一种基于激光测距原理的桥梁高频挠度检测技术的研究
一种基于激光测距原理的桥梁高频挠度检测技术的研究
作者:胡晓
1、桥梁动挠度测量技术方案综述
在某些承载冲击频率变化比较快的桥梁上,为保证桥梁结构的安全,对桥梁的挠度进行的测昼,不仅包括静挠度,同时也要包含动挠度。现行主要的方法有激光图像法,连通管法和 GPS 差分法.激光阁像法采用固结在桥面上的激光器,在半反射投影靶面上形成激光光斑,通过CCD采集光斑图像,计笋机笲出光斑位置 再通过光学几何反算出激光光源点的位置。该方法虽然精确,采媒频率高但是易受气候和光照条件影响, 成本昂贵。 连通管法依据的原理是当桥梁受载发生变形, 产生挠度变化后,各个测点处连通分管内的液位和管壁或者液位传感器的相对位置发生变化, 测出各点变化前后的液位值即可获得该点的挠度变形桓。但是由千液体的响应时间相对过长,因此该方法对于高频的挠度测鱼无法达到精度要求。差分GPS定位法利用卫星导航和定位系统对两台GPS机分别进行定位, 来确定观测点相对千基站点的空间位置变化情况,从而得出桥梁在观测点的挠度值,但是该系统仍然无法克服大气折射的影响 ,为了在保证精度的同时增加系统对环境的适应能力 ,本文提出了一种基于激光测距仪的桥梁动态挠度检测系统。
2、激光挠度测量的原理和算法
基于激光测距原理的挠度检测系统包括:激光测距仪1、反射标靶2、通信模块3、远程监控模块4、倾角监测器5、激光测距仪n个(其中6为桥梁上表面)固定于待测挠度桥梁的梁下,反射标靶固定于待测挠度桥梁桥墩7处,激光测距仪及反射板上均安装倾角监测器,远程监控模块发出命令后,激光仪同时向反射标靶照射,通信模块连接激光测距仪、倾角监测器和远程监控模块, 反射标靶包括支撑劈和反射板,反射板朝向激光割距仪用于反射激光,反射面在朝向激光器的方向上与水平面呈锐角。
桥梁无荷载时,远程监控模块4对激光测距仪l发出控制信号,激光测距仪同时照射反射标靶2, 激光经反射标靶2反射回激光测距仪1, 并且倾角监测器实时测疽到激光测距仪与竖直方向的夹角。、反射标靶的反射板与竖直方向的夹角 fl,即可采集第一 组数据 :桥梁有荷载时 , 以同样方式获得第两组数据,通信模块3连接激光测距仪1和远程监控模块4,将处理所得的挠度数据发送到远程监控模块4,并显示出来。
桥梁没有荷载时,桥梁下的反射标靶位于垂直方向的D (见图二)位置,激光测距模块测得自身与反射标靶的反射面之间的距离L口桥梁有工作荷载时引起桥梁的梁变形,桥梁下的反射标靶向下位移到垂直方向的E位置,激光测距模块测得自身与反射标靶的反射面之间的距离 Li:倾角监测器实时测噩激光测距仪与竖直方向的夹角、反射标靶的反射板与竖直方向的夹角 fl;结合倾角监测器实时测噩到的激光测距仪与竖直方向的夹角 0 及反射板与竖直方向的夹角B。
安装确定反射靶倾斜角度时传感器测得6的数值, 通过通信模块传递给远程控制模块并显示,则反射靶的安装角度符合精度要求。
3、 基于激光测距原理的桥梁挠度高频采集系统的工作过程
整个系统处千野外的工作环境,实时的测是要求采用无线的方式传输数据,并在监控终端实现挠度值的高频示波,当挠度值超过一定值时实现自动报警。
3.1激光位移传感器
本文选用的激光位移传感器要求有良好的封装性且便于安装,同时性能上满足采样频率不小于lkHz的要求。ASTECH 激光位移传感器LDM41/42A用千自然固体表面,测噩范围可达O.l-30n1,测噩精度不低千土0.1mm, 该传感器有三种工作模式:DT(测噩自然表面), DW (测噩白色表面), DX (DIEMTIX型号中默认该模式无效),系统中选择DT模式。 数据接口符合 RS232标准,波特率为9600, 可用Windows应用程序进行设置,DIEMTIX通过一个13针脚的插头与外界连接, 实现控制信号和测距数据传输和供电的功能。
3.2无线通信系统的构建
无线通信主要发生在远程监控模块和激光测距仪连接的无线通讯模块之间, 远程监控模块通过无线信号接受激光测距仪的测噩数值, 同时激光测距仪能通过无线通信模块接受来自远程监控终端的控制信号,实现测距开关的控制和采样频率的调节。无线通信模块的主控芯片采用飞思卡尔公司的MC91Sl2xsl28型号的单片机,无线收发采用的ESP8266串口WIFI无线收发模块。
无线模块通过串口与单片机的串口引脚相连, 单片机采集激光位移传感器的数据经过AD转换后写入无线模块的发送缓存区后发送给监控终端的无线模块,然后从无线模块的接受缓存区读取监控终端的控制指令,控制激光位移传感器工作。
3.3终端数据的处理和挠度示波器
利用远程监控终端的触摸显示屏可实时监控桥梁的挠度值随时间变化的曲线, 同时通过远程监控终端上的触摸显示屏和无线通信模块可以控制激光测距仪采栠和发送数据。远程监控终端的监控界面基于VS2010平台开发。
4、实验和数据验证
实验中为了得到间距相等的挠度,调整好激光测距仪与竖直方向的夹角保持该夹角固定不变,让激光测距仪在位移平台上竖直方向上下高频移动从而模拟出挠度的变化值。针对同一 个点位 (同一个激光测距仪)进行了多次重复性位移实验,测昼过程为 :1、选择桥梁上一 个固定点固定位移平台, 开启位移平台使激光测距仪在该平台上上下位置高速移动,得出以0.5m m 为间距,噩程为lOmn1的一 组挠度模拟值 ;2、将位移平台返回起始点,重复该实验, 在远程监控模块上时保存采集到的数据。
实验数据表明在挠度!Onun以内的实验环境下该系统的挠度测噩值的精度能达到0.05mm以上的精度要求,符合桥梁安全监测的标准。
5、结论与展望
本文通过分析现行的各种桥梁挠度的测昼工具和测琵方法,在对当前公路桥梁的高频挠度测凿的要求下给出了结合激光测距原理和精巧几何结构的测疽方法,制成的系统利用激光测距仪,结合设计的无线通信模块,能实现实时的挠度高频采集,同时设计了远程监控终端定制系统,实现了挠度随时间变化的示波器显示。实验表明该系统的精度指标达到要求的指标,下一步目标可以再结合4G 网络技术实现室内远距离监控中心的远程监测。
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