橋梁結(jié)構(gòu)撓度自動(dòng)監(jiān)測(cè)的新型傳感技術(shù)探討

杜國慶

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

橋梁屬于我國交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中比較重要的組成成分，并且其在我國國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中也占據(jù)了非常重要的地位。因此，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全與可靠便顯得尤其重要。同時(shí)，撓度作為橋梁安全性的重要指標(biāo)，已經(jīng)受到了越來越大的關(guān)注，其能直接反映橋梁結(jié)構(gòu)的形變是否超過了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。當(dāng)前使用的撓度檢測(cè)方法有水準(zhǔn)儀、百分表與經(jīng)緯儀等，已普遍運(yùn)用在橋梁的監(jiān)測(cè)及驗(yàn)收鑒定中。本文將對(duì)撓度自動(dòng)檢測(cè)的新型傳感技術(shù)進(jìn)行一番探析，目前比較實(shí)用的新型傳感技術(shù)主要有以下幾種。

1 傾角儀撓度傳感技術(shù)

傾角儀屬于一種傾角測(cè)量?jī)x器，主要是在回轉(zhuǎn)擺上利用無源伺服技術(shù)與電容傳感技術(shù)所構(gòu)成的高靈敏度抗振動(dòng)干擾來進(jìn)行傾角的測(cè)量，總的來說傾角儀的輸出電壓同自身所處的平面轉(zhuǎn)角成正比。在具體的操作中，如果傾角儀所處的平面為水平，那么其傾角則為0；當(dāng)傾角儀發(fā)生了傾斜后，傾角儀上所得數(shù)為實(shí)數(shù)（P），此數(shù)值就能反映平面的傾斜大小。

根據(jù)上述的原理，在橋梁結(jié)構(gòu)撓度的測(cè)量中便采用了這種方法，具體操作為：沿著橋梁的軸線放線，依次布設(shè)多個(gè)傾角儀，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾角值全部測(cè)量出來；然后采用相關(guān)的軟件處理，利用分段曲線法擬合或者分跨最小二乘法處理后，就能得到相應(yīng)的撓度曲線。但是，利用這兩種處理方法，都會(huì)存在一定的測(cè)量誤差累積，因此在具體的處理中必須進(jìn)行合理的處理與分配，確保撓度曲線的可靠。

2 測(cè)量機(jī)器人撓度傳感技術(shù)

測(cè)量機(jī)器人在某種意義上也就是全自動(dòng)全站儀，主要由棱鏡與主機(jī)構(gòu)成。在具體測(cè)量中，將棱鏡安置在橋梁相關(guān)被測(cè)點(diǎn)，集成在主機(jī)上的紅外測(cè)距儀發(fā)出的紅外線通過棱鏡的反射作用返回后被主機(jī)接收，通過觀測(cè)發(fā)出及接收的具體時(shí)間，測(cè)量橋梁被測(cè)點(diǎn)與測(cè)量機(jī)器人間的實(shí)際距離。這樣可以構(gòu)建一定的坐標(biāo)系，以主機(jī)安置的點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，在坐標(biāo)空間內(nèi)確定任意一個(gè)被測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。對(duì)于測(cè)量機(jī)器人而言，當(dāng)它測(cè)定完一個(gè)目標(biāo)后會(huì)繼續(xù)測(cè)量另外一個(gè)目標(biāo)，從而得出目標(biāo)的距離、水平角及垂直角等；當(dāng)位置確定之后，繼續(xù)下一個(gè)目標(biāo)。如此循環(huán)往復(fù)測(cè)量，便可得到所有被測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，標(biāo)注在坐標(biāo)系中，直觀看出這些被測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，利用相關(guān)的計(jì)算方式得出變化值，客觀反映橋梁結(jié)構(gòu)的撓度變化。

此種方法高度智能化，測(cè)量速度也非?？?，對(duì)于量程過大和過高的橋梁測(cè)量而言，精確度更高，這就是測(cè)量機(jī)器人的獨(dú)到之處。利用這種方法進(jìn)行橋梁的撓度自動(dòng)監(jiān)測(cè)，使得有些看起來不可能的工作變成了可能，例如，山東萊陽農(nóng)學(xué)院的姜晨光等就采用了自動(dòng)電子全站儀對(duì)某鐵路大橋進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)的變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并取得了非常理想的效果。

3 激光圖像撓度傳感技術(shù)

激光圖像撓度傳感技術(shù)，主要利用的是激光的良好方向性，在實(shí)際的測(cè)量中，將激光器固定在橋梁的被測(cè)點(diǎn)上，則會(huì)隨著橋梁產(chǎn)生的變形不同而將這些變形照射在光電接收器之上，其照射在接受器中間的光斑便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，由此獲取中心光斑的位置變化就能確定橋梁的撓度。

從一些相關(guān)的實(shí)踐中看出，利用激光圖像法進(jìn)行橋梁撓度的測(cè)量，有著十分明顯的效果，能得到精度很高的結(jié)果，并且采樣的速率很高，成本也較低，一般適用于跨度不大的中小型橋梁的撓度測(cè)量。比如重慶大學(xué)的陳為民等便自行開發(fā)出了一種激光圖像撓度測(cè)量技術(shù)，并且成功地用在了渝長高速的紅槽坊立交橋的遠(yuǎn)程監(jiān)控中，很好地得到了相關(guān)的撓度數(shù)據(jù)，從而對(duì)橋梁的安全性起到了保障作用。

