[实用新型]工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪

说明书

技术领域

本实用新型属于桥梁结构健康监测技术领域，具体涉及一种工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪。

背景技术

桥梁结构的几何变位是反映桥梁体系受力状态的重要参量。其中基础不均匀沉降会引起主梁边界条件的显著变化，进而导致主梁产生附加内力及偏离原来的合理线形，对桥梁的安全性和使用性都造成不利影响；主梁线形是基础沉降、锚索张力(斜拉桥、悬索桥体系)和自身刚度退化多因素共同作用的结果，是反映桥梁健康状态的一个综合性指标，同时主梁线形还与路面平顺性密切相关，影响桥梁的使用性能。因此，基础不均匀沉降监测和主梁线形监测是许多桥梁健康监测系统的重要内容。

目前适用于结构位移长期监测(包括基础不均匀沉降监测和主梁线形监测)的方法有GPS、全站仪和静力水准仪等。GPS监测的优点是可以获得实时的站点位置三维空间坐标，监测结果基本不受恶劣天气的影响；其缺点有精度尚待进一步提高、设备昂贵以及对遮蔽物要求严格不适合用于基础沉降的监测等。利用全站仪监测结构位移只需要在结构测点上安装反射棱镜，全站仪逐一扫描各个反射棱镜的位置并记录棱镜中心的三维坐标，全部测量过程可以通过设定的机载程序驱动全站仪马达自动完成。该方法的优点是只要通视条件满足一部全站仪可以测量任意多位置的三维坐标，其缺点是测量结果的实时性和同步性差，且严重受天气条件的制约。静力水准仪是基于连通器原理监测结构在竖直方向上的相对位移，虽然监测信息远不及GPS监测信息丰富，但是所获信息已能够满足监测目的的要求。综合比较，静力水准仪因精度高、造价低、对安装位置和环境要求低、实时采集数据等优点，获得桥梁工程师的青睐，成为应用最广的结构位移监测手段。

然而，传统的静力水准仪存在长期稳定性差、难于组建传感网络、远距离传输信号衰减严重等局限性。不能满足对结构位移长期监测的要求。因此，能够长期可靠地监测结构位移的新型静力水准仪成为健康监测领域追求的目标。近期飞速发展的光纤光栅传感技术为实现上述目标提供了良好的技术手段。作为敏感元件光纤光栅具有高精度、耐腐蚀、抗电磁干扰、集“传”与“感”于一体，易于构成传感网络等独特优点。在此基础上进行光纤光栅静力水准仪的开发将具有重大的工程意义，并具有广阔的应用前景。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、温度自补偿、耐久性与灵敏度高、布设方便的工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪。

本实用新型提出的工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪，由刚性横梁1、连通管2、容器3、光纤光栅温度补偿传感器4、光纤光栅应变传感器5、传感器固定框6及连接梁7组成，刚性横梁1通过钢绞线悬吊于结构物的底部，连通管2在刚性横梁1左右各1根，两根连通管2通过刚性横梁1连接，容器3顶板上开有两个圆形孔，两根连通管2分别穿过圆形孔延伸至容器3内部，连通管2管口与容器3底壁间留有一定距离；刚性横梁1和传感器固定框6通过钢绞线连接，光纤光栅温度补偿传感器4一端固定于传感器固定框6的侧壁上、另一端自由不受约束；传感器固定框6下方连接有光纤光栅应变传感器5；光纤光栅应变传感器5底部通过连接梁7与容器3顶板连接，且光纤光栅温度补偿传感器4、光纤光栅应变传感器5及容器3三者的重心在同一铅直线上。

本实用新型中，相邻的静力水准仪通过连通管2连接构成连通器，当结构变形导致水准仪测点的相对位置发生变化时，相互连通的静力水准仪的容器内液面仍会保持在相同的水平高度。因此，测点之间的相对位移可以用静力水准仪容器中液体深度的差值来度量。上述是所有静力水准仪的基本工作原理，各种类型静力水准仪的区别在于如何测量容器中液体深度，区分水准仪性能优劣的关键也在于此。

本实用新型采用称重方法测量液体深度，这种方法最简单，同时也最准确，但是需要克服两个困难才能达到精确测量容器中液体深度的目的：①必须始终保持静力水准仪处于铅直方向；②必须排除连通管对重力测量的影响。正是因为这两个困难，水准仪家族中一直没有基于称重方法的产品出现。本实用新型采用了如下的设计克服前述困难：①连通管及其固定装置位于称重传感器之上，其重力由结构物承担，不干扰对容器和容器中液体重力的测量；②刚性横梁与结构及称重传感器之间都采用钢绞线连接，采用柔性约束保证悬吊的对称结构处于铅直方向。