一种光电式桥梁挠度仪校准装置的制作方法

本实用新型属于桥梁检测技术领域，具体地说，尤其涉及一种光电式桥梁挠度仪校准装置。

背景技术：

随着中国经济的飞速发展，交通运输出现了重载、高速、大流量的现代运输结构发展趋势，公路运输在整个运输体系中占有的比例越来越大。桥梁是道路的咽喉，因此，公路运输对现有桥梁(即旧桥)和新建桥梁的结构性能与使用质量提出了更高的要求。为检验新建桥梁的质量，确保在役桥梁结构的使用安全，桥梁现场的荷载试验及健康监测是必不可少的工作。

桥梁荷载试验分静载试验和动载试验两种。静载试验是根据需要观测桥梁结构的反力、应变、位移、转角、裂缝等物理量。动载试验是需观测桥梁的固有动力特性及在实际动载作用下桥梁结构各控制部位的动力响应，包括振幅、频率、阻尼、动态应变或动态挠度(冲击系数)等。静载试验中的位移观测主要指观测桥梁的挠度。动载试验中的冲击系数是反映车辆荷载对桥梁结构动力影响的综合指标。根据冲击系数定义(动挠度与相应荷载作用下的静挠度的比值称为活荷载的冲击系数)，可以通过实测的挠度进行计算。

桥梁挠度对于桥梁结构而言是一个非常重要的参数，其直接反映桥梁结构的竖向整体刚度，是桥梁结构性能的重要指标。桥梁挠度与桥梁的承载能力及抵御地震等动荷载的能力有密切关系。中华人民共和国行业推荐标准JTG/T J21-2011 《公路桥梁承载能力检测评定规程》对承载能力中挠度的指标有明确的要求，把挠度作为桥梁承载能力评定的重要内容之一。因此，桥梁挠度检测业务是各检测机构中一种不可或缺的检测项目和基本能力。

目前主要采用光电式桥梁挠度仪进行挠度观测，应用于施工质量控制、旧桥质量评估、特殊载荷试验、桥梁健康监测等。随着光电式桥梁挠度仪应用日益广泛，催生了大量的生产厂家，各种挠度检测仪应运而生。但是，目前对光电式桥梁挠度仪没有合适的校准装置，计量部门无法对专用仪器设备进行真正有效的全面计量。

技术实现要素：

为解决以上问题，本实用新型提供了一种光电式桥梁挠度仪校准装置，用以实现光电式桥梁挠度仪的静挠度和动挠度校准。

根据本实用新型的一个实施例，提供了一种光电式桥梁挠度仪校准装置，包括：

测量主机，基于设定基准数据与待校准挠度仪的测量数据计算待校准挠度仪的校准数据；

移动模块，与所述测量主机连接，基于所述测量主机处理基准数据得到的控制信号垂直水平面移动以让待校准挠度仪进行挠度测量；

自动调平模块，其上设置所述移动模块并与所述测量主机连接，由所述测量主机控制以实现自动调平。

根据本实用新型的一个实施例，所述自动调平模块包括：

底座；

水平检测器件，设置于所述底座上，与所述测量主机连接，用于检测所述底座的水平状态并将检测的水平状态数据发送给所述测量主机；

调平支座，设置于所述底座的下底面，与所述测量主机连接，基于所述测量主机处理水平状态数据得到的控制信号移动，以使得所述底座处于水平状态。

根据本实用新型的一个实施例，所述自动调平模块设置有3个呈三角形布置的、带有与所述测量主机连接的微调电机的所述调平支座。

根据本实用新型的一个实施例，所述水平检测器件包括三轴陀螺仪和水平传感器。

根据本实用新型的一个实施例，所述移动模块包括：

丝杠，通过机架垂直设置于所述底座上；

滑台，固定于所述丝杠上并跟随所述丝杠垂直移动；

伺服电机，固定于机架上，并与所述测量主机连接，用于驱动所述丝杠运动。

根据本实用新型的一个实施例，所述移动模块还包括：

两个伺服电机，分别固定于机架上，并分别与所述测量主机连接；

两个单向旋转机构，分别设置于丝杠的两端并固定于机架上，分别与一个伺服电机连接并由伺服电机分别控制以使得丝杠进行单向旋转。

根据本实用新型的一个实施例，所述移动模块还包括固定于所述丝杠上的编码器，用于获取丝杠的转动量。

根据本实用新型的一个实施例，所述测量主机包括：

存储器，用于存储基准数据；

主控制器，基于基准数据输出电机驱动信号，并基于基准数据与待校准挠度仪的测量数据计算待校准挠度仪的校准数据；

电机驱动器，根据主控制器输出的电机驱动信号驱动伺服电机。

根据本实用新型的一个实施例，所述测量主机还包括：

显示器，与所述主控制器连接；

键盘，与所述主控制器连接，用于编辑输入基准数据。

根据本实用新型的一个实施例，该测量主机还包括：

编码器接口，与所述主控制器连接，用于接收编码器的输出数据；

电源，与所述主控制器连接，用于向所述主控制器提供工作电源；

时钟芯片，与所述主控制器连接，用于向所述主控制器提供时钟信号。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型首次提出桥梁动挠度校准装置，为光电式桥梁挠度仪的动挠度校准提供了技术支持。