4 GPS撓度傳感技術(shù)

不言而喻，GPS為衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)。該系統(tǒng)所具有的全天候、全球性及連續(xù)的精密定位與導(dǎo)航功能，加之良好的保密性與抗干擾功能，使其在橋梁撓度自動(dòng)監(jiān)測(cè)中的使用更加普遍。目前來看，對(duì)于GPS撓度傳感技術(shù)的使用主要在于大型的橋梁撓度監(jiān)測(cè)中。

GPS運(yùn)用在橋梁撓度測(cè)量中的原理為：將一臺(tái)接收機(jī)（稱作基準(zhǔn)站）裝設(shè)在某個(gè)參考點(diǎn)（一般為岸基），并且固定不變，然后將另外一臺(tái)接收機(jī)（稱作移動(dòng)站）裝設(shè)在橋梁較為明顯或過大的地方，這樣便能同時(shí)利用兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)，便能確定變形點(diǎn)相對(duì)于岸基的位置，就能實(shí)時(shí)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過一定的處理之后就能得到橋梁的撓度值。

不過，從目前來看，GPS技術(shù)在橋梁撓度中的運(yùn)用還不成熟，存在著一些缺陷。實(shí)踐表明，這種技術(shù)測(cè)量出的撓度精度不高，但其測(cè)量的范圍十分廣，空間也絕對(duì)精準(zhǔn)，且基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)間不受任何限制，使其能運(yùn)用于地理環(huán)境比較惡劣或者跨度較大的懸索橋、斜拉橋的撓度測(cè)量中。比如香港的青馬大橋、汲水門大橋等就是利用GPS檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行橋梁的撓度監(jiān)測(cè)。

5 光電成像撓度傳感技術(shù)

光電成像撓度傳感技術(shù)的基本原理為：將光標(biāo)靶固定在橋梁的待測(cè)點(diǎn)，然后利用光學(xué)成像系統(tǒng)與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行測(cè)量，將兩者固定在相應(yīng)的基座上，當(dāng)光標(biāo)靶發(fā)出的光線通過了攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭后，就會(huì)成像在光敏面上，一旦橋梁的溫度、風(fēng)及荷載等影響了橋梁的位移后，便能在光敏面上得到相應(yīng)的體現(xiàn)，從而利用光學(xué)系統(tǒng)及相關(guān)的計(jì)算，就能得出橋梁的撓度。

利用此種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)橋梁的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)撓度測(cè)量，還能測(cè)量出橋梁的橫向位移等，測(cè)量范圍十分廣泛，測(cè)量值的精確度也很好，且采樣效率極高。該技術(shù)主要運(yùn)用于中大型橋梁撓度監(jiān)測(cè)，由于優(yōu)點(diǎn)十分顯著，已取得快速發(fā)展趨勢(shì)。我國已有相當(dāng)成熟的光電成像撓度傳感技術(shù)，比如北京光電技術(shù)研究所生產(chǎn)的廣電圖像檢測(cè)儀，在實(shí)際操作中取得了非常理想的效果。

6 連通管撓度傳感技術(shù)

連通管撓度傳感技術(shù)的基本原理為：將面積較大的容器安置在橋墩的某位置，固定不變，然后將連通管固定在橋體某側(cè)。當(dāng)某點(diǎn)發(fā)生撓度變化時(shí)，液位離開玻璃管頂部的高度將變化，安置在該點(diǎn)的連通管也隨之變化；雖然連通管橫軸上的液位保持不變，但撓度變化會(huì)引起液位高度的變化。據(jù)此可得出該點(diǎn)的相應(yīng)沉降變化值并計(jì)算出該點(diǎn)的撓度值。

由于連通管法一般采用的是全封閉式，因此其往往不會(huì)受到橋梁結(jié)構(gòu)的多方位變形及陽光雨露等的影響。但是，此方法使用過程中只能利用人力，人工讀數(shù)的方式過于傳統(tǒng)，一般只適用于短期的橋梁撓度測(cè)量。另外，此方法在測(cè)量撓度上其本質(zhì)屬于如何獲取液位，要想實(shí)現(xiàn)長期的自動(dòng)測(cè)量，就必須采用和連通管相配套的液位傳感器。從當(dāng)前來看，液位傳感器類型諸多，一般常用的為光電技術(shù)探測(cè)與超聲波探測(cè)，兩者比較，前者測(cè)量精度高而后者測(cè)量范圍廣。此外，利用這種技術(shù)進(jìn)行橋梁撓度測(cè)量，精確度可以達(dá)到毫米級(jí)，并且對(duì)環(huán)境的影響較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增減也十分方便，適合各類橋梁的撓度監(jiān)測(cè)。

7 結(jié)語

目前我國橋梁結(jié)構(gòu)撓度自動(dòng)監(jiān)測(cè)新型傳感技術(shù)已有很多種類，每種類別都有自己的適用范圍、優(yōu)勢(shì)與缺陷，都能給橋梁結(jié)構(gòu)撓度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)帶來效果。在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適用的新型傳感技術(shù)，這樣才能使橋梁撓度自動(dòng)檢測(cè)的效果實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

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［3］楊建春，陳偉民.橋梁結(jié)構(gòu)撓度自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（9）：1-3.

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