一种监测结构物微小位移的装置论文和设计-任金淼

全文摘要

本实用新型公开了一种监测结构物微小位移的装置，其包括有被监测结构物，还包括有安装在所述结构物的测量点处的用于产生激光的准直激光器以及安装在所述结构物的另一测量点处的激光光斑中心探测系统，所述激光光斑中心探测系统与准直激光器相配合，用于接收其发射出的激光信号；本方案所提供的监测结构物微小位移的装置其通过采用准直激光、光纤阵列、光电探测、单片机处理等技术实现监测，具有结构简单、使用可靠、安装方便、成本低廉等优点，尤其是具有大跨度、高精度测量能力，能用于其它方法难以应用的场合。

主设计要求

1.一种监测结构物微小位移的装置，包括有被监测结构物，其特征在于：还包括有安装在所述结构物的测量点处的用于产生激光的准直激光器以及安装在所述结构物的另一测量点处的激光光斑中心探测系统，所述激光光斑中心探测系统与准直激光器相配合，用于接收其发射出的激光信号，所述激光光斑中心探测系统包括有探测靶面、光纤阵列、光电探测器、单片机以及连接在所述光电探测器和单片机之间的电缆，其中所述探测靶面和光电探测器分别连接在所述光纤阵列的两端上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种监测结构物微小位移的装置，其特征在于：所述准直激光器包括有激光头和激光器电源。

3.根据权利要求2所述的一种监测结构物微小位移的装置，其特征在于：所述激光头为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或光纤激光器中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种监测结构物微小位移的装置，其特征在于：所述光电探测器可采用光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻中的一种构成，其中所述光电探测器中还插入有只让激光器波长的光通过而杂散光被阻止的滤光片。

5.根据权利要求1所述的一种监测结构物微小位移的装置，其特征在于：所述光纤阵列由在水平方向和垂直方向构成的平面上精密排列的光纤构成，其中所述光纤阵列与分立的光电探测器共同构成微小位移探测器结构。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及桥梁、隧道、架空线路、管道、高楼、高塔等结构物微小位移的安全监测技术领域，具体涉及一种监测结构物微小位移的装置。

背景技术

桥梁、隧道、架空线路、管道、高楼、高塔等结构物作为现代文明的组成部分，在人们日常生活中起到了重要作用。随着现代科技的发展以及交通、能源、通信等需求的不断增长，大型桥梁、大型隧道、架空线路、超长管道以及高楼、高塔等越来越多，使用环境越来越恶劣。例如高速铁路几乎全架在桥梁上，在许多地质复杂的地方，还有穿越山体或者埋藏在河流、湖泊底部的隧道，并承受着高速列车的频繁冲击。这些结构物在建造和使用过程中，由于受到环境中有害物质的侵蚀，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修，轻则缩短结构物使用寿命，重则导致类似于桥梁突然破坏和倒塌的重大事故，造成重大人员和财产损失。近些年来我国已经建成了世界上最长里程的高速铁路、总里程最长的高速公路，大型输油管、输气管、输电网、有线\/无线通信网，以及众多大跨度桥梁、高楼、高塔，这些结构物的监测和维护成为越来越重要的日常工作。

以桥梁为例，目前桥梁的监测主要依赖于传统的检测仪器如水准仪、全站仪，以及检测工人的手工操作，难以做到信息的全面收集和及时反馈，难以在大规模的高速铁路、高速公路工程中广泛中使用。近年来有人提出了一些采用现代测量方法的专利，但由于种种原因，大都没有大规模使用。南宁市天测科技有限公司提出了一种利用激光标靶技术测量桥梁弯曲度变形的方法，其所使用的激光测距仪在100米量级跨度上的变形测量精度很难好于1 毫米，不能反映桥梁结构退化早期的微小变形。重庆交通大学提出了“桥梁挠度和位移的监测装置和方法”的专利，但所采用的视频采集设备价格高，难以大规模使用。长沙理工大学提出了“激光沉降挠度监测仪”的专利，采用的方案是用线阵电荷耦合器件CCD做位置测量设备，价格更高，更难推广。此外还有基于全球定位系统GPS进行测量的方案，其测量范围大，但测量精度不高，不能及时发现微小变形。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种监测结构物微小位移的装置，该监测结构物微小位移的装置其结构简单、使用可靠、安装方便、成本低廉。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种监测结构物微小位移的装置，包括有被监测结构物，还包括有安装在所述结构物的测量点处的用于产生激光的准直激光器以及安装在所述结构物的另一测量点处的激光光斑中心探测系统，所述激光光斑中心探测系统与准直激光器相配合，用于接收其发射出的激光信号，所述激光光斑中心探测系统包括有探测靶面、光纤阵列、光电探测器、单片机以及连接在所述光电探测器和单片机之间的电缆，其中所述探测靶面和光电探测器分别连接在所述光纤阵列的两端上。