(2)本实用新型所述光电式桥梁挠度仪校准装置的底座采用三个带微调电机的支座结合三轴陀螺仪进行自动调平，免去了校准前的手动调平环节，提高了工作效率。采用三轴陀螺仪进行底座水平情况的判断提高了精确度，保证滑台移动方向垂直于水平面，保证了校准结果的准确，减少了校准设备的不确定度。

(3)本实用新型采用编码器对滑台移动的位移量进行反馈，相比于光栅尺的方案，减少了其设备在安装过程中所需要的辅助设备，节约了安装成本。

(4)本实用新型可以分别校准静挠度和动挠度，节省了校准时间，提高了校准效率。

(5)本实用新型采用编码器进行反馈，与伺服电机形成闭环控制，提高了滑台移动位置的精确度，保证了校准结果的准确。

(6)本实用新型提出的校准方法将动挠度的校准从桥梁现场移到实验室内进行，降低了对校准环境的依赖，减少了校准成本，提高了校准速度，校准结果可行度更高。

(7)本实用新型能够满足大量的光电式桥梁挠度仪生产厂商的校准需求和计量部门的计量需求，能够满足桥梁基础设施建设的需要，将产生大量的经济效益。

(8)本实用新型所述光电式桥梁挠度仪校准装置的移动模块采用双电机结合双单向旋转机构的结构，配合处理过的动挠度曲线，可以突破电机丝杠硬件局限性，实现动挠度曲线复现。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本实用新型的一个实施例的光电式桥梁挠度仪校准装置结构示意图；

图2是根据本实用新型的一个实施例的测量主机结构示意图；

图3是根据本实用新型的一个实施例的光电式桥梁挠度仪校准装置使用流程。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)的要求，光电式桥梁挠度仪的校准主要包括静挠度示值校准、动挠度示值校准等。现有技术方案如下：

1)静挠度示值的校准

采用光栅位移测量系统进行，光栅位移测量系统由升降和平移丝杠、光栅尺和步进电机组成。步进电机可驱动位移台做水平和升降移动，移动的距离可通过光栅尺进行测量。

在测量时，位移台按测量范围均匀移动10个距离，采用光栅尺输出的位移量作为挠度标准值，启动光电式桥梁挠度仪测量各位置的实测挠度值。取10个位置中示值误差最大值作为挠度示值误差。

2)暂无动挠度示值的校准方法。

由以上现有技术方案可知，其存在的缺陷如下：

1)采用步进电机进行位移控制形成开环系统存在技术缺陷，即控制器输出的移动距离和位移台实际移动的距离无法保证一致。

2)光栅尺在进行移动距离测量时，对光栅尺主尺和移动方向的平行度要求极高，导致装置在实际安装过程中存在困难，采买辅助装置的经费投入过多，整体成本过高。

3)现有技术未考虑到光电式桥梁挠度仪校准装置的水平情况，若光电式桥梁挠度仪校准装置的位移台移动方向未垂直于地面，则误差较大，无法进行校准工作。

4)目前的技术手段只能对静挠度进行校准，还无法对动挠度进行校准。

因此，本实用新型提供了一种光电式桥梁挠度仪校准装置，包括测量主机1、移动模块和自动调平模块，如图1所示。其中，测量主机基于基准数据与待校准挠度仪的测量数据计算待校准挠度仪的校准数据；移动模块与测量主机连接，基于测量主机处理基准数据得到的控制信号垂直水平面移动以让待校准挠度仪进行挠度测量；自动调平模块，其上设置移动模块，并与测量主机连接，由测量主机控制实现自动调平。移动模块及自动调平模块与测量主机的连接关系如图1中粗线5(即数据线)所示。

在本实用新型中，通过设置自动调平模块，能够保证设置于其上的移动模块垂直移动的方向垂直于地面，保证待校准挠度仪测量的准确度。移动模块基于基准数据垂直移动，此处的基准数据为测量模块输出的位移量数据，移动模块基于该位移量数据沿垂直地面方向移动。本实用新型提出的校准方法将动挠度的校准从桥梁现场移到实验室内进行，降低了对校准环境的依赖，减少了校准成本，提高了校准速度，校准结果可行度更高。本实用新型还能够满足大量的光电式桥梁挠度仪生产厂商的校准需求和计量部门的计量需求，能够满足桥梁基础设施建设的需要，将产生大量的经济效益。

