一種位移/撓度測量系統與方法
2023-05-21 11:29:51
專利名稱：一種位移/撓度測量系統與方法
技術領域：
本發明屬於土木工程結構性態檢測與監測技術領域，涉及一種位移/撓度測量系統與方法。
背景技術：
位移測試對土木工程結構的性態檢測與監測具有重大意義。位移是反映結構力學性態的重要參數，也是有關規範和標準為結構安全考慮制定限值的一個關鍵指標。例如，橋梁結構中可以通過對主梁撓度的測量來判斷橋梁主體結構的安全狀況；管道結構中可以通過對管體位移的測量來評估管道的服役性能；房屋結構中可以通過對梁板撓度、柱傾斜度的測量來分析構件或結構的力學性態進而評估其安全性能等等。傳統的位移測試方法主要包括百分表法(千分表)、位移計法、全站儀法、雷射法、 連通管法及GPS法。(1)百分表法(千分表)可以實現對結構位移/撓度值的直接測量，測量結果精度高、可靠性好，但是該方法在應用時通常都需要配合使用磁性表座有時也需要搭設腳架，這些準備工作十分耗時，並且數據的讀取和記錄都需要人工操作，很難應用在監測領域。(2)位移計法雖然測量結果精度較高，但是該方法在測量時通常需要有一個基準面，以測量測點與基準面之間的相對位移，然而這個基準面在實際中很難滿足，即使能滿足，在測點的選擇上也可能增添很多限制。(3)全站儀法是工程中經常採用的一種變形測試方法，該方法測量結果可靠度好， 精度高，但是由於該方法的應用都需要人為的操作，測量一次周期長，尤其對於測量段長、 測點較多的情況，耗時耗力。(4)雷射法是一種利用雷射良好方向性的位移測試方法，該方法在應用中的一個很大缺陷就是在雷射源與測點之間不能有障礙物，這對傳感器在測點的布置、選擇上增添了限制條件。(5)連通管法主要是利用物理學上「連通器中處於水平平面上的靜止液體的壓強相同」的原理，在應用時選材方便，只需軟管、水、捲尺即可，但是測量結果的精度較低，並且軟管中液體容易受溫度影響。(6)GPS法測量結果精度較高，但是採用該方法進行監測時成本很高，比較適用於測點較少的情況。此外，上述位移測試方法通常只適用於定期的人工檢測，而要發展成為有效、便捷的實時監測手段將面臨諸多技術和經濟上的困難。因此，開發一種測點布置便捷、測試速度快、測量精度高的位移/撓度測量手段具有重要的工程應用價值。
發明內容
本發明的目的在於提供一種位移/撓度測量系統與方法，通過多點傾角測量，獲得結構或構件整個測試區域內的位移/撓度值，特別適用於邊界條件不確定及外部荷載未知情況下的結構或構件位移/撓度識別。為達到以上目的，本發明所採用的解決方案是一種位移/撓度測量系統，其包括傾角傳感器，布置於待測的結構或構件上採集所在測點的傾角值，且第一個布置的傾角傳感器所在的測點作為基準點；數據採集裝置，採集各傾角傳感器量測的各測點的傾角值，並對採集的傾角值進行調理；數據發送裝置，將調理後的傾角值發送給數據分析裝置；數據分析裝置，根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的位置信息，計算位移函數，獲得位移/撓度情況。進一步，所述傾角傳感器可採用無線傾角傳感器，包括液體擺式傾角傳感器、振弦式傾角傳感器或電容式傾角傳感器。所述傾角傳感器的最佳設置數量為7個。所述基準點選在位移為零或受外部荷載擾動較小的測點。所述計算位移函數，具體包括以下步驟1)根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的坐標信息，以基準點處為
坐標零點，得到各測點數據(χ。，Θ。)、(X1, Θ).....(Xi, θ,).....(χη, θ η)，其中，χ為測
