CN103424175A - 基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁监测技术。本发明公开了一种基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置。本发明的技术方案是，基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，包括激光发射***、激光接收***、信号处理及控制***和靶标，所述靶标刚性固定在桥梁上，所述激光发射***与信号处理及控制***电连接，根据信号处理及控制***的指令向所述靶标发射激光，所述激光接收***接收所述靶标反射的激光，所述激光接收***将接收的激光转换为电信号，所述信号处理及控制***与激光接收***连接接收其输出的电信号，所述信号处理及控制***对接收的电信号进行处理，计算出桥梁振幅数据。本发明主要用于大型桥梁振幅的实时动态和静态监测。

Description

基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置

技术领域

本发明涉及桥梁监测技术，特别涉及一种采用激光探测技术、非接触的测量方法对桥梁振幅（纵向和横向）进行实时动态（有车辆运行或其它负荷）和静态（无车辆运行或其它负荷，桥梁自振）监测的***。

背景技术

在经济高速发展的当今社会，各式各样的土木工程结构，如桥梁、大型建筑等，它们在社会生活中发挥着极其重要的作用。桥梁是交通运输网络的重要组成部分，在国民经济生活中占据着重要的地位。桥梁是否能够安全运营直接关系到国家及人民的生命财产安全，因此必须对桥梁的安全状况进行评估。近年来,工程研究员从桥梁的参数监测出发，开展了桥梁安全状态的评估工作，并取得了很大的进展。如美国对I－40大桥的实际监测研究，丹麦对Fare跨海斜拉大桥施工阶段和通车首年的监测等，旨在检查关键的设计参数并获得必要的桥梁维护所需的记录。近年来，桥梁垮塌事故频频发生，由此造成的经济损失难以估量，如果事先对桥梁采取安全评估措施则可以大大减少人员伤亡和经济损失。

过去十几年里，我国已建成一批大跨度桥梁，仅上海就有南浦、杨浦和徐浦大桥等具有世界先进水平的桥梁。另外，香港的青马大桥和虎门的虎门大桥又是我国首次建立的悬索桥，近年来我国特别是沿海地区交通发展迅速，迫切需要建立一大批大跨度桥梁。为了确保这些耗资巨大，与国计民生密切相关的大桥的安全耐久，对这些大桥进行实时连续的安全评估非常必要。

正因如此，桥梁的安全评估越来越受到重视，许多研究人员都在致力于桥梁的安全评估研究，桥梁的安全评估正日益成为土木工程学科中的一个非常活跃的研究方向。振幅作为桥梁安全评估的关键参数之一，对桥梁的安全有很大的影响，对振幅的测量是桥梁参数监测中必不可少的。工程界有不少振幅测量的方法，但都难以满足现场实时测量的要求。国内外新近出现的散斑成像法、应变测量法等对旧有振幅测量的方法进行了改进，但也存在诸如采集速度慢、实时性差、不便与计算机接口等缺点，在实际工程应用中往往受到很大的限制。

大跨度桥梁受风荷载、车辆荷载、温度和地震影响较大，而在沿海地区一般无地震，主要受台风、车辆和温度的影响，为保证桥梁在上述条件下的安全运营，必须研究桥梁在上述条件下的实际振幅曲线，而目前对于风荷载与桥梁振幅的研究仅局限于理论和模型实验，对于实际桥梁在风作用下的研究还不充分；车辆荷载与桥梁振幅的研究也只是在特定时间和空间下进行。主要原因是测试仪器结构不合理，对于大型桥梁不能连续实时监测。目前国内外用于振幅监测的技术手段主要有：光纤光栅传感器、全站仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法。

光纤光栅传感器是一种接触型传感器，是国内外近年来推出的主导产品，需要在桥梁建设过程中预埋在桥板中，其最大的缺陷是光纤光栅经重型车辆碾压后容易折断，而且对已建成的大桥无能为力。

上海杨浦大桥就采用的是全站仪逐点扫描法，对各个测点进行7s一周的连续扫描，其缺点是各测点不同步以及变形量大时不可测。

位移传感器也是一种接触型传感器，必须与测点相接触，其缺点是对于难以接近点无法测量以及对横向振幅测量有困难。

加速度传感器同样是一种接触型传感器，对于低频静态振幅鉴别效果差，为获得振幅数据计算时必须进行两次积分，精度不高，也无法实监测。而大型桥梁的振动频率一般都较低，加速度传感器监测效果大打折扣。

为了对桥梁进行安全评估，必须寻找更好的测试方法。最新出现的利用GPS进行测试的技术，在桥梁和高层建筑进行了实地测试。1996年对深圳帝王大厦、1998年对香港的青马大桥进行了实验研究。特别是1999年在广州虎门大桥进行了实桥测试，目前已正常工作。国外的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用GPS对结构进行监测，获得了成功。具有代表性的GPS RTK差分***，是由基准站、监测站和通信***组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可测得站点的实时三维空间坐标。此结果送到监控中心，监控中心根据站点的实时三维空间坐标信息进行桥梁振幅、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。但GPS监测大桥振幅的精度不高，一般精度在20mm左右。

