的第一和第二力平衡加速度計(jì)。由于短桿只有一端固定在梁體上，安裝在短桿上的力平衡加速度計(jì)只感應(yīng)梁體的縱向振動(dòng)加速度，而由于長桿的兩端都與梁體固定，安裝在長桿上的力平衡加速度計(jì)既可以感應(yīng)梁體的縱向振動(dòng)加速度，也可以感應(yīng)梁體的橫向角加速度。因此，將兩個(gè)力平衡加速度計(jì)的輸出相減既可以去除縱向振動(dòng)加速度，由此，可以方便的獲取橫向轉(zhuǎn)角參數(shù)?；跈M向轉(zhuǎn)角參數(shù)，可以方便地計(jì)算撓度等參數(shù)。因此，此過程不再依據(jù)積分?jǐn)M合法來計(jì)算撓度，與橋梁結(jié)構(gòu)無關(guān)，可監(jiān)測任何類型的橋梁的豎向動(dòng)撓度和橫向動(dòng)轉(zhuǎn)角。

附圖說明

通過以下參照附圖對本實(shí)用新型實(shí)施例的描述，本實(shí)用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中：

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)的電路示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的安裝架的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下基于實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行描述，但是本實(shí)用新型并不僅僅限于這些實(shí)施例。在下文對本實(shí)用新型的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本實(shí)用新型。為了避免混淆本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細(xì)敘述。

此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。

除非上下文明確要求，否則整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應(yīng)當(dāng)解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。

在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本實(shí)用新型的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)的示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的安裝架的示意圖。如圖1和圖2所示，所述橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)包括安裝架1、第一力平衡加速度計(jì)2、第二力平衡加速度計(jì)3、數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4和數(shù)據(jù)處理裝置5。其中，安裝架1、第一力平衡加速度計(jì)2、第二力平衡加速度計(jì)3和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4構(gòu)成了一個(gè)橋梁梁體形變傳感器。數(shù)據(jù)處理裝置5可以與多個(gè)這樣的形變傳感器通信連接。

其中，如圖2所示，安裝架1包括長桿11、短桿12和連接桿13。短桿12用于固定第一力平衡加速度計(jì)2以檢測梁體的縱向振動(dòng)加速度。長桿11用于固定第二力平衡加速度計(jì)3以同時(shí)檢測梁體的縱向振動(dòng)加速度，也可以感應(yīng)梁體的橫向角加速度。具體地，長桿11兩端設(shè)置有固定座14。所述固定座用于將長桿11與梁體固定。由于長桿兩端均已梁體固定，因此，梁體的橫向和縱向形變均會(huì)傳到長桿并被設(shè)置與其上的第二力平衡加速度計(jì)3檢測。同時(shí)，短桿12通過連接桿13與長桿連接。并且，所述安裝架在短桿12與連接桿13連接的一端設(shè)置有一個(gè)固定座14以將短桿12的該端固定到梁體。同時(shí)，短桿12遠(yuǎn)離連接桿13的一端不固定。也即，所述短桿僅在與所述連接桿連接的一端設(shè)置有固定座。連接桿13與長桿11的一端活動(dòng)連接，以方便調(diào)節(jié)長桿和短桿的相對位置，使得安裝時(shí)安裝架可以方便地安裝在橋梁梁體的各個(gè)位置。優(yōu)選地，連接桿13與長桿11通過雙自由度鉸鏈15活動(dòng)連接，從而可以使得更加方便調(diào)節(jié)。

同時(shí)，固定座14可以設(shè)置為鐵磁材料(例如燒結(jié)釹鐵硼磁鐵)固定座。由于梁體通常包括鋼材，鐵磁材料可以吸附在剛貼上，使用鐵磁材料制造固定座14可以方便安裝和定位。

容易理解，長桿11的橫向轉(zhuǎn)角的大小由長桿11自身的變形和長桿兩端的豎向位移差值決定。很顯然，長桿11兩端的豎向位移差引起的橫向轉(zhuǎn)角值是我們所需要的值。為了減少長桿自身的彎曲變形，我們采用了質(zhì)量輕、剛度大的碳纖維復(fù)合材料(例如聚甲醛-鐵氟龍(POM+PTFE)混合型復(fù)合材料)來制造長桿11、短桿12和連接桿13。

電路方面，第一力平衡加速度計(jì)2設(shè)置于短桿12遠(yuǎn)離固定座14的一端，用于檢測所在位置的縱向振動(dòng)加速度輸出第一模擬檢測信號(hào)。

第二力平衡加速度計(jì)3設(shè)置于長桿11上，用于檢測橫向角加速度和縱向振動(dòng)加速度輸出第二模擬檢測信號(hào)。

具體地，第一力平衡加速度計(jì)2和第二力平衡加速度計(jì)3可以采用為MEMS力平衡加速度計(jì)，例如，基于SCA103T芯片構(gòu)建的電路。MEMS力平衡加速度計(jì)是一種即可感應(yīng)水平向振動(dòng)加速度也可感應(yīng)角加速度的傳感器，對其角加速度值進(jìn)行反正切變換可得布置位置的橫向轉(zhuǎn)角值。相比傳統(tǒng)的機(jī)械式伺服式傾角儀，MEMS高精度的力平衡加速度計(jì)采用的是電子式伺服擺體，同時(shí)增加了溫度補(bǔ)償電路，具有體積小、溫漂小、量程大等優(yōu)點(diǎn)。由于MEMS高精度的力平衡加速度計(jì)的量程比較大，由安裝所帶來的初始轉(zhuǎn)角值遠(yuǎn)小于量程，因此不需要手工精確調(diào)零。