测量主机内置的基准数据包括静态挠度校准所需的位移量信息和动态挠度校准所需的动挠度曲线，该信息可通过由测量主机控制进行增减，以保证能够覆盖不同形式的光电式桥梁挠度仪校准时所需的静挠度值和动挠度曲线。并且，内置的位移量信息和动挠度曲线不需要通过烧写固化的方式存入，而是可以直接拷贝存入。因此，本实用新型可以校准静挠度和动挠度，节省了校准时间，提高了校准效率。

在本实用新型的一个实施例中，该自动调平模块包括底座7及设置于底座下底面的调平支座和设置于底座上的水平检测器件8，如图1所示。其中，移动模块固定于底座7上，调平支座与水平检测器件分别与测量主机连接，水平检测器件检测底座的水平状态并将水平状态数据输出给测量主机，测量主机基于水平状态数据调整调平支座以使得底座处于水平状态，即与地面保持水平。

在本实用新型的一个实施例中，平衡检测器件可以采用三轴陀螺仪或水平传感器代替，当然也可以采用其他水平检测器件，本实用新型以三轴陀螺仪进行说明。在本实用新型的一个实施例中，底座下底面设置有三个带有微调电机的调节支座，并呈三角形布置，如图1中的7-1、7-2、7-3所示。

在本实用新型的一个实施例中，自动调平模块设置有3个呈三角形布置的、带有与测量主机连接的微调电机的调平支座。底座采用三个带微调电机的支座结合三轴陀螺仪进行自动调平，其中一个支座在装置底座的一侧中点，另外两个支座在装置底座另一侧的两端，形成的三角结构不仅稳定也适用于自动调平算法。

该自动调平模块上的水平检测器件、调平支座和底座，结合测量模块工作。三轴陀螺仪安装在底座上平面(如该底座为一内部中空的箱体，则可将三轴陀螺仪安装在底座内部)，带微调电机的支座安装在底座下底面且支座呈三角形布置。工作时，三轴陀螺仪读取底座水平情况，并输出到测量主机中，测量主机解析出各个轴向的偏移角度，并进行计算，变换为3个微调电机的转动量，使得3个支座移动，调整底座达到水平，使得丝杠垂直于水平面，保证滑台的移动方向垂直于水平面。

在本实用新型中，底座采用三个带微调电机的支座结合三轴陀螺仪进行自动调平，免去了校准前的手动调平环节，提高了工作效率。采用三轴陀螺仪进行底座水平情况的判断提高了精确度，保证滑台移动方向垂直于水平面，保证了校准结果的准确，减少了校准设备的不确定度。

在本实用新型的一个实施例中，该移动模块包括通过机架31设置于底座上的丝杠3、固定于丝杠上并能跟随丝杠运动的滑台2以及固定于机架上与测量主机连接、用于驱动丝杠运动的伺服电机。具体的，通过伺服电机驱动丝杠垂直地面并带动滑台上下移动，。此处的滑台用来代替桥梁，通过观测滑台的上下移动来模拟测量桥梁的挠度。

在本实用新型的一个实施例中，该移动模块还包括两个伺服电机和两个单向旋转机构。其中，两个伺服电机分别固定于机架上，并分别与测量主机连接；两个单向旋转机构分别设置于丝杠的两端并固定于机架上，分别与一个伺服电机连接并由伺服电机分别控制以使得丝杠进行单向旋转。这样，有利于伺服电机控制丝杠垂直水平面移动，并且两个方向不受干扰。并且，采用双电机结合双单向旋转机构的结构，配合处理过的动挠度曲线，可以突破电机丝杠硬件局限性，实现动挠度曲线复现。

具体的，如图2所示，伺服电机6负责滑台向上升，伺服电机9负责滑台向下降，即每个伺服电机只单向旋转。单向旋转机构11和单向旋转机构10联合工作使得伺服电机6和伺服电机9之间的旋转互不干扰，其工作形式为：当伺服电机6运动时，单向旋转机构11将运动从伺服电机6传递到丝杆上，从而带动滑台向上移动，而单向旋转机构10则使得伺服电机9打滑，不随丝杠运动；当伺服电机9运动时，单向旋转机构10将运动从伺服电机9传递到丝杆上，从而带动滑台向下移动，而单向旋转机构11则使得伺服电机6打滑，不随丝杠运动。

