用于快速评估建筑物结构的地震响应的基于光学的层间漂移计系统的制作方法

本申请根据35u.s.c.§119(e)要求于2015年7月10日提交的标题为“anoptically-basedinterstorydriftmetersystemforrapidassessmentoftheearthquakeresponseofbuildingstructures”的美国临时专利申请第62/190,902号的优先权和权益，其内容通过引用整体并入本文中用于所有目的。

对在联邦政府赞助的研究和开发下完成的申请的权利的声明

根据美国能源部与劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司(lawrencelivermorenationalsecurity，llc)之间关于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(lawrencelivermorenationallaboratory)的工作的合同第de-ac52-07na27344号，美国政府享有本申请的权利。

背景技术：

努力的领域

本申请涉及建筑物结构的地震响应的评估，并且更具体地涉及用于快速评估建筑物结构的地震响应的基于光学的层间漂移计系统。

技术的陈述

本部分提供了与本公开内容相关的背景信息，其不一定是现有技术。

在发生大地震之后，立即有用于开发建筑物被震动的程度的快速评估和用于确定建筑物是否已经发生了严重损坏的强烈动机。鉴于建筑物的外部视觉观察不能可靠地指示在地震震动的持续时间期间建筑物的结构系统是否有严重损坏，因此这尤其重要。除了与人身安全风险有关的不确定因素之外，无法快速评估建筑物的完整性可能对及时重新占用和恢复功能操作具有大的影响。

在城市环境中，在大地震中理论上成千上万的建筑物可能被震动，对于了解大量建筑物是否存在居住者安全风险有着直接和巨大的需求。用于工程检查的典型过程是耗时的，并且受到大地震后缺乏足够数量的合格结构工程师可用的限制——在1989年加利福尼亚的洛马普列塔(lomaprieta)地震中吸取的教训。可以立即有效地产生建筑物的完整性数据的系统对于在密集建设的城市环境中通知适当的震后行为会特别有用。

作为基本响应测量的层间漂移

在地震期间建筑物响应的基本测量是建筑物层间漂移，其被计算为建筑物的两个相邻楼层之间的相对位移。图1a、图1b和图1c提供了“层间漂移”的图示。图1a示出了总体上由附图标记100表示的“层间漂移”。位于地面106上的多层建筑物102在地震中经历移动，导致建筑物从竖直位置移位，如图1a所示。图1b示出了建筑物102的两个相邻楼层104。图1c示出了层间漂移率(idr)。层间漂移率“γ”被定义为两个连续楼层之间的相对平移位移“δ”除以层高“h”(γ＝δ/η)。

层间漂移是建筑物系统上的变形和应力需求的量度，并且表示许多抗震设计规范中的基本设计变量。关于典型钢架建筑物的建筑物响应的构思定义，其中层间漂移率与建筑物损坏水平相关，例如可以包括：

屈服点(yieldpoint)＝结构构件非弹性作用开始处的层间漂移率的幅度；

塑性铰(hinge)形成＝结构构件形成完整塑性铰(贯穿整个构件截面产生的材料)处的层间漂移率的幅度；

极限力矩能力＝达到构件的极限载荷承载能力处的层间漂移率的幅度。

在地震之后的层间漂移值的测量和读出允许与由认知结构工程师建立的代表所考虑的建筑物的不同损坏水平的设计规范或建筑物漂移指数进行比较。

用强运动加速度计间接测量层间漂移

传统建筑物地震仪器基于强运动加速度计，其测量加速度计物理位置处的绝对加速度时间历史。现有的地震仪器系统通常利用分布在建筑物整个高度的相对稀疏的加速度计阵列。这样的系统提供了一些关于建筑物被震动的程度的了解，但是它并没有提供关于建筑物中变形(例如层间漂移)和相关应力的直接的、详细的信息。由于建筑物位移和相关变形是主要关注的，所以加速度计数据必须通过双重数值积分进行后处理，以最终估计层间漂移。这样的处理非常具有挑战性，并且具有相关的误差。另外，加速度计是具有频率带宽限制的动态系统，并且不能准确地再现与建筑物系统的非弹性行为相关的结构中的永久位移。与强运动加速度计相关的整体挑战和问题记录在d.a.skolnik和j.w.wallace的期刊论文“criticalassessmentofinterstorydriftmeasurements,”americansocietyofcivilengineers,journalofstructuralengineering,2010.136:1574-1584中。