进一步，所述准直激光器包括有激光头和激光器电源。

进一步，所述激光头为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或光纤激光器中的一种。

进一步，所述光电探测器可采用光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻中的一种，其中所述光电探测器中还插入有只让激光器波长的光通过而杂散光被阻止的滤光片。

进一步，所述光纤阵列由在水平方向和垂直方向构成的平面上精密排列的光纤构成，其中所述光纤阵列与分立的光电探测器共同构成微小位移探测器结构。

与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案所提供的监测结构物微小位移的装置其通过采用准直激光、光纤阵列、光电探测、单片机处理等技术实现监测，具有结构简单、使用可靠、安装方便、成本低廉等优点，尤其是具有大跨度、高精度测量能力，能用于其它方法难以应用的场合。

附图说明

图1为本实用新型中监测结构物微小位移的装置原理示意图。

图2为本实用新型中监测结构物微小位移的装置安装在桥梁上的级联使用原理示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。

本方案是针对现有的结构物监测设备其存在设备昂贵、监测精度有限且能以在实际中得到大规模应用的问题，进而提出的一种监测结构物微小位移的装置，该监测结构物微小位移的装置其结构简单、使用可靠、安装方便、成本低廉。

参见附图1所示，本实施例中的监测结构物微小位移的装置其包括有被监测的结构物、通过螺栓锁紧安装在结构物的测量点处的用于产生激光的准直激光器12以及安装在结构物的另一测量点处的激光光斑中心探测系统13，激光光斑中心探测系统13与准直激光器12相配合，用于接收其发射出的激光光信号，在此需要说明的是，在实际中由用于安装准直激光器12的测量点和用于安装激光光斑中心探测系统13的另一测量点构成的最小监测系统，其中两测量不需要都同时设置在被监测的结构物上，即仅需要保证一个测量点设置在被监测的结构物上，用于来反映该监测结构物的位移变化状态，而另一测量点可以设置在被监测结构物上，也可以采用被监测结构物外作为位置标定的另外一个标准地点。激光光斑中心探测系统13包括有探测靶面6、光纤阵列7、光电探测器8、单片机10以及连接在光电探测器8和单片机10 之间的电缆9，其中探测靶面6和光电探测器8分别连接在光纤阵列7的两端上单片机10还可以通过外部电缆11与外部主机进行相连，上述准直激光器12包括有激光头5和激光器电源4。本实施例中的光纤阵列7由在水平方向和垂直方向构成的平面上精密排列的光纤构成，其中光纤阵列7与分立的光电探测器8共同构成微小位移探测器结构。

此外，本实施例中的上述激光头5可以是固体激光器，也可以是气体激光器、半导体激光器、光纤激光器，以及上述激光器与配套的光学系统构成；探测靶面6是激光光斑中心探测系统的光学窗口，由透光的光纤阵列端面与不透光的材料构成，照射在探测靶面上的激光只能通过光纤进入探测器；光电探测器8可以由光敏二极管模块构成，也可以是光敏三极管、光敏电阻等光敏电子元件，还可以插入只让激光器波长的光通过而杂散光被阻止的滤光片等光学元件。单片机可以是常见的8位51单片机，也可以是8位的AVR 型Arduino单片机，或者为32位的STM32系列单片机。

在本实施例中，为了便于描述，本实施例中的结构物选择常见的桥梁作为描述对象，但并不限于桥梁，因此本实用新型不仅包括桥梁，也包括隧道、架空线路、管道、高楼、高塔等其它结构物。由于本实用新型可以快速测量结构物微小位移，因此也可以用于监测结构物的微小振动，为叙述方便，下面关于微小位移的描述也适用于微小振动，而不再在叙述中加入微小振动的文字。

