本實用新型涉及橋梁動力響應測試及高速鐵路橋梁安全監(jiān)測領域，具體涉及一種橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)及傳感器。

背景技術：

橋梁在行駛車輛的不斷作用下，其梁體產生較明顯的動態(tài)彎曲變形。相比普通鐵路橋梁，高速鐵路橋梁的梁體的動態(tài)彎曲變形有更嚴格的限制，因為如果梁體的動態(tài)變形過大，導致高速列車與鐵軌的相互摩擦力過大，進而影響高速列車的行駛速度，增加了高速列車脫軌的危險性。橋梁梁體橫向動轉角和豎向動撓度是分析橋梁動力響應特性變化及運營安全的重要參考指標?，F有的可同時監(jiān)測橋梁橫向動轉角和豎向動撓度的系統(tǒng)主要是基于高精度的機械式伺服式形變儀，并將測試數據經由積分擬合法計算獲取。這類系統(tǒng)在用于監(jiān)測簡單結構橋梁時具有較高的精度，但是存在以下幾個缺點：(1)、體積比較大；(2)、由于量程很小，常需要在安裝好后，進行手工精確調零；(3)、控制機械擺體運動的十字彈簧片的溫票效應對測試結果的誤差影響比較大，導致輸出值在較長時間后存在較大漂移。(4)、用于復雜結構橋梁時，對測點的布置位置和數量要求較高，需要比較密集的、合理地布置形變儀，如果布置形變儀的數量不夠或位置不對，則在由轉角積分成的撓度的誤差較大。(5)、由于形變儀即能感應到梁體的橫向轉角，也能感應到梁體的縱向振動加速度，其監(jiān)測結果受梁體的縱向振動影響大。

技術實現要素：

有鑒于此，本實用新型提出一種橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)以及傳感器，以更加方便地對復雜結構橋梁的橫向動轉角和豎向動撓度的長期監(jiān)測，解決和改善現有系統(tǒng)的使用不方便、穩(wěn)定性差、梁體縱向振動影響大、難以用于復雜結構橋梁的橫向動轉角和豎向動撓度的長期監(jiān)測等缺點。

第一方面，提供一種橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)，包括：

安裝架，包括長桿、短桿和連接桿，其中，所述長桿兩端設置有固定座，所述短桿與所述連接桿固定，所述連接桿與所述長桿的一端活動連接，所述短桿僅在與所述連接桿連接的一端設置有固定座；

第一力平衡加速度計，設置于所述短桿遠離固定座的一端，用于檢測所在位置的縱向振動加速度輸出第一模擬檢測信號；

第二力平衡加速度計，設置于所述長桿上，用于檢測橫向角加速度和縱向振動加速度輸出第二模擬檢測信號；

數據采集傳輸裝置，與所述第一力平衡加速度計和第二加速度計連接，用于將所述第一模擬檢測信號和第二模擬檢測信號分別轉換為第一數字檢測信號和第二數字檢測信號并向數據處理裝置傳輸；

數據處理裝置，與所述數據采集傳輸裝置通信連接，用于根據第二數字檢測信號和第一數字檢測信號的差值輸出表征橫向轉角的檢測信號。

優(yōu)選地，所述第一力平衡加速度計和第二力平衡加速度計均為MEMS力平衡加速度計。

優(yōu)選地，所述固定座為鐵磁材料固定座。

優(yōu)選地，所述長桿和所述短桿采用聚甲醛-鐵氟龍(POM+PTFE)復合材料制成。

優(yōu)選地，所述數據采集傳輸裝置包括：

模數轉換模塊，用于將所述第一模擬檢測信號和第二模擬檢測信號分別轉換為第一數字檢測信號和第二數字檢測信號；

無線傳輸模塊，用于以無線方式向所述數據處理裝置發(fā)送所述第一數字檢測信號和第二數字檢測信號；以及

控制模塊，用于控制所述模數轉換模塊和所述無線傳輸模塊。

優(yōu)選地，所述數據監(jiān)控設備用于根據所述長桿的長度和所述表征橫向轉角的檢測信號計算長桿的絕對撓度差值，根據多個不同位置的絕對撓度差值計算梁體的絕對豎向撓度值。

優(yōu)選地，所述數據處理裝置通過對第二數字檢測信號和第一數字檢測信號的差值進行反正切變換計算所述表征橫向轉角的檢測信號。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：

電池；以及

電源管理模塊，與所述電池連接，用于為所述第一力平衡加速度計、第二力平衡加速度計和所述數據采集傳輸裝置供電。

優(yōu)選地，所述連接桿與所述長桿的一端通過雙自由度鉸鏈活動連接。

第二方面，提供一種橋梁梁體形變傳感器，包括：

安裝架，包括長桿、短桿和連接桿，其中，所述長桿兩端設置有固定座，所述短桿與所述連接桿固定，所述連接桿與所述長桿的一端活動連接，所述短桿僅在與所述連接桿連接的一端設置有固定座；