用于直接测量层间漂移的装置/方法

许多研究人员已经提出了用于直接测量建筑物层间漂移的测量方案和相关装置。这些涉及物理接触装置例如具有线性可变位移变换器(lvdt)的测量框架分割间(bay)的摇摆变形的示教线(taughtwire)，以及测量建筑物横向位移的基于光学的技术。

已经探索的一种光学方法是利用入射点可以追踪建筑物的横向位移和建筑物的相应层间漂移的激光器。但是，还没有一种可行的现有传感器能够基于这种测量技术来实现完整的系统设计。现有的商业生产的位置灵敏检测器或装置(psd)是可用于准确测量入射激光束位置的基于光电的传感器，其非常昂贵且在物理尺寸上太有限。在典型的建筑物中，大地震期间必须测量的层间漂移的幅度(可能是多英寸的层间漂移)相对于商业可用psd的尺寸来说只是太大了。

技术实现要素：

根据下面的描述，所公开的设备、系统和方法的特征和优点将变得明显。申请人提供了包括具体实施方式的附图和示例的本说明书，以给出设备、系统和方法的宽泛表示。根据本说明书并且通过设备、系统和方法的实践，在本申请的精神和范围内的各种改变和修改对本领域技术人员而言将变得明显。设备、系统和方法的范围不旨在限于所公开的特定形式，并且本申请覆盖落入由权利要求限定的设备、系统和方法的精神和范围内的所有修改、等同物和替选。

本文描述的发明涉及一种用于直接测量建筑物结构的地震引起的层间漂移的基于光学的层间漂移计系统，以及所述系统的宽频率响应psd，所述系统包括沿预定的测量方向交错的分立光电二极管传感器的交错阵列。该传感器单元被限定为位置敏感检测器阵列(pdsa)。直接的层间漂移测量在构思上是简单的且数据的处理相对于基于加速度计的系统是直接的，并且可以直接与已知的层间漂移损坏指数相比较，所述层间漂移损坏指数量化被监测的建筑物的损坏水平。因此，本发明执行的直接层间漂移测量能够在地震之后立即快速评估和洞察潜在的建筑物损坏和结构状况，而不需要对测量数据进行大量的后处理。与基于加速度计的系统不同，这种基于光学的层间漂移计和建筑物监测系统可以特别有效地测量在地震震动期间由建筑物中的非弹性作用引起的永久层间漂移。

在一个实施方式中，本发明的系统提供了一种模块化系统，其包括可以安装在建筑物的任意两个可接近点之间(例如，具有清晰视线的两个楼层之间)的低能量(例如20mw)衍射激光束源和宽频率响应psda单元，如图2、图3和图4所示。衍射激光束源适合于产生衍射激光束，该衍射激光束在被引导到psda单元的表面上时产生横向于预定的测量方向定向的线性光束轨迹(trace)，即入射的照明线，并且衍射激光束在psda上的入射位置指示在地震期间的任何时刻处的瞬时层间漂移(或无漂移)。而且，本发明的宽频率响应psda具有适合于在宽频率范围内准确地测量建筑物的层间漂移的专用设计，即其适合于在建筑物监测应用所需的频率和位移幅度处测量层间漂移。特别地，psda单元包括沿预定的测量方向以预定的交错图案布置的分立光电二极管传感器的交错阵列。例如，图5示出了每行三个交错二极管，其中两个二极管在测量方向上沿着psda的长度交叠。这种预定的交错布置使得光电二极管阵列能够在距离光束轨迹的初始未移位参考位置的不同距离处检测线性光束轨迹，由此可以通过与触发的一个或多个二极管相关联的距离来确定横向位移。

