基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统及方法，包括三组对称准直激光位移测量传感器，相邻两组对称准直激光位移测量传感器中：第一组对称准直激光位移测量传感器SDC1的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁的测点P1、P2、P3处；第二组对称准直激光位移测量传感器SDC2的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁的测点P2、P3、P4处；第三组对称准直激光位移测量传感器SDC3的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁的测点P3、P4、P5处。同时实现了多功能、高精度测量以及便捷安装，且可以测量桥梁三个测点的挠度和梁端转角。梁三个测点的挠度和梁端转角。梁三个测点的挠度和梁端转角。

【技术实现步骤摘要】
基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统及方法


[0001]本专利技术属于桥梁工程检测及桥梁健康监测领域，涉及一种基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统及方法。

技术介绍

[0002]中小跨桥梁数量巨大，在公路及铁路交通运输基础设施中占有极其重要的地位。中小跨桥梁在外界荷载的作用下产生变形形成挠度曲线，桥梁挠度曲线上的每一点，不仅存在挠度，还存在相对转角，即桥梁挠度曲线上的每一点的切线方向与水平面存在夹角。同样，在桥梁桥墩位置处的桥梁梁端也存在转角。中小跨桥梁静动挠度的测量是桥梁建设竣工验收、桥梁荷载试验、桥梁特定试验、桥梁运营管理等工作中极其重要的一项内容。在中小跨铁路桥梁中，为了保障梁桥的安全运营及列车运行的平顺性，不仅需要进行梁桥1/4、2/4、3/4三点位置的静动挠度测量，还需要对桥梁梁端转角进行测量。
[0003]目前，进行中小跨桥梁1/4
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2/4
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3/4三点静动挠度及桥梁梁端转角测量的方法、传感器及仪器设备有多种，但在实际应用中，还存在诸多不足，不能适应桥梁工程检测应用的需要，不能实现桥梁1/4
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2/4
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3/4三点静动挠度及桥梁梁端转角的实时动态高精度测量。采用水准仪、经纬仪、全站仪等仪器进行桥梁挠度检测，只能检测桥梁静态挠度，而且要封闭正常的交通。采用各种位移计如激光位移传感器、电子机械类位移计等进行桥梁挠度检测，需要在桥梁下部架设特定的支架，导致桥梁挠度现场测量操作繁琐，尤其不能用于跨越江河湖海的桥梁挠度检测以及跨越峡谷的高墩桥梁挠度检测。采用基于光学成像类光电传感器组成的测量系统进行桥梁挠度检测，往往是采用单个成像系统对桥梁的多个位置进行挠度测量，由于测量精度与成像距离有关，随着成像距离的增加，测量精度将显著下降，而且远距离成像会受到更大的大气湍流引起图像抖动的影响，同时，该类测量系统不能高精度进行桥梁梁端转角测量，在使用中，需要安装在桥梁上或其它位置处的稳定平台上，给桥梁挠度测量带来极大不便。采用基于惯性类传感器如加速度计、倾角仪、陀螺仪等组成的测量系统进行桥梁挠度和梁端转角测量，测量精度低。采用GPS定位系统进行桥梁挠度检测，测量精度偏低。采用激光干涉仪、微波干涉仪等进行桥梁挠度检测，激光干涉仪、微波干涉仪需要安装在桥梁下部的江河的堤岸上，现场使用受到地理位置限制，且不能进行桥梁梁端转角测量。采用液体连通管类传感器进行桥梁挠度检测，仅能用于检测桥梁静挠度或准静态挠度，不能直接用于桥梁梁端转角测量。
[0004]如何高精度、实时测量桥梁1/4
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2/4
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3/4三点静动挠度值及桥梁梁端转角，一直是国内外桥梁工程应用极为重视的一项工作，也是国内外桥梁试验检测和监测工程中急需解决的技术难题。公开号为CN202222561645.5的技术公开了一种用于桥梁的链式激光挠度检测系统，该专利在沿着桥梁跨径的方向上，选择桥梁挠度测点，在每个桥梁挠度测点，采用一个单向发射的准直激光器和一个接收器，用于测量临近的两个测点之间的单向的相对位移；由于桥梁上的每个测点，不仅存在位移，同时还存在转角，该转角引起准直激光器