數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4與第一力平衡加速度計(jì)2和第二加速度計(jì)3連接，用于將所述第一模擬檢測信號(hào)和第二模擬檢測信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為第一數(shù)字檢測信號(hào)和第二數(shù)字檢測信號(hào)并向數(shù)據(jù)處理裝置5傳輸。具體地，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4可以包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊41、無線傳輸模塊42和控制模塊43。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊41用于將所述第一模擬檢測信號(hào)和第二模擬檢測信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為第一數(shù)字檢測信號(hào)和第二數(shù)字檢測信號(hào)。優(yōu)選地，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊41可以以AD7606芯片為核心，配套外圍電路構(gòu)成。

無線傳輸模塊42用于以無線方式向所述數(shù)據(jù)處理裝置發(fā)送所述第一數(shù)字檢測信號(hào)和第二數(shù)字檢測信號(hào)。無線傳輸模塊42可以基于已有的各種無線通信接口與數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行通信。優(yōu)選地，無線傳輸模塊420采用由CC2530芯片為核心而構(gòu)成的DRF2617A-ZigBee無線模塊來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)理解，無線傳輸模塊42也可以采用基于其他通信協(xié)議的模塊實(shí)現(xiàn)。

控制模塊43用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊41和所述無線傳輸模塊42。優(yōu)選地，控制模塊43以MSP430芯片為核心，配套外圍電阻和電容構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4與第一、第二力平衡式加速度計(jì)可以通過電池供電，由此，可以進(jìn)一步方便安裝。在此前提下，系統(tǒng)包括電池6和電源管理模塊7。電源管理模塊7與電池6連接，用于管理電池6的充電放電操作，并且可以為數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4與第一、第二力平衡式加速度計(jì)提供穩(wěn)定的電壓或電流。

數(shù)據(jù)處理裝置5與數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4通信連接，用于根據(jù)第二數(shù)字檢測信號(hào)和第一數(shù)字檢測信號(hào)的差值輸出表征橫向轉(zhuǎn)角的檢測信號(hào)。

如上所述，安裝在短桿上的第一力平衡加速度計(jì)2只感應(yīng)梁體的縱向振動(dòng)加速度，而安裝在長桿上的第二力平衡加速度計(jì)3既可以感應(yīng)梁體的縱向振動(dòng)加速度，也可以感應(yīng)梁體的橫向角加速度。因此，將兩個(gè)力平衡加速度計(jì)的輸出相減(也即第二數(shù)字檢測信號(hào)減去第一數(shù)字檢測信號(hào))就可以去除縱向振動(dòng)加速度的影響，獲取橫向角加速度參數(shù)。具體地，所述數(shù)據(jù)處理裝置通過對第二數(shù)字檢測信號(hào)和第一數(shù)字檢測信號(hào)的差值進(jìn)行反正切變換計(jì)算獲得表征橫向轉(zhuǎn)角的檢測信號(hào)。進(jìn)而，基于表征橫向轉(zhuǎn)角的檢測信號(hào)，數(shù)據(jù)處理裝置5可以方便地計(jì)算撓度等參數(shù)。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理裝置5還用于根據(jù)所述長桿的長度和所述表征橫向轉(zhuǎn)角的檢測信號(hào)計(jì)算長桿的絕對撓度差值，根據(jù)多個(gè)不同位置的絕對撓度差值計(jì)算梁體的絕對豎向撓度值。

本實(shí)用新型通過設(shè)置雙桿式安裝架，兩端固定安裝架的長桿，同時(shí)將安裝架的短桿通過連接桿活動(dòng)連接到長桿的一端，并且僅固定短桿靠近連接的一端。同時(shí)，在安裝架的短桿和長桿上分別設(shè)置對應(yīng)的第一和第二力平衡加速度計(jì)。由于短桿只有一端固定在梁體上，安裝在短桿上的力平衡加速度計(jì)只感應(yīng)梁體的縱向振動(dòng)加速度，而由于長桿的兩端都與梁體固定，安裝在長桿上的力平衡加速度計(jì)既可以感應(yīng)梁體的縱向振動(dòng)加速度，也可以感應(yīng)梁體的橫向角加速度。因此，將兩個(gè)力平衡加速度計(jì)的輸出相減既可以去除縱向振動(dòng)加速度，由此，可以方便的獲取橫向轉(zhuǎn)角參數(shù)?；跈M向轉(zhuǎn)角參數(shù)，可以方便地計(jì)算撓度等參數(shù)。因此，此過程不再依據(jù)積分?jǐn)M合法來計(jì)算撓度，與橋梁結(jié)構(gòu)無關(guān)，可監(jiān)測任何類型的橋梁的豎向動(dòng)撓度和橫向動(dòng)轉(zhuǎn)角。同時(shí)可以有效消除橋梁梁體的縱向振動(dòng)對測試結(jié)果的影響。

以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本實(shí)用新型可以有各種改動(dòng)和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。