当以这种方式安装在建筑物结构的两个可接近点之间时，该系统适合于通过测量线性光束轨迹的在测量方向上并且相对于psda的分立二极管传感器的交错阵列的横向位移来直接和准确地测量在地震期间由建筑物经历的瞬时和非弹性层间漂移，以提供具有适合于测量建筑物响应的分辨率和动态响应的这种测量的即时事件后读出/显示。本发明的系统能够准确地测量与建筑物振动响应有关的宽频率范围内的并且在地震的持续时间期间可能经历的瞬态、动态运动，这对于有效应用于频率响应范围从较高频率(较矮建筑物)到较低频率(较高建筑物)的宽频谱范围的建筑物是必要的。特别地，本发明提供了针对从0到10hz(或者如果结构的特定动态需要，则更高)的预期频率范围内的所有移动频率的相对楼层位移测量，而不需要对不能提供针对低频率移动的准确位移测量的加速度计信号进行积分。为了应用建筑物结构的层间漂移测量而特别设计和量身定制的本发明的psda单元已经通过广泛的实验室测试得到证明，以提供合适的频率带宽和幅度水平来实现综合建筑物地震监测系统设计。

此外，因为psda单元可以使用常规的半导体部件和制造方法来制造，所以其可以非常节约成本并且克服现有的商业位置敏感光电传感器的显著的物理尺寸限制和制造成本。因此，本发明的多个系统可以跨多个楼层和建筑物部署，并且可以在建筑物的每个或多个楼层处执行漂移测量，从而消除与现有的基于加速度计的系统的稀疏数据相关的不确定性。

所述设备、系统和方法允许修改和替选形式。通过示例的方式示出了具体的实施方式。应该理解，所述设备、系统和方法不限于所公开的特定形式。所述设备、系统和方法覆盖落入由权利要求所限定的本申请的精神和范围内的所有修改、等同物和替选。

附图说明

并入说明书并构成说明书的一部分的附图示出了设备、系统和方法的具体实施方式，并且与上面给出的一般说明和具体实施方式的详细说明一起用于解释设备、系统和方法的原理。

图1a、图1b和图1c示出了“层间漂移”。

图2、图3和图4示出了本发明的系统的一个实施方式。

图5是图2、图3和图4所示的系统的传感器阵列部分的放大的且更详细的视图。

图6是图5所示的传感器阵列的一部分的放大的且更详细的视图。

图7示出了基于二极管阵列的传感器的示例电路。

图8a和图8b还示出了本发明的系统。

图9示出了本发明的系统的一个实施方式，其中激光器和传感器阵列被定位成直角以测量多方向地震运动的影响。

图10示出了在地震期间多层结构的单个分割间的变形，其包括各个结构元件的变形和旋转。

图11a、图11b和图11c示出了用于校正层间漂移的测量中的局部旋转的系统。

图12是示出验证psda传感器性能的方法的流程图。

图13a、图13b和图13c示出了单个激光束的基于光学的层间漂移计系统的实施方式。

图14示出了收集来自每个楼层上的漂移计系统的数据、分析数据并存储结果的计算机系统。

图15a、图15b、图15c和图15d示出了用于并且即时视觉读出每层楼层水平处的峰层间漂移的数字条。

具体实施方式

参照附图、以下详细描述以及并入的材料，提供了关于设备、系统和方法的详细信息，其包括具体实施方式的描述。详细描述用于解释设备、系统和方法的原理。设备、系统和方法允许修改和替选形式。本申请不限于所公开的特定形式。本申请覆盖落入由权利要求所限定的设备、系统和方法的精神和范围内的所有修改、等同物和替选。

基于光学的层间漂移计系统示例实施方式

再次转向附图，图2、图3和图4示出了本发明的用于测量层间漂移的基于光学的系统的基本配置的示例。图2、图3和图4以最基本的形式示出了发明人的层间漂移计系统(isdms)。isdms总体上由附图标记200表示。isdms200包括以下部件：