发射的准直激光束方向发生转动和接收器的转动。为了测量桥梁上测点的转角，在每个测点采用了倾角传感器测量该测点的转角，通过对测点的位移和转角进行数据处理获得桥梁挠度。对于中小跨桥梁，挠度的测量精度要求高，一般要求在十分之一毫米以内，甚至要求达到0.01mm以上。目前，由于倾角传感器的测角精度相对较低，如该专利采用的倾角传感器的测量精度为0.005
°
，由此在测点之间相距30米时，由倾角误差引起的位移测量误差及桥梁挠度测量误差为tg0.005
°
*30000mm＝2.617mm，实际的测量误差更大，倾角传感器引起的测角误差在厘米级，由此造成采用倾角传感器进行桥梁挠度测量，其整体测量精度偏低。因此，在测点利用一个单方向的准直激光器和倾角传感器进行桥梁挠度测量，其测量精度无法满足桥梁挠度高精度测量特别是中小跨桥梁挠度高精度测量的要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例的目的在于提供一种基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统及方法，以解决现有的中小跨桥梁挠度测量系统无法同时实现多功能、高精度测量以及便捷安装，且无法同时测量桥梁挠度和桥梁梁端转角的问题。
[0006]本专利技术实施例所采用的第一技术方案是：基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度测量系统，包括三组对称准直激光位移测量传感器；
[0007]相邻的两组对称准直激光位移测量传感器中：
[0008]第一组对称准直激光位移测量传感器SDC1的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁上部桥面上的测点P1、P2、P3处；
[0009]第二组对称准直激光位移测量传感器SDC2的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁上部桥面上的测点P2、P3、P4处；
[0010]第三组对称准直激光位移测量传感器SDC3的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁上部桥面上的测点P3、P4、P5处；
[0011]测点P1、P2、P3、P4、P5依次从左到右设置在桥梁上。
[0012]进一步的，每组所述的对称准直激光位移测量传感器，包括：
[0013]第一传感器，第一传感器包括一个对称准直激光器，对称准直激光器包括轴对称或中心对称的左准直激光器和右准直激光器；
[0014]第二传感器，第二传感器位于第一传感器的左侧，第二传感器包括一个右光电接收器，第二传感器的右光电接收器与第一传感器的左准直激光器对应，接收第一传感器的左准直激光器沿其激光发射方向发射的激光；
[0015]第三传感器，第三传感器位于第一传感器的右侧，第三传感器包括一个左光电接收器，第三传感器的左光电接收器与第一传感器的右准直激光器对应，接收第一传感器的右准直激光器沿其激光发射方向发射的激光。
[0016]进一步的，每组所述的对称准直激光位移测量传感器的第一传感器、第二传感器、第三传感器分别安装在对应的多功能底座上；
[0017]每个所述的多功能底座具备调节其上的第一传感器、第二传感器、第三传感器的高度、方位的功能；
[0018]每个所述的多功能底座上安装有测高传感器、倾角传感器、测距传感器和数据采
集处理器；
[0019]每组所述的对称准直激光位移测量传感器的第二传感器的右光电接收器及其所在的多功能底座上的测高传感器、倾角传感器和测距传感器的输出端均与对应的数据采集处理器的不同输入端电连接；
[0020]每组所述的对称准直激光位移测量传感器的第三传感器的左光电接收器及其所在的多功能底座上的测高传感器、倾角传感器和测距传感器的输出端均与对应的数据采集处理器的不同输入端电连接。
