一种基于压力波传导的结构物竖向位移实时测量方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种结构物竖向位移实时测量方法和系统。系统由分布在多个测点的压力传感器和连接压力传感器的液体管道两部分组成。压力传感器实时测量液体的绝对压力。弹性的液体管道把外界扰动形成的压力波以声速传递给多个传感器。多个测点的压力传感器测量出同一时刻的压力值，经过相减后消除外界干扰带来的误差，然后利用傅里叶变换提取差值中重力加速度带来的压力分量幅度，除以液体密度和重力加速度，作为两个测点间的竖向高度差。结构简单，管道密封，无液体挥发，系统特性即可抵消外界扰动带来的误差。不但可以测量结构物的静态竖向位移，还可直接提获得动态位移的各种频率分量幅值，得到结构物的动态挠度。得到结构物的动态挠度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压力波传导的结构物竖向位移实时测量方法和系统


[0001]本专利技术涉及结构变形监测
，是一套基于压力波在液体中传导原理的结构变形实时监测的方法和系统。

技术介绍

[0002]为了监测建筑结构物的安全性能，需要对结构物的竖向位移变化进行监测。缓慢的竖向位移简称沉降，如桥墩、建筑物的缓慢垂直方向的位移。动态的竖向位移，有的简称挠度，如桥梁在车辆等活载作用下的竖向位移，轨道在列车作用下的竖向位移等，是判断结构物安全性能的关键指标。现有的监测方法和设备主要有：1、基于自动全站仪的测量方法；2、基于机器视觉的测量方法；3、基于微波雷达的测量方法；4、基于液体连通管方法的静力水准仪。
[0003]基于自动全站仪的测量方法：在通视条件下固定一台能按照事先设定的程序，自动转向对准测点发射激光，测量出激光距离和角度，进而计算出结构物位移的方法。存在以下缺点：1、同一时刻，仅能测量一个测点的位移；2、无法做到实时测量动态位移。每次测量的时间周期较长，不能实时反应在短暂外力作用下的结构快速位移变化情况。例如高铁轨道的在列车通过时的实时变形监测；3、设备与测点之间必须通视；4、天气状况对激光的影响很大；5、设备精密昂贵，需要修建专门的墩台底座。
[0004]基于机器视觉的测量方法：在通视条件下，在测点安装图像识别的靶标，在远处基准点出安装摄像机和长焦镜头及计算机等设备，通过拍摄测点靶标的图像，计算靶标在摄像机采集的图像中的移动来获取测点的位移。存在以下缺点：1、设备与测点之间必须通视；2、天气状况对图像质量影响很大，恶劣天气下难以工作；3、距离远时，需要使用昂贵的精密长焦镜头；4、图像处理需要专门的计算机设备；5、安装不变，价格昂贵。
[0005]基于微波雷达的测量方法：通过在基准点安装微波雷达，测点安装金属角反射器，测量角反射器返回微波的相位差得到基准点到测点的距离。存在以下缺点：1、设备极为昂贵，难以在单个项目中长期使用；2、测点与基准点之间必须通视；3、只能得到测点与基准点之间的直线距离，竖向的位移通常需要结合倾角传感器进行结算，导致精度降低；基于液体连通管原理的静力水准仪方法：通过重力和大气压力作用下的液体在连通器内的流动平衡原理来实现竖向位移的测量，是当前使用得最为普遍的方法。主要仪器是静力水准仪。用气管和液管分别把各测点的静力水准仪连接起来。通过静力水准仪内部的扩散硅压差式压力传感器，获取到液体压力与气体压力的差值。当某测点发生下沉位移时，该点的液体压力增大，而液面上的气压由于气管的连通性，在液面发生变化时，均保持相同的气压，因此测点的液位压力可以直观的反应该点的沉降位移。
[0006]静力水准仪方法存在的缺点：1、只能在静力平衡状态下使用，不能测量动态位移：液体流动时由于惯性及粘滞阻尼的作用，当测点位移快速变化时，液位将发生震荡，液管内的液体产生“水锤”效应，导致压力传感器获得的压力差激烈变动，不能准确、实时的反应测点的沉降位移。只适合用来测量缓慢变化的沉降位移，不适合测量动态的沉降位移，如不能
用来实时测量桥梁动态挠度；2、差压式扩散硅压力传感器的量程较小，且误差为量程的3~5
‰