點的位置坐標值，θ為測點的傾角值，i(0 ^ i ^n)表示數據點在總體數據的位置；2)採用具有二階連續的三次樣條函數來進行傾角函數的插值計算，假設(χ"， θ ^1) > (Xi, Oi)兩測點之間的插值函數為Si(X),插值函數S(X)在整個測量區間內連續，且滿足一階、二階導數連續，同時在測點處的插值等於測點值，計算出插值函數S(X)；3)以基準點的位移值為已知條件，對插值函數S(X)積分得出位移函數y (X)。一種位移/撓度測量方法，其包括以下步驟1)傾角傳感器採集其所在測點的傾角值，且第一個布置的傾角傳感器所在的測點作為基準點；2)採集各傾角傳感器量測的各測點的傾角值，並對採集的傾角值進行調理；3)將調理後的傾角值發送給數據分析裝置；4)根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的位置信息，計算位移函數， 獲得位移/撓度情況。進一步，所述傾角傳感器可採用無線傾角傳感器，包括液體擺式傾角傳感器、振弦式傾角傳感器或電容式傾角傳感器。所述傾角傳感器的最佳設置數量為7個。所述基準點選在位移為零或受外部荷載擾動較小的測點。所述計算位移函數，具體包括以下步驟1)根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的坐標信息，以基準點處為
坐標零點，得到各測點數據U。，θ。)、(Χι，O1).....(Xi, θ,).....(χη, θ η)，其中，X為測
點的位置坐標值，θ為測點的傾角值，i (0 ^ i ^n)表示數據點在總體數據的位置；2)採用具有二階連續的三次樣條函數來進行傾角函數的插值計算，假設(χ"， θ ^1) > (Xi, Oi)兩測點之間的插值函數為Si(X),插值函數S(X)在整個測量區間內連續，且滿足一階、二階導數連續，同時在測點處的插值等於測點值，計算出插值函數S(X)；3)以基準點的位移值為已知條件，對插值函數S(X)積分得出位移函數y(x)。由於採用了上述方案，本發明具有以下特點(1)測量數據能夠實現數位化採集。與傳統位移測試需要人工進行數據讀取和記錄不同，採用無線傾角傳感器測量時可以實現數據的數位化採集，這為數據的傳輸做好了準備，同時也避免了人工操作的麻煩和可能引入的測量誤差。(2)傳感器節點能夠自由組成無線傳感器網絡，實現數據的長距離無線傳輸。單個傳感器節點的無線傳輸距離實際是有限的，但是如果將多個傳感器節點進行相關聯，就可以組成一個無線傳感器網絡，這就使得傳感器數據的無線長距離傳輸成為了可能。(3)增減傳感器節點對無線傳感網絡沒有影響。在使用過程中任意增加或是撤除傳感器節點對無線傳感網絡不會造成影響，傳感器節點會自動重新組合網絡，保證的數據的有效傳輸。(4)該方法對測量範圍內梁式結構邊界條件沒有任何限制，這為測量段的選擇提供了很大的自由性，只需在所關心的區域進行測試即可。(5)該方法可以在僅已知傳感器之間的相對位置時實施，這個特點為傳感器在現場的布置提供很大的便利。
圖1是本發明計算位移函數的流程圖。圖2是本發明裝置的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。基本原理說明由靜力學關係可知，梁的繞曲線的曲率表達式為
權利要求
1.一種位移/撓度測量系統，其特徵在於其包括傾角傳感器，布置於待測的結構或構件上採集所在測點的傾角值，且第一個布置的傾角傳感器所在的測點作為基準點；數據採集裝置，採集各傾角傳感器量測的各測點的傾角值，並對採集的傾角值進行調理；數據發送裝置，將調理後的傾角值發送給數據分析裝置；數據分析裝置，根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的位置信息，計算位移函數，獲得位移/撓度情況。
2.如權利要求1所述的位移/撓度測量系統，其特徵在於所述傾角傳感器採用無線傾角傳感器，包括液體擺式傾角傳感器、振弦式傾角傳感器或電容式傾角傳感器。