第一力平衡加速度計，設置于所述短桿遠離固定座的一端，用于檢測所在位置的縱向振動加速度輸出第一模擬檢測信號；

第二力平衡加速度計，設置于所述長桿上，用于檢測橫向角加速度和縱向振動加速度輸出第二模擬檢測信號；

數據采集傳輸裝置，與所述第一力平衡加速度計和第二加速度計連接，用于將所述第一模擬檢測信號和第二模擬檢測信號分別轉換為第一數字檢測信號和第二數字檢測信號并向數據處理裝置傳輸。

本實用新型通過設置雙桿式安裝架，兩端固定安裝架的長桿，同時將安裝架的短桿通過連接桿活動連接到長桿的一端，并且僅固定短桿靠近連接的一端。同時，在安裝架的短桿和長桿上分別設置對應的第一和第二力平衡加速度計。由于短桿只有一端固定在梁體上，安裝在短桿上的力平衡加速度計只感應梁體的縱向振動加速度，而由于長桿的兩端都與梁體固定，安裝在長桿上的力平衡加速度計既可以感應梁體的縱向振動加速度，也可以感應梁體的橫向角加速度。因此，將兩個力平衡加速度計的輸出相減既可以去除縱向振動加速度，由此，可以方便的獲取橫向轉角參數?；跈M向轉角參數，可以方便地計算撓度等參數。因此，此過程不再依據積分擬合法來計算撓度，與橋梁結構無關，可監(jiān)測任何類型的橋梁的豎向動撓度和橫向動轉角。

附圖說明

通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1是本實用新型實施例的橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)的電路示意圖；

圖2是本實用新型實施例的安裝架的示意圖。

具體實施方式

以下基于實施例對本實用新型進行描述，但是本實用新型并不僅僅限于這些實施例。在下文對本實用新型的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本實用新型。為了避免混淆本實用新型的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細敘述。

此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。

除非上下文明確要求，否則整個說明書和權利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本實用新型的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

圖1是本實用新型實施例的橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)的示意圖；圖2是本實用新型實施例的安裝架的示意圖。如圖1和圖2所示，所述橋梁梁體形變傳感系統(tǒng)包括安裝架1、第一力平衡加速度計2、第二力平衡加速度計3、數據采集傳輸裝置4和數據處理裝置5。其中，安裝架1、第一力平衡加速度計2、第二力平衡加速度計3和數據采集傳輸裝置4構成了一個橋梁梁體形變傳感器。數據處理裝置5可以與多個這樣的形變傳感器通信連接。

其中，如圖2所示，安裝架1包括長桿11、短桿12和連接桿13。短桿12用于固定第一力平衡加速度計2以檢測梁體的縱向振動加速度。長桿11用于固定第二力平衡加速度計3以同時檢測梁體的縱向振動加速度，也可以感應梁體的橫向角加速度。具體地，長桿11兩端設置有固定座14。所述固定座用于將長桿11與梁體固定。由于長桿兩端均已梁體固定，因此，梁體的橫向和縱向形變均會傳到長桿并被設置與其上的第二力平衡加速度計3檢測。同時，短桿12通過連接桿13與長桿連接。并且，所述安裝架在短桿12與連接桿13連接的一端設置有一個固定座14以將短桿12的該端固定到梁體。同時，短桿12遠離連接桿13的一端不固定。也即，所述短桿僅在與所述連接桿連接的一端設置有固定座。連接桿13與長桿11的一端活動連接，以方便調節(jié)長桿和短桿的相對位置，使得安裝時安裝架可以方便地安裝在橋梁梁體的各個位置。優(yōu)選地，連接桿13與長桿11通過雙自由度鉸鏈15活動連接，從而可以使得更加方便調節(jié)。

同時，固定座14可以設置為鐵磁材料(例如燒結釹鐵硼磁鐵)固定座。由于梁體通常包括鋼材，鐵磁材料可以吸附在剛貼上，使用鐵磁材料制造固定座14可以方便安裝和定位。

容易理解，長桿11的橫向轉角的大小由長桿11自身的變形和長桿兩端的豎向位移差值決定。很顯然，長桿11兩端的豎向位移差引起的橫向轉角值是我們所需要的值。為了減少長桿自身的彎曲變形，我們采用了質量輕、剛度大的碳纖維復合材料(例如聚甲醛-鐵氟龍(POM+PTFE)混合型復合材料)來制造長桿11、短桿12和連接桿13。