[0021]进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度测量系统，其特征在于，包括三组对称准直激光位移测量传感器；相邻的两组对称准直激光位移测量传感器中：第一组对称准直激光位移测量传感器SDC1的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁上部桥面(5)上的测点P1、P2、P3处；第二组对称准直激光位移测量传感器SDC2的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁上部桥面(5)上的测点P2、P3、P4处；第三组对称准直激光位移测量传感器SDC3的第二传感器、第一传感器和第三传感器对应设置在桥梁上部桥面(5)上的测点P3、P4、P5处；测点P1、P2、P3、P4、P5依次从左到右设置在桥梁上。2.根据权利要求1所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度测量系统，其特征在于，每组所述的对称准直激光位移测量传感器，包括：第一传感器，第一传感器包括一个对称准直激光器(1)，对称准直激光器(1)包括轴对称或中心对称的左准直激光器(1
‑
1)和右准直激光器(1
‑
2)；第二传感器，第二传感器位于第一传感器的左侧，第二传感器包括一个右光电接收器(2
‑
2)，第二传感器的右光电接收器(2
‑
2)与第一传感器的左准直激光器(1
‑
1)对应，接收第一传感器的左准直激光器(1
‑
1)沿其激光发射方向(1
‑
01)发射的激光；第三传感器，第三传感器位于第一传感器的右侧，第三传感器包括一个左光电接收器(2
‑
1)，第三传感器的左光电接收器(2
‑
1)与第一传感器的右准直激光器(1
‑
2)对应，接收第一传感器的右准直激光器(1
‑
2)沿其激光发射方向(1
‑
01)发射的激光。3.根据权利要求2所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度测量系统，其特征在于，每组所述的对称准直激光位移测量传感器的第一传感器、第二传感器、第三传感器分别安装在对应的多功能底座(3)上；每个所述的多功能底座(3)具备调节其上的第一传感器、第二传感器、第三传感器的高度、方位的功能；每个所述的多功能底座(3)上安装有测高传感器、倾角传感器、测距传感器和数据采集处理器；每组所述的对称准直激光位移测量传感器的第二传感器的右光电接收器(2
‑
2)及其所在的多功能底座(3)上的测高传感器、倾角传感器和测距传感器的输出端均与对应的数据采集处理器的不同输入端电连接；每组所述的对称准直激光位移测量传感器的第三传感器的左光电接收器(2
‑
1)及其所在的多功能底座(3)上的测高传感器、倾角传感器和测距传感器的输出端均与对应的数据采集处理器的不同输入端电连接。4.根据权利要求1～3任一项所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度测量系统，其特征在于，第二组对称准直激光位移测量传感器SDC2的第二传感器与第一组对称准直激光位移测量传感器SDC1的第一传感器的中心竖直对应且安装在同一多功能底座(3)上；第一组对称准直激光位移测量传感器SDC1的第三传感器、第二组对称准直激光位移测量传感器SDC2的第一传感器与第三组对称准直激光位移测量传感器SDC3的第二传感器的中
心竖直对应且安装在同一多功能底座(3)上；第二组对称准直激光位移测量传感器SDC2的第三传感器与第三组对称准直激光位移测量传感器SDC3的第一传感器的中心竖直对应且安装在同一多功能底座(3)上。5.基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度测量系统，其中：测点P1位于桥梁的左侧桥墩上部的桥面(5)上，测点P5位于桥梁的右侧桥墩上部的桥面(5)上，测点P2、P3、P4位于对应的桥梁挠度测点的桥面(5)上；所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统，还包括：左梁端转角测量传感器，左梁端转角测量传感器包括一个右准直激光器(1
‑
2)和一个左光电接收器(2
‑
1)；左梁端转角测量传感器的右准直激光器(1
‑
2)设置在测点P1处，左梁端转角测量传感器的左光电接收器(2
‑
1)设置在测点P2处；左梁端转角测量传感器的左光电接收器(2
‑
1)与其右准直激光器(1
‑
2)对应，接收其右准直激光器(1
‑
2)发射的激光，进行测点P1的转角即桥梁的左梁端转角测量；右梁端转角测量传感器，右梁端转角测量传感器包括一个左准直激光器(1
‑
1)和一个右光电接收器(2
‑
2)；右梁端转角测量传感器的左准直激光器(1
‑
1)设置在测点P5处，右梁端转角测量传感器的右光电接收器(2
‑
2)设置在测点P4处；右梁端转角测量传感器的右光电接收器(2
‑
2)与其左准直激光器(1
‑
1)对应，接收其左准直激光器(1