参见附图1所示，在桥板1某一桥墩2顶部处安装有准直激光器12，为便于描述，该桥墩顶部记做测量点A，在该桥板1上相邻的另一桥墩3顶部处安装有相对应的激光光斑中心探测系统13，并将该桥墩顶部记做测量点B，上述两测量点A和B为同一水平高度，以保证测量点A处的准直激光器12 发出的激光能够被位于位置B处的激光光斑中心探测系统13所接收并进行相应的处理，当然在实际中，两测量点A和B之间也可以存有一定的高度差，只需要保证测量点A处的准直激光器12发出的激光能够被位于位置B处的激光光斑中心探测系统13能够接受即可。具体的，位于测量点A处的准直激光器12其内的激光头5发射出的测量激光照射到测量点B处的激光光斑中心探测系统13中，即测量位置A处的激光头5发射出的测量激光照射到探测靶面 6上，并经光纤阵列7传输到光电探测器8上，光电探测器8将接收到的光信号转换为对应的电信号，转换后的上述电信号通过电缆9传输到单片机10 中，在单片机10中该电信号经过软件处理，通过重心法找出激光光斑的中心位置，该光斑位置被记录和显示，并通过通讯模块发送到上位机或服务器，进行后续处理。当其中某个测量点发生了结构变形，光斑位置就会发生改变，计算机根据与以前测量数据的对比，即可得到桥墩的沉降量△Z和桥墩的水平位移量△Y，即假设本实施例中测量点B处的桥墩其相对于测量点A处的桥墩产生了微小的偏移，那么根据测量点B处的激光光斑中心探测系统中的光斑位置变化，对应的根据与以前测量数据的对比，即可得到测量点B处的桥墩的沉降量△Z和桥墩的水平位移量△Y。换句话而言，假定桥墩测量点A位置不变，构成参考点，桥墩测量点B存在沉降和水平位移，则准直激光器位置不变，但激光光斑中心探测系统位置改变，从而探测出的激光光斑中心坐标出现变化，其坐标的变化量就是桥墩的变形量。可以理解的是，在实际中，本实施例中的准直激光器和激光光斑中心探测系统也可以对应配合的安装在桥梁上相邻桥板底部中央处，之所以要安装在桥梁底板底部中央位置处，是可以对桥板的挠度变化量△Z和桥板的水平位移量△Y进行测量。对于安装在桥梁上相邻桥板底部中央处的准直激光器和激光光斑中心探测系统其工作原理和安装在桥墩顶部上的一样。本实施例中的准直激光器和激光光斑中心探测系统为一个最小的监测系统。在实际中，桥梁上其某一测量位置处可以同时安装有准直激光器和激光光斑中心探测系统，这样就可以形成连续对桥梁上相邻测量位置点之间的桥段进行位移状态监测，例如可以在本实施例中的桥梁上测量点A处放置有准直激光器(可以理解的是，由于本实施例中假设测量点A为整个桥梁的第一个测量点，因此其只需要放置用于发射激光的准直激光器)，而相连的测量点B处其可放置有激光光斑中心探测系统和准直激光器，同样的相邻的下一个测量点C处同样放置有激光光斑中心探测系统和准直激光器，直到桥梁上最后一个测量点处，最后一个测量点其上仅安装有激光光斑中心探测系统。可以理解的是，若一个测量点是参考点，即该位置不发生变化，那么从相邻的第二测量点获得的数据变化即为第二测试点的变形数据，同样，第三测量点的变形数据可以根据第二测量点的数据进行推算得到，如此类推。

此外，在实际中为了能够自动提醒进行报警作业，还可以在单片机中设置一个某一个变形量的阈值，在测量数据超过阈值后，系统可以发出声光预警信号，提醒人们及时处理。

结合参照附图2所示，为利用光纤阵列技术监测结构物微小位移的装置安装于桥梁的级联使用效果图。准直激光器和激光光斑中心探测系统均位于桥墩顶部。在每个桥墩顶部都固定一对准直激光器和激光光斑中心探测系统，准直激光照射到相邻桥墩顶部上的激光光斑中心探测系统，获取激光光斑中心坐标值作为该测量点的变形量监测值，若坐标发生变化，其变化量就是该测量点的变形值。

具体的，为了便于描述，假设本实施例中桥板14其下方中间桥段的四个支撑桥墩进行描述，分别为第一桥墩15、第二桥墩16、第三桥墩17以及第四桥墩18。第一桥墩15其顶端上固定安装有激光光斑中心探测系统19和准直激光器20，第二桥墩16其顶端上固定安装有激光光斑中心探测系统21和准直激光器22，第三桥墩17其顶端上固定安装有激光光斑中心探测系统23 和准直激光器24，第四桥墩18其顶端上固定安装有激光光斑中心探测系统25和准直激光器26。准直激光器20发射激光照射在激光光斑中心探测系统 21上，构成包含两个测量点的最小系统，测量第二桥墩16相对于第一桥墩 15的变形量。准直激光器22发射激光照射在激光光斑中心探测系统23上，构成包含两个测量点的最小系统，测量第三桥墩17相对于第二桥墩16的变形量。准直激光器24发射激光照射在激光光斑中心探测系统25上，构成包含两个测量点的最小系统，测量第四桥墩18相对于第三桥墩17的变形量，如此类推。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

设计图

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