電路方面，第一力平衡加速度計2設置于短桿12遠離固定座14的一端，用于檢測所在位置的縱向振動加速度輸出第一模擬檢測信號。

第二力平衡加速度計3設置于長桿11上，用于檢測橫向角加速度和縱向振動加速度輸出第二模擬檢測信號。

具體地，第一力平衡加速度計2和第二力平衡加速度計3可以采用為MEMS力平衡加速度計，例如，基于SCA103T芯片構建的電路。MEMS力平衡加速度計是一種即可感應水平向振動加速度也可感應角加速度的傳感器，對其角加速度值進行反正切變換可得布置位置的橫向轉角值。相比傳統(tǒng)的機械式伺服式傾角儀，MEMS高精度的力平衡加速度計采用的是電子式伺服擺體，同時增加了溫度補償電路，具有體積小、溫漂小、量程大等優(yōu)點。由于MEMS高精度的力平衡加速度計的量程比較大，由安裝所帶來的初始轉角值遠小于量程，因此不需要手工精確調零。

數據采集傳輸裝置4與第一力平衡加速度計2和第二加速度計3連接，用于將所述第一模擬檢測信號和第二模擬檢測信號分別轉換為第一數字檢測信號和第二數字檢測信號并向數據處理裝置5傳輸。具體地，數據采集傳輸裝置4可以包括模數轉換模塊41、無線傳輸模塊42和控制模塊43。

模數轉換模塊41用于將所述第一模擬檢測信號和第二模擬檢測信號分別轉換為第一數字檢測信號和第二數字檢測信號。優(yōu)選地，模數轉換模塊41可以以AD7606芯片為核心，配套外圍電路構成。

無線傳輸模塊42用于以無線方式向所述數據處理裝置發(fā)送所述第一數字檢測信號和第二數字檢測信號。無線傳輸模塊42可以基于已有的各種無線通信接口與數據處理裝置進行通信。優(yōu)選地，無線傳輸模塊420采用由CC2530芯片為核心而構成的DRF2617A-ZigBee無線模塊來實現。應理解，無線傳輸模塊42也可以采用基于其他通信協議的模塊實現。

控制模塊43用于控制模數轉換模塊41和所述無線傳輸模塊42。優(yōu)選地，控制模塊43以MSP430芯片為核心，配套外圍電阻和電容構成。

優(yōu)選地，所述數據采集傳輸裝置4與第一、第二力平衡式加速度計可以通過電池供電，由此，可以進一步方便安裝。在此前提下，系統(tǒng)包括電池6和電源管理模塊7。電源管理模塊7與電池6連接，用于管理電池6的充電放電操作，并且可以為數據采集傳輸裝置4與第一、第二力平衡式加速度計提供穩(wěn)定的電壓或電流。

數據處理裝置5與數據采集傳輸裝置4通信連接，用于根據第二數字檢測信號和第一數字檢測信號的差值輸出表征橫向轉角的檢測信號。

如上所述，安裝在短桿上的第一力平衡加速度計2只感應梁體的縱向振動加速度，而安裝在長桿上的第二力平衡加速度計3既可以感應梁體的縱向振動加速度，也可以感應梁體的橫向角加速度。因此，將兩個力平衡加速度計的輸出相減(也即第二數字檢測信號減去第一數字檢測信號)就可以去除縱向振動加速度的影響，獲取橫向角加速度參數。具體地，所述數據處理裝置通過對第二數字檢測信號和第一數字檢測信號的差值進行反正切變換計算獲得表征橫向轉角的檢測信號。進而，基于表征橫向轉角的檢測信號，數據處理裝置5可以方便地計算撓度等參數。

優(yōu)選地，所述數據處理裝置5還用于根據所述長桿的長度和所述表征橫向轉角的檢測信號計算長桿的絕對撓度差值，根據多個不同位置的絕對撓度差值計算梁體的絕對豎向撓度值。

本實用新型通過設置雙桿式安裝架，兩端固定安裝架的長桿，同時將安裝架的短桿通過連接桿活動連接到長桿的一端，并且僅固定短桿靠近連接的一端。同時，在安裝架的短桿和長桿上分別設置對應的第一和第二力平衡加速度計。由于短桿只有一端固定在梁體上，安裝在短桿上的力平衡加速度計只感應梁體的縱向振動加速度，而由于長桿的兩端都與梁體固定，安裝在長桿上的力平衡加速度計既可以感應梁體的縱向振動加速度，也可以感應梁體的橫向角加速度。因此，將兩個力平衡加速度計的輸出相減既可以去除縱向振動加速度，由此，可以方便的獲取橫向轉角參數?；跈M向轉角參數，可以方便地計算撓度等參數。因此，此過程不再依據積分擬合法來計算撓度，與橋梁結構無關，可監(jiān)測任何類型的橋梁的豎向動撓度和橫向動轉角。同時可以有效消除橋梁梁體的縱向振動對測試結果的影響。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，并不用于限制本實用新型，對于本領域技術人員而言，本實用新型可以有各種改動和變化。凡在本實用新型的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。