一种桥梁振动变形的监测装置及实时监测方法

摘要

本发明公开了一种桥梁振动变形的监测装置及实时监测方法，包括激光发射器、多个监测点上同步光接收及传递装置、集中控制及通讯装置和远程监测中心等。当激光器的发射光束照射到同步光接收及传递装置中的反射透射棱镜后，将按比例进行分光，一部分反射接收；一部分透射并往后传递照射到下一个测点同步光接收及传递装置的反射透射棱镜上。各同步光接收及传递装置可以对该测点的变形量(光斑位移量)进行采集、存储和数据上传。监测系统对所有测点的变形量进行同步采集及数据处理，从而可以实现整个桥梁振动变形的测量。本发明可用于各种大型桥梁建筑的变形和低频振动测量，具有快速、实时、测量精度高，可实时监测的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置及测量方法，特别涉及一种大型桥梁振动变形的监测装置及实时监测方法。

背景技术

由于目前国内所涉及到桥梁实时振动变形监测方面的装置和方法比较少，而且现有的测量方法有些过于复杂且测量精度不高，或者测量方式简单，不能精确的测量桥梁的变形量，也不能进行准确的实时采集，给桥梁监测人员对桥梁的变形情况和安全性判断带来不便。

发明内容

本发明为了解决现有桥梁振动变形监测方法所存在的上述不足，提高桥梁在使用的中的安全性。提供了一种基于激光成像原理的高精度，实时监测桥梁振动变形的装置和方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种桥梁振动变形的监测装置，包括设置在桥梁一端或桥长方向任一位置的一个激光发射器，或分别设置在桥梁两端的两个激光发射器，其特征在于，在激光发射器出射光束直线方向延伸的桥梁上设置有多个监测点，每个监测点上都设置一套同步光接收及传递装置；各同步光接收及传递装置通过各自的信号线输出连接一根现场总线，该现场总线连接到处于激光发射器位置的集中控制及通讯装置，该集中控制及通讯装置与一个远程监测中心通过无线或有线方式实现同步光接收及传递装置监测数据的传输。

上述装置中，所述同步光接收及传递装置包括一个置于在出射光束上的反射透射棱镜，在垂直于反射透射棱镜反射光方向设置有成像屏、光学放大器和光电转换及数据存储器，光电转换及数据存储器通过信号线连接现场总线。

一种用以上监测装置实时监测桥梁振动变形的方法，包括下述步骤：

(1)首先在桥梁的一端或桥长方向任一位置安装一个激光发射器，或在桥梁两端分别安装两个激光发射器，在激光发射器出射光束直线方向延伸的桥梁上设置有多个监测点，每个监测点上都设置一套同步光接收及传递装置，激光发射器向离其最近监测点上的第一套同步光接收及传递装置发射激光；

(2)第一套同步光接收及传递装置对激光发射器的出射光按一定比例进行分光，一部分反射接收、成像及采集存储；一部分透射并往后传递；其后各同步光接收及传递装置对前面的同步光接收及传递装置的出射光进行同样处理；

(3)各测点的同步光接收及传递装置将存储的光成像数据通过各自的信号线输出到一根现场总线，经过该现场总线同步传输到处于激光发射器位置的集中控制及通讯装置，集中控制及通讯装置通过无线或有线传输到远程监测中心。

上述方法中，步骤(2)中所述第一套同步光接收及传递装置对激光发射器的出射光按一定比例进行分光的具体方法是：第一套同步光接收及传递装置中采用一个置于在出射光束上的反射透射棱镜，该反射透射棱镜按一定比例将激光发射器的出射光束进行分光，一部分透射并往后面的同步光接收及传递装置传递；一部分反射到成像屏；形成一个均匀的光斑，再经过光学放大器输入到光电转换及数据存储器中，光电转换及数据存储器将其最初采集的光斑数据设置为基准点，当桥梁发生振动变形时，光斑在成像屏上会发生移动，这时光电转换及数据存储器将采集到的光斑变化量与基准点进行比较，通过其连接现场总线的信号线准确输出桥梁在本测点横向和纵向的变形量。