。一般市面的静力水准仪的最大量程仅为5000mm，此时的误差将达到30~25mm。还有用超声波来测量液面高度变换的。这种超声波测距方式实现的静力水准仪虽然精度比压差式的方式精度上有所提高，但是因测量的是直接的液面高度，受限于体积和安装方式，量程更小，仅为100-200mm。这限制了静力水准仪在需要大高差和高精度沉降位移测量情况下的使用；3、静力水准仪由于需要同时铺设液管和气管，导致安装较为复杂，成本较高，限制了静力水准仪的广泛使用；4、静力水准仪需要使用水罐来装水。水罐的内径需要远大于水管的直径。在水管的长度发生变化时，确保水罐内的水面不会发生较大的改变。水罐中的水用水管连接到各压差式压力传感器膜片的一侧；水罐内水面上部的空气，用空气管连接到各压差式传感器膜片的另一侧，以便差压式传感器测量膜片两端的气压和水压。4、实际使用时，通常是多个静力水准仪构成一个系统。其中一个作为基准点，通过比较其他测点传感器与基准点的压力差，换算为相应的测点沉降。整个系统的温度分布不均时，各个测点水体密度存在差异，导致数据准确性大幅度降低。5、各种静力水准仪的体积均较大，安装不方便。6、运行过程中液体会蒸发，需要添加液体，导致维护麻烦，不适合做长期监测用途。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于压力波在弹性约束的密闭空间内以声速各向传播的原理而实现的竖向位移实时监测的方法和系统。能够实现系统温度的自补偿、外界机械干扰的自补偿，及被测物运动状况下的竖向位移实时测量。
[0008]本专利技术仅需要用压力波基准传递管连接基准点和测点的传感器，即可实现测点相对基准点的竖向位移实时测量。不需要其他的辅助设备。整个系统仅由压力传感器、压力传导管及两部分组成。结构简单，成本低廉，使用方便。能够更好的适应结构变形监测项目的使用要求。结合物联网系统，可实现现场及网络远程监测及报警等扩展应用。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：多个内置压力传感器的容器，中间用压力传导管连接。压力传导管是带弹性的塑胶管道，用来在多个压力传感器之间传递压力。选用体积很难被压缩，且体积受温度影响很小的液体来填充管道，通常选用纯净水。如附图1所示，整个系统由至少两个带压力传感器的容器及基准传递管组成。为叙述方便，带压力传感器的容器简称压力波传感器。当系统注满水时，封闭的塑胶管道外壁的大气压力和管道内部的液体压力形成平衡。当压力波传感器产生竖向沉降位移时，由于水完全充满水管，水的体积不会发生变化，水不会自由流动。设测点0处的压力传感器为参考基准点；当测点P
i
静止时，测点P
i
加速度等于重力加速度g。测点i的水压力P，仅与水的高度H、密度ρ及加速度a有关，即：P=ρa H，即H=P／(ρ
×ꢀ
a)。当测点i从A点下沉到B点，发生沉降位移Δhi时，Δhi=ΔP／(ρg)= Hi(t)
-ꢀ
Hi(t0)= Δh
i
= H
i
(t)
-ꢀ
H
i
(t0)=(P
i
(t)
-ꢀ
P
i
(t0)-(P0(t)-P0(t0))) / (ρg)= （P
i（
(t)
-ꢀ
P0(t)-（P
i
(t0)
ꢀ-
P0(t0))）/ (ρg)= （P
i
(t)
-ꢀ
P0(t)）/ (ρg)
ꢀ-
（P
i
(t0)
ꢀ-
P0(t0))/ (ρg)。因此只需要读取到参考基准点0和测点i在当前时刻和初始时刻的绝对压力值即可求出测点i在当前时刻相对于初始位置的竖向位移量。其中Hi(t)为t本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明是一种基于压力波在液体中各向同性传播原理，实现建筑结构变形的竖向位移实时监测的方法以及装置；本发明利用简单的装置，不但可以实现静态的竖向位移测量，还可以实现动态位移的测量。2.根据权利要求1所述的测量结构物竖向位移的系统，由压力传感器和压力传递管互相连接组成。3.根据权利要求1所述的测量结构物竖向位移的系统，以其中一个压力传感器作为为参考基准点；以测点处的压力传感器的压力值减去基准点的压力值，用来计算测点与基准点间的竖向位移。4.根据要求 2 所述的压力传感器，采用绝对压力传感器，测量压力传递管内的液体相对真空的绝对压力值。5.根据要求 2 所述的压力传递基准管，由一段内部充满液体，两端完全密闭的塑胶管道组成；管道本身具有弹性变形能力，且抗压强度大于标准大气压；在内部液体的压力和外部大气压力的作用下，形成平衡状态；...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦庆波，吕翠华，
申请(专利权)人：深圳安锐科技有限公司，
类型：发明
国别省市：