3.如權利要求1所述的位移/撓度測量系統，其特徵在於所述傾角傳感器的最佳設置數量為7個。
4.如權利要求1所述的位移/撓度測量系統，其特徵在於所述基準點選在位移為零或受外部荷載擾動較小的測點。
5.如權利要求1所述的位移/撓度測量系統，其特徵在於所述計算位移函數，具體包括以下步驟1)根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的坐標信息，以基準點處為坐標零點，得到各測點數據(X。，θ。)、(Χι，O1).....(Xi, θ,).....(χη, θ η)，其中，χ為測點的位置坐標值，θ為測點的傾角值，i表示數據點在總體數據的位置，0 ^i^n；2)採用具有二階連續的三次樣條函數來進行傾角函數的插值計算，假設Uh，θH)、 (xi θ,)兩測點之間的插值函數為Si(X),插值函數S(X)在整個測量區間內連續，且滿足一階、二階導數連續，同時在測點處的插值等於測點值，計算出插值函數S(X)；3)以基準點的位移值為已知條件，對插值函數S(X)積分得出位移函數y(x)。
6.一種位移/撓度測量方法，其特徵在於其包括以下步驟1)傾角傳感器採集其所在測點的傾角值，且第一個布置的傾角傳感器所在的測點作為基準點；2)採集各傾角傳感器量測的各測點的傾角值，並對採集的傾角值進行調理；3)將調理後的傾角值發送給數據分析裝置；4)根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的位置信息，計算位移函數，獲得位移/撓度情況。
7.如權利要求6所述的位移/撓度測量方法，其特徵在於所述傾角傳感器採用無線傾角傳感器，包括液體擺式傾角傳感器、振弦式傾角傳感器或電容式傾角傳感器。
8.如權利要求6所述的位移/撓度測量方法，其特徵在於所述傾角傳感器的最佳設置數量為7個。
9.如權利要求6所述的位移/撓度測量方法，其特徵在於所述基準點選在位移為零或受外部荷載擾動較小的測點。
10.如權利要求6所述的位移/撓度測量方法，其特徵在於所述計算位移函數，具體包括以下步驟1)根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的坐標信息，以基準點處為坐標零點，得到各測點數據(X。，θ。)、(Χι，O1).....(Xi, θ,).....(χη, θ η)，其中，χ為測點的位置坐標值，θ為測點的傾角值，i表示數據點在總體數據的位置，0 ^i^n；2)採用具有二階連續的三次樣條函數來進行傾角函數的插值計算，假設Uh，θH)、 (xi θ,)兩測點之間的插值函數為Si(X),插值函數S(X)在整個測量區間內連續，且滿足一階、二階導數連續，同時在測點處的插值等於測點值，計算出插值函數S(X)；3)以基準點的位移值為已知條件，對插值函數S(X)積分得出位移函數y(x)。
全文摘要
本發明公開了一種位移/撓度測量系統，其包括傾角傳感器，布置於待測的結構或構件上採集所在測點的傾角值，且第一個布置的傾角傳感器所在的測點作為基準點；數據採集裝置，採集各傾角傳感器量測的各測點的傾角值，並對採集的傾角值進行調理；數據發送裝置，將調理後的傾角值發送給數據分析裝置；數據分析裝置，根據接收到的傾角值，並配合各測點相對於基準點的位置信息，計算位移函數，獲得位移/撓度情況。本發明還公開了一種位移/撓度測量方法。本發明對測量範圍內梁式結構邊界條件沒有任何限制，且可精確的測量出被測結構或構件的位移/撓度。
文檔編號G08C17/02GK102305612SQ20111023675
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月17日 優先權日2011年8月17日
發明者李 傑, 李素貞, 趙鳴, 高乃輝 申請人:同濟大學