结构(楼层)梁-202，

结构(楼层)梁-204，

激光束源-206，

衍射激光束-208，

位置敏感检测器阵列(psda)-210，

电连接器-212，

psda上的中立位置-214，

相对运动移动箭头(图3)-216，

相对运动移动箭头(图4)-218，

经移位的位置(漂移)(图3)-220，以及

经移位的位置(漂移)(图4)-222。

图2、图3和图4示出了发明人的isdms200，其中激光束208被引导到位置敏感检测器阵列204上以用于检测由地震引起的建筑物的移动范围。在图2中，激光束208处于检测器阵列210上的中立位置214。在图3中，激光束208处于检测器阵列210上的经移位的位置220，指示建筑物在一个方向上的移动范围。在图4中，激光束208处于检测器阵列210上的经移位的位置222，指示建筑物在相反方向上的移动范围。

再次参照图2，isdms200以其基本形式安装在相邻楼层梁之间。上楼层梁是结构楼层梁202，我们将其称为多层结构中的第22楼层。紧邻的结构楼层梁204(我们将称为第21楼层)是下楼层梁。上梁202具有安装至梁202的下侧的激光源206。下梁204具有安装在梁204的顶侧上的位置敏感检测器阵列(psda)210。激光源206最初将衍射激光束208投影到psda的标记为中立位置214的中间部分上。psda具有将psda连接至计算机系统(未示出)的电连接器，计算机系统将收集、分析、存储和显示由psda210产生的数据。

图3包括与图2相同的所有部件，并且示出了由于地震引起的层间漂移，衍射激光束208已经在psda210上移动了一些距离。该移动反映了由箭头216指示的梁204的移动。衍射激光束208已经从psda210上的中立位置214移位到psda210上的新位置220。在psda210上的中立位置214与衍射激光束208的新位置220之间的距离将产生可以用于计算层间漂移的数据。

图4包括与图2相同的所有部件，并且示出了衍射激光束208再次在psda210上移动了一些距离(在与图2所示的移动的相反方向上)。该移动反映了由箭头218指示的梁204的移动。衍射激光束208已经从psda210上的中立位置214移位到psda210上的新位置222。在psda210上的中立位置214与衍射激光束208的新位置222之间的距离将产生可以用于计算层间漂移的数据。

现在参照图5，提供了psda的放大的且更详细的视图。以下是psda的部件列表：

印刷电路板-502，

传感器阵列-504，

各个二极管传感器-506，以及

电连接器-212。

图5是位置敏感检测器阵列(psda)的更详细视图。它包括各个传感器506的阵列504。阵列504由以交错配置布置的三行传感器506组成。交错配置将在图6中进行解释并更好地示出。psda还具有带电缆的电连接器212，电缆连接至现场可编程门阵列并最终连接至用于数据记录的计算机系统。

现在参照图6，提供了图5的传感器阵列504的放大局部视图。这里我们看到各个传感器506处于精心设计的交错配置中。交错配置确保了衍射激光束208线将总是穿过传感器506，即使线208可能与一行中的两个传感器之间的空间相交。

现在参照图7，示出了基于光电二极管的传感器的示例电路。

已经识别和描述了发明人的层间漂移计系统200的一个实施方式的结构细节，现在将考虑系统200的操作。特别地，衍射激光束源和包括交错传感器阵列的psda分别被定位和布置在建筑物的两个不同水平处，例如在两个相邻的楼层水平上，使得由衍射激光束源产生的衍射激光束被投影到位置敏感检测器上作为横向于测量方向定向的线性光束轨迹(示出为线性轨迹)(参见例如示出衍射光束的线性轨迹的图2)，其在图2的示例中将平行于结构i梁的纵向轴线。衍射激光束可以例如通过引导激光束穿过光学衍射元件以在psda的位置处产生线性光束轨迹而产生。需要产生衍射光束轨迹即入射线，而不是原始激光束的点入射，以确保当在三维地震引起的震动期间存在正交平面外建筑物位移的叠加时可以准确地测量建筑物框架平面中的层间漂移。该线轨迹也是利用psda传感器中的分立二极管交错阵列的关键，因为其允许衍射光束跨越多个交错二极管。要注意的是，对于一些结构，取决于构成结构构件的结构配置和相对刚度，通常可能需要应用校正来考虑激光器的安装位置处的任何局部光束旋转，但是基于光学的层间漂移测量的基本构思相对简单。

