一种采用光纤光源的桥梁挠度测量方法与流程

本发明涉及桥梁挠度检测技术领域，尤其涉及一种采用光纤光源的桥梁挠度测量方法。

背景技术：

桥梁是交通系统中的重要组成部分，其结构安全关系着社会经济发展和人民人身安全。其中桥梁的挠度数据对于桥梁结构的健康评估起着重要作用，通过挠度数据可以直观地反映桥梁在温湿度、荷载、风力等外力作用下的形变情况，对桥梁的承载能力、应力损失等方面也起着标尺作用，对桥梁的维修工作也有着指导作用[1]。

目前比较常用的测量桥梁挠度的方法有以下几种：(1)全站仪法[2]：此法利用三角高程测量原理，在桥梁待测位置放置棱镜，通过测量桥梁在加载前后棱镜和全站仪之间的高度角的变化来计算挠度值，这种方法需要使用价格高昂的全站仪，且反射棱镜与接收端距离较远时，光斑尺寸较大，无法保证挠度的测量范围和精度；(2)倾角仪法[3]：此法是在桥梁底部各个部位布置倾角仪，当桥梁发生形变时通过各个部位采集到的倾角数据构建整座桥梁的倾角变化曲线，从而得到桥梁的挠度变化曲线，这种方法需要在桥上布置多个高精度倾角仪，当桥梁倾角较小时较难得到结果；(3)连通管道法[4]：此法选择桥梁两边桥墩为测量基准点，默认基准点高度不随桥梁挠度变化而变化，然后在两个基准点之间每隔一定距离铺设管道，通过测量液面高低的变化得到桥梁挠度数值，这种方法只能测量桥梁的静挠度，无法测量桥梁动挠度；另外，需要做长期监测时，连通管中的液体很难保证没有减少；(4)百分表法[5]：此法利用齿轮转动将桥梁的位移信号进行放大，同时将垂直方向上的位移变化转变为指针的角度旋转，以此来测量桥梁挠度，这种方法通常需要人工读数，另外，在很多场景无法通过支架安装测量仪器；(5)gps定位法：此法是将多部gps定位器安装在桥梁各个部位上，再设置一部gps定位器在固定基点上作为参考坐标，根据gps接收器接收到的卫星定位信息建立桥梁的三维坐标，求其挠度变化，这种方法存在精度有限、响应时间较慢、成本较高等问题。

随着图像检测和处理技术的进步，近年来不断有采用光电图像法检测桥梁挠度的报导[6]。这种方法实施时通常在桥梁底部安装半导体发射光源，在桥墩或地面用图像传感器检测发射点光斑的移动；也可以将发射光安装在桥墩或地面，在桥梁底部安装反射镜或可显示光斑的靶面，检测反射回来或在靶面上的光斑移动。

由于图像传感器的光敏面积通常只有厘米量级，当桥梁底部挠度监测点与图像接收器距离较远时，从反射镜反射回来或投射在靶面上的光斑尺寸会变得很大，难以满足挠度测量范围和精度的要求。另一方面，直接从半导体激光器发射的光束，其光斑在横向的分布易受激光器工作状态的影响而发生变化，例如，激光器横向振荡模式的变化、以及激光器环境温度或工作温升都有可能造成激光器与透镜准直系统相对位移，导致图像传感器接收到的光斑位置移动，造成测量误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种采用光纤光源的桥梁挠度测量方法，操作方便，测量结果精准，可为构建桥梁远距离多点挠度实时在线监测提供条件。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用光纤光源的桥梁挠度测量系统，包括单模光纤光源发射装置、光反射部件和光斑图像接收端，所述光反射部件安装于桥梁底部的被测点，所述单模光纤光源发射装置和光斑图像接收端安装于桥梁下方的地面处或桥墩上，其中，所述单模光纤光源发射装置用于发射激光并经光反射部件反射后最后经光斑图像接收端接收。

所述单模光纤光源发射装置包括依次设置的激光器、单模光纤和准直透镜，所述单模光纤的输入端连接激光器的输出端，单模光纤的输出端对应准直透镜的正中心，单模光纤的工作波长与激光器的波长匹配，以使光波在单模光纤中以基模传输。

所述激光器采用半导体激光器、固体激光器、气体激光器或光纤激光器。

在一技术方案中，所述光反射部件采用平面反射镜，所述单模光纤光源发射装置位于平面反射镜下方地面的一侧，光斑图像接收端位于平面反射镜下方地面的另一侧。

在另一技术方案中，所述光反射部件采用直角反射镜，所述单模光纤光源发射装置和光斑图像接收端同侧设置安装于桥墩上。

采用上述一种采用光纤光源的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度的方法，设定单模光纤光源发射装置向光反射部件发射的光束与地平面夹角为α，贴在桥梁底部的光反射部件在竖直方向位移为h，则经光反射部件反射后，光束中心点在与反射光传输方向垂直的平面上位移为d，d与h的关系式为：

由上式即可计算出h值，即桥梁挠度值。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明采用单模光纤光源发射装置作为桥梁动、静态挠度光电检测系统的光源，测量结果准确，彻底解决采用半导体或其它类型激光器作为发射光源可能存在的光斑尺寸和稳定性不佳的问题。同时，单模光纤引线可以很长，单模光纤发射端无需供电，可以通过光分路器将光信号分成多路同时发射，因此本发明可以为构建桥梁远距离多点挠度实时在线监测提供条件。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为单模光纤光源发射装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

根据光纤发射和接收端安装位置的不同有以下两种方案。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1包括单模光纤光源发射装置、光反射部件和光斑图像接收端；

所述光反射部件采用平面反射镜，所述平面反射镜安装于桥梁底部的被测点(通常选择在桥梁挠度最大的跨中位置)，所述单模光纤光源发射装置固定在平面反射镜下方地面的一侧，调整单模光纤光源发射装置的发射角度，使单模光纤光源发射装置发出的激光经过平面反射镜发射到另一侧地面，再在光束所在位置安装光斑图像接收端。

如图3所示，所述单模光纤光源发射装置包括依次设置的激光器、单模光纤和准直透镜，所述单模光纤的输入端连接激光器的输出端，单模光纤的输出端对应准直透镜的正中心，单模光纤的工作波长与激光器的波长匹配，以使光波在单模光纤中以基模传输。

本发明中，根据激光器的波长，选择合适的单模光纤使工作波长下光波在单模光纤中基模传输，这样光波从光纤端面出射时横向场分布近似为高斯函数；经调节单模光纤的端面到准直透镜的距离，可以使光束在光斑图像接收面尺寸最小。

所述激光器可采用半导体激光器、固体激光器、气体激光器或光纤激光器。

实施例2

对于在地面不易安装光源发射与接收端的应用场景，可采用如下技术方案：

如图2所示，本发明实施例2包括单模光纤光源发射装置、光反射部件和光斑图像接收端；

所述单模光纤光源发射装置和实施例1相同，所述光反射部件采用直角反射镜，所述直角反射镜安装于桥梁底部的被测点(通常选择在桥梁挠度最大的跨中位置)，所述单模光纤光源发射装置和光斑图像接收端同侧设置安装于桥墩上，以使入射光束原方向返回。

采用本发明实施例1和实施例2测量桥梁挠度的方法如下：

设定单模光纤光源发射装置向光反射部件发射的光束与地平面夹角为α，贴在桥梁底部的光反射部件在竖直方向位移为h，则经光反射部件反射后，光束中心点在与反射光传输方向垂直的平面上位移为d，d与h的关系式为：

由上式即可计算出h值，即桥梁挠度值。