橋梁結構撓度自動監測的新型傳感技術探討

杜國慶

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

橋梁屬于我國交通運輸網絡中比較重要的組成成分，并且其在我國國民經濟生產中也占據了非常重要的地位。因此，確保橋梁結構的安全與可靠便顯得尤其重要。同時，撓度作為橋梁安全性的重要指標，已經受到了越來越大的關注，其能直接反映橋梁結構的形變是否超過了相關的標準范圍。當前使用的撓度檢測方法有水準儀、百分表與經緯儀等，已普遍運用在橋梁的監測及驗收鑒定中。本文將對撓度自動檢測的新型傳感技術進行一番探析，目前比較實用的新型傳感技術主要有以下幾種。

1 傾角儀撓度傳感技術

傾角儀屬于一種傾角測量儀器，主要是在回轉擺上利用無源伺服技術與電容傳感技術所構成的高靈敏度抗振動干擾來進行傾角的測量，總的來說傾角儀的輸出電壓同自身所處的平面轉角成正比。在具體的操作中，如果傾角儀所處的平面為水平，那么其傾角則為0；當傾角儀發生了傾斜后，傾角儀上所得數為實數（P），此數值就能反映平面的傾斜大小。

根據上述的原理，在橋梁結構撓度的測量中便采用了這種方法，具體操作為：沿著橋梁的軸線放線，依次布設多個傾角儀，將監測點的傾角值全部測量出來；然后采用相關的軟件處理，利用分段曲線法擬合或者分跨最小二乘法處理后，就能得到相應的撓度曲線。但是，利用這兩種處理方法，都會存在一定的測量誤差累積，因此在具體的處理中必須進行合理的處理與分配，確保撓度曲線的可靠。

2 測量機器人撓度傳感技術

測量機器人在某種意義上也就是全自動全站儀，主要由棱鏡與主機構成。在具體測量中，將棱鏡安置在橋梁相關被測點，集成在主機上的紅外測距儀發出的紅外線通過棱鏡的反射作用返回后被主機接收，通過觀測發出及接收的具體時間，測量橋梁被測點與測量機器人間的實際距離。這樣可以構建一定的坐標系，以主機安置的點作為坐標原點，在坐標空間內確定任意一個被測點的位置坐標。對于測量機器人而言，當它測定完一個目標后會繼續測量另外一個目標，從而得出目標的距離、水平角及垂直角等；當位置確定之后，繼續下一個目標。如此循環往復測量，便可得到所有被測點的詳細數據，標注在坐標系中，直觀看出這些被測點的數據變化趨勢，利用相關的計算方式得出變化值，客觀反映橋梁結構的撓度變化。

此種方法高度智能化，測量速度也非常快，對于量程過大和過高的橋梁測量而言，精確度更高，這就是測量機器人的獨到之處。利用這種方法進行橋梁的撓度自動監測，使得有些看起來不可能的工作變成了可能，例如，山東萊陽農學院的姜晨光等就采用了自動電子全站儀對某鐵路大橋進行了三維動態的變形實時監測，并取得了非常理想的效果。

3 激光圖像撓度傳感技術

激光圖像撓度傳感技術，主要利用的是激光的良好方向性，在實際的測量中，將激光器固定在橋梁的被測點上，則會隨著橋梁產生的變形不同而將這些變形照射在光電接收器之上，其照射在接受器中間的光斑便會發生相應的改變，由此獲取中心光斑的位置變化就能確定橋梁的撓度。

從一些相關的實踐中看出，利用激光圖像法進行橋梁撓度的測量，有著十分明顯的效果，能得到精度很高的結果，并且采樣的速率很高，成本也較低，一般適用于跨度不大的中小型橋梁的撓度測量。比如重慶大學的陳為民等便自行開發出了一種激光圖像撓度測量技術，并且成功地用在了渝長高速的紅槽坊立交橋的遠程監控中，很好地得到了相關的撓度數據，從而對橋梁的安全性起到了保障作用。

4 GPS撓度傳感技術

不言而喻，GPS為衛星導航與定位系統已經廣泛運用于各行各業。該系統所具有的全天候、全球性及連續的精密定位與導航功能，加之良好的保密性與抗干擾功能，使其在橋梁撓度自動監測中的使用更加普遍。目前來看，對于GPS撓度傳感技術的使用主要在于大型的橋梁撓度監測中。