图5、图6和图7示出了本发明的宽频率响应psda的示例实施方式，其包括可以单独感测入射激光的分立光电二极管传感器的交错二维阵列。特别地，光电二极管阵列被示出为形成在具有电子金属迹线的基板上，电子金属迹线将光电二极管连接至输入/输出(i/o)端口以用于数据和显示的板外处理。然而，应当理解的是，处理器和用于存储、数据存储、显示等的其他功能部件可以替选地作为集成单元设置在psda的板上。此外，并且可替选地，这样的功能部件也可以被设置为适当地连接至psda单元(或者psda单元和激光束源)的系统的附加部件。此外，尽管示出了在其上形成有和布置有二极管阵列的基板，但是应当理解的是，可以利用基于其他非基板的结构构造或支撑框架来以相对于彼此交错的方式布置分立的光电二极管。

在任何情况下，交错阵列使得能够增强对入射激光束的精确位置的辨别，从而得到层间漂移的更精确测量。如图6所示，交错的光电二极管可以被布置成在横向于测量方向的方向上部分地交叠，使得线性光束轨迹的入射线在任何给定的时刻照射(strike)多个光电二极管(除了可能在测量方向上阵列的相对端处的第一光电二极管和最后光电二极管之外)，而且还被布置成使得(在测量方向上)前缘和后缘不与其他光电二极管的光电二极管有效区域交叠。通过在每个时刻快速询问整个二极管阵列，可以在建筑物的地震引起的运动期间确定和追踪激光线轨迹的位置。这提供了贯穿地震历史的瞬时层间漂移的直接测量。如发明内容中所讨论的，光电二极管阵列沿着预定的测量方向以预定的交错图案布置。这种交错布置使得光电二极管阵列能够在距光束轨迹的初始未移位参考位置的不同距离处检测线性束轨迹，由此可以通过与触发的一个或多个二极管相关联的距离来确定横向位移。就二极管的行数、每行的二极管数目、二极管间距以及一行中的交错二极管之间和各行之间的偏移和交叠程度而言，二极管的预定交错图案为传感器设计提供了关键的设计变量和选项。交错二极管之间的偏移和交叠程度决定了传感器的空间保真度(即传感器可以检测的层间漂移位移的最小增量)，并且为工程师提供了传感器设计中的显著的和期望的灵活性。

单独的光电二极管输出是与入射在二极管上的入射激光量成比例的模拟电压。对于这种应用，二极管本质上被用作“接通”(入射激光击中二极管)-“关断”(没有入射激光击中二极管)检测器。传感器设计采用简单的运算放大器比较器电路来指示哪个光电二极管在任何时刻感测入射光，如图7所示。可以使用现场可编程门阵列(fpga)或复杂逻辑设备(cpld)或其他数据处理硬件或软件来同时锁存所有光电二极管的电路的输出值以捕获入射激光位置。以足够高的采样速率来捕获值以确保传感器捕获地震震动期间建筑物的动态运动。在图2至图7所示的已经通过实验测试被成功证明的具体传感器设计利用92个二极管的交错阵列，其中采样速率为每秒384次。