步骤(2)中所述同步光接收及传递装置按一定比例进行分光是指：第一套同步光接收及传递装置的反射透射棱镜的反射率按10％计，其后的各同步光接收及传递装置的反射透射棱镜的反射率按5％递增，使测点数满足所要测量桥梁的长度及精度要求。

步骤(1)中所述在桥梁的两端安装激光发射器时，激光发射器可从桥梁的两端向桥中部各监测点上的同步光接收及传递装置对射，然后按步骤(2)～(3)的方法实现大跨度的桥梁振动与变形的实时监测。

由于本发明测量装置的光接收和传递发射的工作是连续的，不但可以进行桥梁变形量的定时采集，而且可以进行桥梁振动变形的高精度实时采集监测，更方便快捷的了解桥梁的变形，使测量更加准确和安全，并可得到桥梁结构的振动模态。这样可以使监测人员能够对桥梁的各种变形进行分析，对桥梁的异常变化能够提前做出判断和处理，并对优化设计提供依据。

在测量过程中，本发明可以根据桥梁本身特性的不同，可采取增加或减少测量点的数量和测量点的距离的方法来实现测量要求，也可以采取两端对射的方式进行大跨度桥梁的变形测量，也可分段进行测量，测量效果和精度不受影响。

附图说明

图1为本发明激光变形测量装置的结构原理框图；图中：1、激光发射器；2、出射光束；3、反射透射棱镜；4、成像屏；5、光学放大器；6、光电转换及数据存储器；7、棱镜的反射光束；8、棱镜的透射光束；9、同步光接收及传递装置；10、集中控制及通讯装置；11、远程监测中心。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

参照图1，首先由激光发射器1发射经过扩束准直光学系统后形成出射光束2照射到第一套同步光接收及传递装置9的反射透射棱镜3上后，按一定比例经过棱镜的反射光束7，照射到成像屏4上(成像屏可为一块毛玻璃)，形成一个均匀的光斑，经过光学放大器5成像到光电转换及数据存储器6上，光电转换及数据存储器将其最初采集的光斑数据设置为基准点，当桥梁发生变形时，光斑在毛玻璃上会发生移动，这时光电转换及数据存储器6将采集到的光斑变化通过数据处理软件与基准点进行比较，可以准确的输出上传桥梁此点的横向(X方向)和纵向(沉降)的变形量。

测量过程中通过反射透射棱镜3的透射光束8，再照射到下一测点同步光接收及传递装置的反射透射棱镜上，经过与前面相同的成像与采集方法，计算出桥梁此点的变形量。按照此种方法依次往前，可测量到桥梁各待测点的变形量，从而完成整个桥梁的变形测量。各个测点的数据通过各同步光接收及传递装置进行同步测量和数据存储，并经过现场总线传输到集中控制及通讯装置10，通过远程通讯系统(无线或有线)传输到远程监测中心11。根据变形随时间的变化可以分析整个桥梁的振动特性。从而实现大型桥梁建筑的变形振动的实时监测。

同步光接收及传递装置的反射透射棱镜3按一定比例反射是指：第一套同步光接收及传递装置9的反射透射棱镜的反射率按10％计，其后的各同步光接收及传递装置的反射透射棱镜的反射率按5％递增，这样可使测点数有18个。也可对第一套反射透射棱镜的反射率及其后反射透射棱镜的反射率递增量进行调整，满足所要测量桥梁的长度及精度要求。

远程监测中心11可采用预装有信号处理软件的计算机。光学放大器可根据测量范围和精度采用f16、f25、f40、f50等不同焦距的镜头。

当在桥梁的两端安装激光发射器时，激光发射器可从桥梁的两端向桥中部对射，然后按以上方法实现大跨度桥梁的振动与变形的实时监测。也可分段进行测量，测量效果和精度不受影响。