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基于无线倾角传感器的桥梁挠度测量

仪器技术文章

一、 监测需求
 
桥梁是现代交通运输网络中的重要组成部分。我国交通事业的快速发展,对桥梁结构的安全性提出了更高的要求,因此,对其进行安全监测是十分必要的。以前对桥梁监测多是进行目测,现在随着科学技术的发展,应用了越来越多的监测仪器。通过对桥梁监测数据的分析,可以了解桥梁结构过去和现在的工作状况,预测其未来的状况,而挠度是一个重要的监测参量。挠度是判定桥梁竖向刚度、结构承载力和结构整体性的最重要的技术参数,是桥梁鉴定、危桥改造和新桥验收的重要指标。如果挠度超过了规定的设计限度,桥梁随时会有垮塌的危险,危及人民的生命财产安全。因此,对桥梁挠度的测量是相当必要的。
目前已有许多测量桥梁挠度的方法,如采用机器人测量、通过连通管光电液位测量、有载重拉伸钢丝利用位移传感器来测量、基于图像处理技术的非接触式光电测量等。由于桥梁结构各异、种类繁多且自身荷载巨大、受力情况复杂等因素,因此必须具体问题具体分析,要对测量方法的基本原理、性能及适用桥型进行研究和分析,以便采用适应桥梁各自结构特点的方法进行挠度测量。本文研究了无线倾角挠度测量方案,设计了一种无线倾角传感器,在硬件设计、软件设计、系统集成、实际测试方面做了详细的说明。
 
二、 几种常见的挠度测量方法及比较分析
 
1. 激光图像挠度测量
    激光图像挠度测量利用了激光良好的方向性。随着桥梁不同程度的变形,照射在被测点固定不动的光电接收器上的激光光斑中心发生等量变化,因此只要获取光斑中心位置就可得到桥梁挠度。采用激光图像法测量桥梁挠度具有很高的测量精度,可达到0.1 mm,且采样速率高、成本较低,适合于跨度不大的中小型桥梁。
2. GPS挠度测量
GPS作为新一代卫星导航与定位系统,不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性。其基本原理是:用一台接收机(基准站)安在参考点(岸基)上固定不动,另一台接收机(移动站)设在桥梁变形较大的点,2台接收机同步观测4颗或更多卫星,以确定变形点相对岸基的位置。实时获取变形点相对参考点的位置,可直接反映出被测点的空间位置变化,从而得到桥梁结构的挠度值。
3. 连通管挠度测量
    利用连通管原理,根据安装在桥梁各处连通管内液面高度的变化获得桥梁挠度的变化。当桥梁梁体发生变形时,固定在梁体上的水管也将随之移动,此时,各竖直水管内的液面将与基准点处的液面保持在同一水平面,但各测点处的竖直水管液面却发生了大小不等的相对移动,测得的相对位移量即是该被测点的挠度值。
4. 光电成像挠度测量
光电成像挠度测量是在桥梁的测点上安装一个目标靶,并在靶上制作一个光学标志点(光标)。通过光学系统(光学镜头)把标志点成像在CCD接收面阵上,当桥梁产生挠度/位移时,目标靶也随之移动。通过测出靶上光标点在CCD接收面上成像位置的变化值,就可计算出桥梁实际的挠度/位移量。
5. 倾角仪挠度测量
采用倾角仪测量桥梁挠度,不需现场测量基准及不受日光、雨、雾等影响,测量范围较大,可实现一维/二维测量。此法适合于大、中型刚构结构桥梁的挠度测量。如杨学山等利用倾角仪分别对哈尔滨松花江铁路桥和九江公路铁路两用桥进行了静载挠度测量,取得了满意的效果。
6. 几种挠度测量方法的对比
表1列出了几种挠度测量方法对比的情况,从表中可以看出,相对于其它测量方法,倾 角      仪法具有一定的优势。权衡精度、成本、测量难易程度等诸多因素。
 
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