‑
1)发射的激光，进行测点P5的转角即桥梁的右梁端转角测量。6.根据权利要求5所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统，其特征在于，还包括：左桥墩沉降测量传感器，左桥墩沉降测量传感器包括一个右准直激光器(1
‑
2)和一个左光电接收器(2
‑
1)；左桥墩沉降测量传感器的右准直激光器(1
‑
2)设置在桥梁的左侧桥墩外的相对稳定测点P
L
处，左桥墩沉降测量传感器的左光电接收器(2
‑
1)设置在测点P1处；左桥墩沉降测量传感器的左光电接收器(2
‑
1)与其右准直激光器(1
‑
2)对应，接收其右准直激光器(1
‑
2)发射的激光，进行左侧桥墩的沉降测量；右桥墩沉降测量传感器，右桥墩沉降测量传感器包括一个左准直激光器(1
‑
1)和一个右光电接收器(2
‑
2)；右桥墩沉降测量传感器的左准直激光器(1
‑
1)设置在桥梁的右侧桥墩外的相对稳定测点P
R
处；右桥墩沉降测量传感器的右光电接收器(2
‑
2)设置在测点P5处，右桥墩沉降测量传感器的右光电接收器(2
‑
2)与其左准直激光器(1
‑
1)对应，接收其左准直激光器(1
‑
1)发射的激光，进行右侧桥墩的沉降测量。7.根据权利要求6所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统，其特征在于，左桥墩沉降测量传感器的左光电接收器(2
‑
1)以及左梁端转角测量传感器的右准直激光器(1
‑
2)设置在第一组对称准直激光位移测量传感器SDC1的第二传感器所在的多功能底座(3)上；左梁端转角测量传感器的左光电接收器(2
‑
1)设置在第一组对称准直激光位移测量传感器SDC1的第一传感器所在的多功能底座(3)上；
右桥墩沉降测量传感器的右光电接收器(2
‑
2)以及右梁端转角测量传感器的左准直激光器(1
‑
1)设置在第三组对称准直激光位移测量传感器SDC3的第三传感器所在的多功能底座(3)上；右梁端转角测量传感器的右光电接收器(2
‑
2)设置在第三组对称准直激光位移测量传感器SDC3的第一传感器所在的多功能底座(3)上。8.基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在桥梁上布设如权利要求5～7任一项所述的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统；步骤2、通过布设的基于三组对称准直激光位移测量传感器的中小跨桥梁静动挠度和梁端转角测量系统的测量数据，计算桥梁挠度和梁端转角，具体过程如下：步骤21、测量测点P1、P2、P3、P4、P5对应的桥面初始位置在坐标系O
‑
XY中的坐标y
10
、y
20
、y
30
、y
40
、y
50
；步骤22、测量测点P1、P2、P3、P4、P5对应的桥面位置在桥梁变形后在坐标系O
‑
XY中的坐标y1、y2、y3、y4、y5；步骤23、基于测点P1、P2、P3、P4、P5在桥梁变形后在坐标系O
‑
XY中的坐标y1、y2、y3、y4、y5，以及测点P1、P2、P3、P4、P5对应的桥面初始位置在坐标系O
‑
XY中的初始坐标y
10
、y
20
、y
30
、y
40
、y
50
，按照下式计算测点P1、P2、P3、P4、P5对应的桥梁挠度Δy1、Δy2、Δy3、Δy4、Δy5：Δy1＝y1‑
y
10
；Δy2＝y2‑
y
20
；Δy3＝y3‑
y
30
；Δy4＝y4‑
y
40
；Δy5＝y5‑
y
50
；当坐标系O
‑
XY中X坐标轴过桥梁梁端连线(10)时，Δy1＝0、Δy5＝0；通过下述过程进行桥梁梁端转角测量：通过左梁端转角测量传感器在测点P1的右准直激光器(1
‑
2)发射准直激光束照射其在测点P2的左光电接收器(2
‑
1)，测量得到δ1‑2，得：Δ1‑2＝δ1‑2+Δy2；其中，Δ1‑2为左梁端转角测量传感器的右准直激光器(1
‑
2)的准直激光束由于测点P1的转角θ1在测点P2处引起的位移值，δ1‑2为桥梁变形后测点P2的坐标y2与左梁端转角测量传感器的左光电接收器(2
‑
1)接收的其右准直激光器(1
‑
2)的激光光斑坐标之间的距离；进而获得桥梁左侧桥墩上测点P1的转角即桥梁左梁端转角θ1：θ1＝tg...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宏勋，彭仁亮，李平，吴学勤，张雁冰，冯红梅，李小恒，
申请(专利权)人：西安裕鹏交通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：