在操作中，如图8a和图8b所示，衍射激光束从头顶天花板朝向下方楼层上的psda被引导穿过单个建筑物楼层。在某些实施方式中，该系统可以包括处理器和适合于计算和存储发生在建筑物系统的每个水平处的峰层间漂移的其他功能部件，并且然后在图形显示器上将峰值显示为损坏指数。例如，可以将每个楼层水平的峰层间漂移与钢架建筑物的屈服、塑性铰形成和极限强度或其他预定极限状态的层间漂移损坏阈值进行比较，并显示为绿色(小于第一屈服)、黄色(高于屈服但低于塑性铰形成)或红色(超过塑性铰形成)的聚光灯图形。在地震环境中具有电池电力备份以及对系统可靠性设计的适当关注，这种系统有史以来第一次在大地震之后就向负责任的建筑物管理者、紧急事件第一急救者和其他利益相关者提供了建筑物震动和潜在损坏水平以及损坏分布的快速直接指示。这样的能力将大大有助于快速的震后应急响应、紧急行动、再居住和经济复苏。层间漂移

现在参照图8a和图8b，示出了发明人的层间漂移计系统(isdms)的另一个实施方式。isdms的这个实施方式总体上由附图标记800表示。以下是图8a和图8b中所示的isdms800的部件列表：

柱-802，

结构(楼层)梁-804，

结构(楼层)梁-806，

方向箭头-808，

新的经移位的位置-810，

移位距离测量-812，

激光束源-206，

衍射激光束-208，以及

psda210。

图8a是示出静态配置中的所列部件的示意图，其中衍射激光束208在中立位置214处与psda210相交(也如图2所示)。

图8b示出了在地震震动期间楼层梁806相对于楼层梁804沿着箭头808的方向移动。楼层梁806的移动将使得衍射激光束208在psda上从中立位置214移位到新的经移位的位置810。激光束208移位的距离将由psda测量并标记为812。该数据将用于漂移计算。

定位成成直角的单元

现在参照图9，示出了发明人的层间漂移计系统(isdms)的另一实施方式。图9所示的发明人的isdms利用第一单元900a和第二单元900b。单元900a和900b被定位成相互成直角。以下是图9所示的单元900a和900b的部件列表：

上结构(楼层)梁-902a和902b，

下结构(楼层)梁-904a和904b，

激光束源-906a和906b，

衍射激光束-908a和908b，

位置敏感检测器阵列(psda)-910a和910b，以及

psda上的中立位置-912a和912b。

图9示出了定位成彼此成直角的单元900a和900b。这使得无论地震的冲击波在什么方向击中建筑物isdms都能够监测、分析和记录由地震引起的建筑物的移动。激光束908a和908b被引导到位置敏感检测器阵列910a和910b上以用于检测由地震引起的建筑物的移动范围。

示出了激光束908a和908b处于检测器阵列910a和910b上的中立位置912a和912b。上梁902a和902b具有安装至梁902a和902b的下侧的激光源906a和906b。下梁904a和904b具有安装在梁904a和904b的顶侧上的位置敏感检测器阵列(psda)910a和910b。激光源906a和906b最初将衍射激光束908a和908b投射到psda的中间部分912a和912b(中立位置)上。psda910a和910b连接至计算机系统(未示出)，其分析、存储和显示由psda910a和910b产生的数据。

结构工程师对层间漂移感兴趣，因为它与结构性能密切相关并且高的漂移水平是看不见的损坏的指示。这是现有工程设计规范中关键的建筑物性能量度。一种准确、方便且成本有效的用于测量层间漂移的技术可以产生对结构动力学的提高的理解，并且不仅可以提高人的安全性，而且可以大大降低因风和地震负载而造成损坏的可能性或程度。

现在参照图10，示出了在事件期间多层结构的单个分割间的变形。以下列表标识了图10中所示的部件。

单个分割间-1000

结构的初始位置-1002

地震期间结构的变形位置-1004

激光束源的初始位置-1006

激光束的初始位置-1008

地震事件期间的激光源位置-1010

地震事件期间的激光束位置-1012

激光束旋转角度-1014

δ漂移-1016

δ观察-1018

δ旋转-1020

h层高度-1022

psda单元-1024

以下附图标记用于标识结构的初始位置1002、激光束源的初始位置1006、激光束的初始位置1008、事件期间的激光源位置1010以及事件期间的激光束位置1012。图10示出了处于初始位置(虚线)和事件位置(实线)的结构1002。激光束旋转角度为1014。δ漂移为1016。δ观察为1018。δ旋转为1020。层高“h”为1022。psda单元为1024。

