桥梁结构挠度自动监测的新型传感技术探讨

杜国庆

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

桥梁属于我国交通运输网络中比较重要的组成成分，并且其在我国国民经济生产中也占据了非常重要的地位。因此，确保桥梁结构的安全与可靠便显得尤其重要。同时，挠度作为桥梁安全性的重要指标，已经受到了越来越大的关注，其能直接反映桥梁结构的形变是否超过了相关的标准范围。当前使用的挠度检测方法有水准仪、百分表与经纬仪等，已普遍运用在桥梁的监测及验收鉴定中。本文将对挠度自动检测的新型传感技术进行一番探析，目前比较实用的新型传感技术主要有以下几种。

1 倾角仪挠度传感技术

倾角仪属于一种倾角测量仪器，主要是在回转摆上利用无源伺服技术与电容传感技术所构成的高灵敏度抗振动干扰来进行倾角的测量，总的来说倾角仪的输出电压同自身所处的平面转角成正比。在具体的操作中，如果倾角仪所处的平面为水平，那么其倾角则为0；当倾角仪发生了倾斜后，倾角仪上所得数为实数（P），此数值就能反映平面的倾斜大小。

根据上述的原理，在桥梁结构挠度的测量中便采用了这种方法，具体操作为：沿着桥梁的轴线放线，依次布设多个倾角仪，将监测点的倾角值全部测量出来；然后采用相关的软件处理，利用分段曲线法拟合或者分跨最小二乘法处理后，就能得到相应的挠度曲线。但是，利用这两种处理方法，都会存在一定的测量误差累积，因此在具体的处理中必须进行合理的处理与分配，确保挠度曲线的可靠。

2 测量机器人挠度传感技术

测量机器人在某种意义上也就是全自动全站仪，主要由棱镜与主机构成。在具体测量中，将棱镜安置在桥梁相关被测点，集成在主机上的红外测距仪发出的红外线通过棱镜的反射作用返回后被主机接收，通过观测发出及接收的具体时间，测量桥梁被测点与测量机器人间的实际距离。这样可以构建一定的坐标系，以主机安置的点作为坐标原点，在坐标空间内确定任意一个被测点的位置坐标。对于测量机器人而言，当它测定完一个目标后会继续测量另外一个目标，从而得出目标的距离、水平角及垂直角等；当位置确定之后，继续下一个目标。如此循环往复测量，便可得到所有被测点的详细数据，标注在坐标系中，直观看出这些被测点的数据变化趋势，利用相关的计算方式得出变化值，客观反映桥梁结构的挠度变化。

此种方法高度智能化，测量速度也非常快，对于量程过大和过高的桥梁测量而言，精确度更高，这就是测量机器人的独到之处。利用这种方法进行桥梁的挠度自动监测，使得有些看起来不可能的工作变成了可能，例如，山东莱阳农学院的姜晨光等就采用了自动电子全站仪对某铁路大桥进行了三维动态的变形实时监测，并取得了非常理想的效果。

3 激光图像挠度传感技术

激光图像挠度传感技术，主要利用的是激光的良好方向性，在实际的测量中，将激光器固定在桥梁的被测点上，则会随着桥梁产生的变形不同而将这些变形照射在光电接收器之上，其照射在接受器中间的光斑便会发生相应的改变，由此获取中心光斑的位置变化就能确定桥梁的挠度。

从一些相关的实践中看出，利用激光图像法进行桥梁挠度的测量，有着十分明显的效果，能得到精度很高的结果，并且采样的速率很高，成本也较低，一般适用于跨度不大的中小型桥梁的挠度测量。比如重庆大学的陈为民等便自行开发出了一种激光图像挠度测量技术，并且成功地用在了渝长高速的红槽坊立交桥的远程监控中，很好地得到了相关的挠度数据，从而对桥梁的安全性起到了保障作用。

4 GPS挠度传感技术

不言而喻，GPS为卫星导航与定位系统已经广泛运用于各行各业。该系统所具有的全天候、全球性及连续的精密定位与导航功能，加之良好的保密性与抗干扰功能，使其在桥梁挠度自动监测中的使用更加普遍。目前来看，对于GPS挠度传感技术的使用主要在于大型的桥梁挠度监测中。

GPS运用在桥梁挠度测量中的原理为：将一台接收机（称作基准站）装设在某个参考点（一般为岸基），并且固定不变，然后将另外一台接收机（称作移动站）装设在桥梁较为明显或过大的地方，这样便能同时利用两台接收机同步观测，便能确定变形点相对于岸基的位置，就能实时获取相关的数据，通过一定的处理之后就能得到桥梁的挠度值。

不过，从目前来看，GPS技术在桥梁挠度中的运用还不成熟，存在着一些缺陷。实践表明，这种技术测量出的挠度精度不高，但其测量的范围十分广，空间也绝对精准，且基准点与测量点间不受任何限制，使其能运用于地理环境比较恶劣或者跨度较大的悬索桥、斜拉桥的挠度测量中。比如香港的青马大桥、汲水门大桥等就是利用GPS检测技术进行桥梁的挠度监测。

5 光电成像挠度传感技术

光电成像挠度传感技术的基本原理为：将光标靶固定在桥梁的待测点，然后利用光学成像系统与数字摄像机进行测量，将两者固定在相应的基座上，当光标靶发出的光线通过了摄像机的光学镜头后，就会成像在光敏面上，一旦桥梁的温度、风及荷载等影响了桥梁的位移后，便能在光敏面上得到相应的体现，从而利用光学系统及相关的计算，就能得出桥梁的挠度。

利用此种方法不仅可以实现桥梁的动态与静态挠度测量，还能测量出桥梁的横向位移等，测量范围十分广泛，测量值的精确度也很好，且采样效率极高。该技术主要运用于中大型桥梁挠度监测，由于优点十分显著，已取得快速发展趋势。我国已有相当成熟的光电成像挠度传感技术，比如北京光电技术研究所生产的广电图像检测仪，在实际操作中取得了非常理想的效果。

6 连通管挠度传感技术

连通管挠度传感技术的基本原理为：将面积较大的容器安置在桥墩的某位置，固定不变，然后将连通管固定在桥体某侧。当某点发生挠度变化时，液位离开玻璃管顶部的高度将变化，安置在该点的连通管也随之变化；虽然连通管横轴上的液位保持不变，但挠度变化会引起液位高度的变化。据此可得出该点的相应沉降变化值并计算出该点的挠度值。

由于连通管法一般采用的是全封闭式，因此其往往不会受到桥梁结构的多方位变形及阳光雨露等的影响。但是，此方法使用过程中只能利用人力，人工读数的方式过于传统，一般只适用于短期的桥梁挠度测量。另外，此方法在测量挠度上其本质属于如何获取液位，要想实现长期的自动测量，就必须采用和连通管相配套的液位传感器。从当前来看，液位传感器类型诸多，一般常用的为光电技术探测与超声波探测，两者比较，前者测量精度高而后者测量范围广。此外，利用这种技术进行桥梁挠度测量，精确度可以达到毫米级，并且对环境的影响较小，监测点的增减也十分方便，适合各类桥梁的挠度监测。

7 结语

目前我国桥梁结构挠度自动监测新型传感技术已有很多种类，每种类别都有自己的适用范围、优势与缺陷，都能给桥梁结构挠度的自动监测带来效果。在实际操作中，应根据具体情况选择适用的新型传感技术，这样才能使桥梁挠度自动检测的效果实现最优。

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