中国专利（公开号：CN101315274A，公开日：2008.12.03）公开了一种激光监测桥梁振动位移的技术。该专利采用传统的光电成像法，通过沿桥梁布置的多个激光接收站点同步采集激光成像光斑，根据成像光斑的位移计算桥梁纵向和横向位移（振幅）。该专利技术的主要缺点是，光学***结构复杂，测量精度低，测量的振幅范围非常有限，对大型桥梁的大振幅不能进行有效监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，提高大型桥梁振幅监测精度和监测范围，为桥梁的安全运营提供数据。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，包括激光发射***、激光接收***、信号处理及控制***，其特征在于，还包括靶标，所述靶标刚性固定在桥梁上，所述激光发射***与信号处理及控制***电连接，根据信号处理及控制***的指令向所述靶标发射激光，所述激光接收***接收所述靶标反射的激光，所述激光接收***将接收的激光转换为电信号，所述信号处理及控制***与激光接收***连接接收其输出的电信号，所述信号处理及控制***对接收的电信号进行处理，计算出桥梁振幅数据。

具体的，所述靶标为桥梁刚性结构的一部分。

进一步的，所述激光发射***向所述靶标发射连续或准连续激光。

具体的，所述激光接收***包括光学接收器、面阵探测器和调制解调器，所述光学接收器接收靶标反射的激光，所述面阵探测器与光学接收器连接，将光学接收器输出的激光信号转换为电信号输入调制解调器，所述调制解调器向信号处理及控制***输出解调后的含有振幅信息的电信号。

进一步的，其特征在于，还包括阈值判决器和报警***，所述阈值判决器与信号处理及控制***连接，所述报警***与阈值判决器连接，所述阈值判决器根据振幅数据与设定阈值的比较结果进行判断，当振幅桥梁振幅超过规定值时触发报警***发出报警信号。

更进一步的，还包括用于监控桥面负荷的视频监控***，所述视频监控***接收信号处理及控制***的指令，采集桥面负荷信息并传输给信号处理及控制***。

具体的，所述信号处理及控制***实时分析桥梁振幅数据和视频监控***采集的桥面负荷信息，生成桥梁振幅变化的动态和静态趋势曲线，为桥梁安全评估提供依据。

本发明的有益效果是，采用激光探测技术、非接触的测量方法对桥梁纵向和横向振幅进行实时动态（有车辆运行或其它负荷）和静态（无车辆运行或其它负荷，桥梁自振）监测。具有全天候、高精度、高分辨率（可达mm量级）和在线实时性以及不受安装条件限制等特点。本发明还可以将实时桥梁振幅与视频监控***定位抓拍相结合，通过车牌记录、图像识别等技术，构成功能强大的以实时桥梁振幅态监测为核心、车辆超重检测和车牌号自动识别功能为辅助的、用于桥梁安全评估的激光在线桥梁振幅监测及振幅超阈值告警***。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，将连续或准连续的激光投射到靶标上，由于靶标与桥梁刚性连接，或者靶标本身就是桥梁刚性结构的一部分，桥梁的任何振动（包括横向振动和纵向振动）都会对投射到靶标上的激光产生调制作用，从而靶标反射的激光便携带了桥梁振动的信息，通过接收解调靶标反射的激光就可以采集到桥梁振动的重要物理参数——振幅。实际应用通常采用持续时间≥0.25s的连续激光或激光脉冲重复频率＞1kHz的准连续激光，就可以从被调制激光中解调出桥梁振幅数据。

如图1所示，本发明基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，包括激光发射***、激光接收***、信号处理及控制***和靶标。靶标可以是桥梁刚性结构的一部分，如桥梁横梁钢结构的一部分，经过处理后提高激光反射率就可以作为反射激光的靶标。或者采用专门的激光反射装置，通常为经过特殊处理的金属板（或光学反射器）等，通过刚性连接件将靶标刚性固定在桥梁上。图1中，激光发射***与信号处理及控制***电连接，根据信号处理及控制***的指令向靶标发射连续或准连续激光，该激光被桥梁振动调制后被靶标反射出去，激光接收***接收靶标反射的激光，将其为电信号并进行调制解调处理后得到包含桥梁振幅信息的数据信号，该数据信号被送入信号处理及控制***。信号处理及控制***接收所述数据信号后进行处理，计算出桥梁振幅数据。该振幅数据可以为桥梁安全预警提供依据，也可以结合视频监控***采集的桥面负荷数据（主要是车辆载荷），对桥梁安全事故提供预警或对桥梁安全事故的责任划分提供依据。