在本实用新型的一个实施例中，该移动模块还包括固定于丝杠上的编码器4，用于测量丝杠的转动数据。如图2所示，测量主机驱动伺服电机控制滑台在丝杠上按照相应的位移量或曲线移动，通过编码器接口读取编码器返回的数值，和伺服电机形成闭环控制，实时修正伺服电机的转动量，以保证滑台移动的距离和主控制器输出的值相同。采用闭环控制系统，使得滑台的移动位置可知可控。使用伺服电机带动丝杆转动，从而带动滑台移动，并在丝杠另一端安装编码器，通过编码器采集到滑台的实际位移量，并反馈给控制器，实时对伺服电机的转动进行控制，保证滑台的位移量和控制器输出给伺服电机的位移量保持动态一致。采用编码器对滑台的位移量进行监测。由于编码器具有很高的精度，且安装简单，在装置安装生产过程中的经济投入较小，维护成本低。并且，本实用新型采用编码器对滑台移动的位移量进行反馈，相比于光栅尺的方案，减少了其设备在安装过程中所需要的辅助设备，节约了安装成本。本实用新型采用编码器进行反馈，与伺服电机形成闭环控制，提高了滑台移动位置的精确度，保证了校准结果的准确。

在本实用新型的一个实施例中，该测量主机包括存储器、主控制器和电机驱动器。其中，存储器用于存储基准数据；主控制器基于基准数据输出电机驱动信号，并基于基准数据与待校准挠度仪的测量数据计算待校准挠度仪的校准数据；电机驱动器根据主控制器输出的电机驱动信号驱动伺服电机。具体的，如图1和 2所示，其中，1-1为控制器，1-2为按键，1-3为显示器，1-4为开关等。存储器中内置的基准数据包括静态挠度校准所需的位移量信息和动挠度曲线，该信息可通过存储器进行增减，以保证能够覆盖不同型号的光电式桥梁挠度仪校准时所需的静挠度值和动挠度曲线。其中动挠度曲线是实测动挠度曲线集经过数据处理后提取的曲线，便于光电式桥梁挠度仪校准装置复现。

具体的，测量主机可将动挠度曲线自动分解为滑台移动速度、移动时间和移动距离信息，再转换为伺服电机转动速度、转动时间和转动角度信息，以驱动伺服电机转动。测量主机通过电机驱动器驱动伺服电机控制滑台在丝杠上按照相应的位移量或曲线移动，通过编码器接口读取编码器返回的数值和伺服电机形成闭环控制，实时修正伺服电机的转动量，以保证滑台移动的距离和主控制器输出的值相同。此处的校准装置复现的动挠度曲线是实测动挠度曲线经过数据处理后提取的曲线，以满足伺服电机的运行需求。

在本实用新型的一个实施例中，该测量主机还包括与主控制器连接的显示器和键盘，其中，键盘可用于进行功能选择，也可用于编辑输入静挠度位移量和动挠度曲线。显示器可显示功能选择界面、实时显示输出静挠度位移量或动挠度曲线的值和图像、显示静挠度位移量和动挠度曲线的编辑过程等。

在本实用新型的一个实施例中，该测量主机还包括编码器接口、电源和时钟芯片。其中，编码器接口与主控制器连接，用于接收编码器的输出数据；电源与主控制器连接，用于向所述主控制器提供工作电源；时钟芯片与主控制器连接，用于向主控制器提供时钟信号。

本实用新型的校准装置测量基本原理步骤包括：基于基准数据垂直移动用于模拟桥梁的移动模块，同时待校准挠度仪对移动模块进行挠度测量；基于基准数据与待校准挠度仪的测量数据计算待校准挠度仪的校准数据，并根基所述校准数据对待校准挠度仪进行校准，其中，基准数据包括：用于进行静挠度校准的位移量信号和用于进行动挠度校准的动挠度曲线。采用以上装置进行光电式桥梁挠度仪校准的实现过程如图3所示，具体包括以下步骤：

(1)将光电式桥梁挠度仪镜头正对校准装置的滑台标识。

(2)启动校准装置，其开机自检后进行自动调平，使得滑台位置归零(设置为丝杠中点位置)。

(3)进行静挠度、动挠度校准选择。

(4)进行模式选择，模式选择分为内置位移量(或内置动挠度曲线)和手动输入位移量(或手动输入动挠度曲线)。

(5)启动光电式桥梁挠度仪，启动挠度测量。

(6)校准装置滑台根据选择的位移量或动挠度曲线开始移动，光电式桥梁挠度仪实时测量滑台的移动情况。滑台停止移动后，停止光电式桥梁挠度仪的挠度测量。

(7)选择是否继续测量，若继续测量则重复上述(3)～(6)，若不继续则选择是否返回动\静挠度校准，若返回则重复上述(4)～(6)，若不返回则直接退出测量。

(8)退出测量时滑台位置归零。

(9)关闭光电式桥梁挠度仪。

通过以上步骤(1)-(9)可以得到待测光电式桥梁挠度仪的校准数据，并基于该校准数据对待测光电式桥梁挠度仪进行校准。

虽然本实用新型所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。