GPS運用在橋梁撓度測量中的原理為：將一臺接收機（稱作基準站）裝設在某個參考點（一般為岸基），并且固定不變，然后將另外一臺接收機（稱作移動站）裝設在橋梁較為明顯或過大的地方，這樣便能同時利用兩臺接收機同步觀測，便能確定變形點相對于岸基的位置，就能實時獲取相關的數據，通過一定的處理之后就能得到橋梁的撓度值。

不過，從目前來看，GPS技術在橋梁撓度中的運用還不成熟，存在著一些缺陷。實踐表明，這種技術測量出的撓度精度不高，但其測量的范圍十分廣，空間也絕對精準，且基準點與測量點間不受任何限制，使其能運用于地理環境比較惡劣或者跨度較大的懸索橋、斜拉橋的撓度測量中。比如香港的青馬大橋、汲水門大橋等就是利用GPS檢測技術進行橋梁的撓度監測。

5 光電成像撓度傳感技術

光電成像撓度傳感技術的基本原理為：將光標靶固定在橋梁的待測點，然后利用光學成像系統與數字攝像機進行測量，將兩者固定在相應的基座上，當光標靶發出的光線通過了攝像機的光學鏡頭后，就會成像在光敏面上，一旦橋梁的溫度、風及荷載等影響了橋梁的位移后，便能在光敏面上得到相應的體現，從而利用光學系統及相關的計算，就能得出橋梁的撓度。

利用此種方法不僅可以實現橋梁的動態與靜態撓度測量，還能測量出橋梁的橫向位移等，測量范圍十分廣泛，測量值的精確度也很好，且采樣效率極高。該技術主要運用于中大型橋梁撓度監測，由于優點十分顯著，已取得快速發展趨勢。我國已有相當成熟的光電成像撓度傳感技術，比如北京光電技術研究所生產的廣電圖像檢測儀，在實際操作中取得了非常理想的效果。

6 連通管撓度傳感技術

連通管撓度傳感技術的基本原理為：將面積較大的容器安置在橋墩的某位置，固定不變，然后將連通管固定在橋體某側。當某點發生撓度變化時，液位離開玻璃管頂部的高度將變化，安置在該點的連通管也隨之變化；雖然連通管橫軸上的液位保持不變，但撓度變化會引起液位高度的變化。據此可得出該點的相應沉降變化值并計算出該點的撓度值。

由于連通管法一般采用的是全封閉式，因此其往往不會受到橋梁結構的多方位變形及陽光雨露等的影響。但是，此方法使用過程中只能利用人力，人工讀數的方式過于傳統，一般只適用于短期的橋梁撓度測量。另外，此方法在測量撓度上其本質屬于如何獲取液位，要想實現長期的自動測量，就必須采用和連通管相配套的液位傳感器。從當前來看，液位傳感器類型諸多，一般常用的為光電技術探測與超聲波探測，兩者比較，前者測量精度高而后者測量范圍廣。此外，利用這種技術進行橋梁撓度測量，精確度可以達到毫米級，并且對環境的影響較小，監測點的增減也十分方便，適合各類橋梁的撓度監測。

7 結語

目前我國橋梁結構撓度自動監測新型傳感技術已有很多種類，每種類別都有自己的適用范圍、優勢與缺陷，都能給橋梁結構撓度的自動監測帶來效果。在實際操作中，應根據具體情況選擇適用的新型傳感技術，這樣才能使橋梁撓度自動檢測的效果實現最優。

［1］耿會巖，賈獻卓，李強，等.橋梁結構撓度測試現狀與展望［J］.山西建筑，2010，36（29）：306-307.

［2］楊建春，陳偉民，徐謀，等.用于橋梁結構撓度自動監測的新型傳感技術［J］.重慶大學學報：自然科學版，2006，29（4）：15-18.

［3］楊建春，陳偉民.橋梁結構撓度自動監測技術的現狀與發展［J］.傳感器與微系統，2006，25（9）：1-3.

［4］胡順仁，陳偉民.橋梁結構狀態監測系統中撓度自適應修正方法研究［J］.公路，2011，（10）：62-66.