实施例

本例基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置结构，如图2所示。包括激光发射***、激光接收***、信号处理及控制***、靶标、阈值判决器、报警***，以及用于监控桥面负荷的视频监控***。本例的激光接收***由光学接收器、面阵探测器和调制解调器构成。本例激光发射***可以采用技术成熟的固体激光发射***。激光发射***和激光接收***可以配置在同一个机柜中，并通过电缆与信号处理及控制***进行电连接。激光发射***和激光接收***应安装在远离桥梁处，如岸边坚固的平台上或机房中，不受桥梁振动的影响。安装时应使激光发射***发射的激光经过靶标反射后，有效地被激光接收***所接收。如图2所示的安装结构中，激光发射***的发射头及光学接收器都与靶标正对安装，入射激光和反射激光都与靶标反射面垂直，这种配置方式就可以有效地接收反射光。也可以针对不同的桥梁结构和靶标位置，按照光的反射定律配置发射头和光学接收器，这种配置方式激光发射***和激光接收***通常采用分离配置的方式。

如图2所示，本例靶标为刚性固定在桥梁上的专门的激光反射装置，是经过特殊处理的金属反光板，采用刚性连接件将其固定在桥梁上。图2中，激光发射***与信号处理及控制***电连接，根据信号处理及控制***的指令向靶标发射连续激光，该激光投射到靶标上被桥梁振动调制后被靶标反射出去。光学接收器接收靶标反射的激光经过光学处理输入面阵探测器，面阵探测器接收到激光信号后将其转换为电信号输入调制解调器。调制解调器接收到面阵探测器输出的电信号，进行解调处理后得到包含桥梁振幅信息的数据信号，该数据信号被送入信号处理及控制***。信号处理及控制***接收数据信号后进行处理，计算出桥梁振幅数据。该振幅数据一路输入阈值判决器，与设定的振幅阈值进行比较判决，当计算出的振幅数据超过设定阈值时，阈值判决器输出触发信号到报警***，报警***发出声光报警。本例基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，信号处理及控制***还通过电缆与视频监控***连接，可以结合视频监控***采集的桥面负荷数据，对桥梁安全事故提供预警或对桥梁安全事故的责任划分提供依据。比如当桥梁振幅大或等于设定值时，信号处理及控制***输出控制信号，启动视频监控***实时采集此时桥面过往车辆图像信息，并对车辆号牌进行记录和识别，就可以对造成桥梁振幅超标的车辆进行相关处罚，或者命令其减速行驶降低对桥梁的冲击。信号处理及控制***还可以实时分析桥梁振幅数据和视频监控***采集的桥面负荷信息，生成桥梁振幅变化的动态（有载荷）和静态（无载荷）趋势曲线，为桥梁安全评估提供依据。

Claims (7)

1.基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，包括激光发射***、激光接收***、信号处理及控制***，其特征在于，还包括靶标，所述靶标刚性固定在桥梁上，所述激光发射***与信号处理及控制***电连接，根据信号处理及控制***的指令向所述靶标发射激光，所述激光接收***接收所述靶标反射的激光，所述激光接收***将接收的激光转换为电信号，所述信号处理及控制***与激光接收***连接接收其输出的电信号，所述信号处理及控制***对接收的电信号进行处理，计算出桥梁振幅数据。

2.根据权利要求1所述的基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，其特征在于，所述靶标为桥梁刚性结构的一部分。

3.根据权利要求1所述的基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，其特征在于，所述激光发射***向所述靶标发射连续或准连续激光。

4.根据权利要求1所述的基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，其特征在于，所述激光接收***包括光学接收器、面阵探测器和调制解调器，所述光学接收器接收靶标反射的激光，所述面阵探测器与光学接收器连接，将光学接收器输出的激光信号转换为电信号输入调制解调器，所述调制解调器向信号处理及控制***输出解调后的含有振幅信息的电信号。

5.根据权利要求1所述的基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，其特征在于，还包括阈值判决器和报警***，所述阈值判决器与信号处理及控制***连接，所述报警***与阈值判决器连接，所述阈值判决器根据振幅数据与设定阈值的比较结果进行判断，当振幅桥梁振幅超过规定值时触发报警***发出报警信号。

6.根据权利要求1所述的基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，其特征在于，还包括用于监控桥面负荷的视频监控***，所述视频监控***接收信号处理及控制***的指令，采集桥面负荷信息并传输给信号处理及控制***。

7.根据权利要求6所述的基于激光调制的桥梁振幅实时监测装置，其特征在于，所述信号处理及控制***实时分析桥梁振幅数据和视频监控***采集的桥面负荷信息，生成桥梁振幅变化的动态和静态趋势曲线，为桥梁安全评估提供依据。

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