地震产生建筑物结构的局部旋转

当建筑物在地震震动期间经历横向运动时，总体层间漂移伴随着构成建筑物系统的结构框架的各个元件(水平梁和竖直柱)的局部旋转。示出了建筑物的单个分割间1000的横向变形(层间漂移)，以说明必须校正的楼层的局部旋转(δ楼层，其可能导致激光束位置的移位δ旋转)，从而准确地计算层间漂移。历史上已经将这作为任何光学传感器测量系统必须解决的问题而指出。

校正激光器的局部旋转

本发明人已经开发了用于校正激光器的局部旋转的可靠和准确方法。这利用安装成与安装在下楼层上的psd传感器正交(成直角)的第二分立二极管psd传感器。如图11a和图11b所示，该第二传感器用于确定局部楼层旋转并进行适当的校正以确定实际的层间漂移。通常，需要进行校正的程度将取决于建筑物的竖直柱与水平楼层梁之间的相对弯曲刚度。在典型建筑物中，由于典型建筑物框架的变形模式，未校正该局部旋转会导致低估层间漂移，如图10所示。从图10中可知，为了得到实际的漂移δ漂移，需要通过增加观察到的psd传感器上的位移δ观察来校正旋转引起的运动δ旋转。

图11a、图11b和图11c示出了用于校正局部旋转的发明人的系统的实施方式。以下提供了图11a、图11b和图11c的部件列表。

单个分割间-1100

初始位置-1102

事件位置-1104

激光束源-1106

第一激光束-1108

第二激光束-1110

第一psda单元-1112

第二psda单元-1114

δ漂移-1116

旋转角度-1118

第一数据点-1120

第二数据点-1122

图11a、图11b和图11c的系统提供了获得激光器旋转的准确确定。图11a示出了处于初始位置(虚线)和事件位置(实线)的结构1102。还示出了激光源1106和彼此成直角的两个激光束1108和1110。两个psda单元1112和1114以及1124h层高度和1116δ漂移。图11b是当结构1102处于初始位置时的图11a的一些项的简化视图，并且图11c示出了事件期间的相同项。测量通过数据点1120和1122指示在第二psda单元1114上。

第二psd传感器利用这样的事实：当通过水平距离“lo”投射时，激光器安装点处的小局部旋转的效果被有效地放大，这在第二psd传感器上产生了位置旋转的放大信号。这可以通过将激光束分成两个正交的线源来完成。在实验室中已经通过实验证明了适当校正局部旋转的能力。实验数据表明发明人方法的有效性和准确性。

现在参照图12，流程图示出了发明人验证psda传感器性能的方法的实施方式。下面列出了该方法的步骤。

方法的图示-1200

数值模拟模块-1202

建筑物系统的计算模型-1204

地震记录-1206

模拟的层间漂移-1208

由数值模拟模块产生的数据-1210

传感器测试床数值模拟模块-1212

“屋顶”固定(激光束)-1214

“楼层”运动psda-1216

来自数值模拟模块的数据-1218

比较和验证模块-1220

在图12中，数值模拟模块1202将使用1204建筑物系统的计算模型中的信息连同地震记录1206和模拟的层间漂移1206信息来产生数据1210。传感器测试床模块1212将使用从测试床项1214和1216获取的信息来产生数据1218。然后将数据1210和1218输入到比较和验证模块中以验证传感器性能。

单个激光束基于光学的层间漂移计

现在参照图13a、图13b和图13c，示出了发明人的单个激光器的基于光学的层间漂移计系统的实施方式。图13a示出了具有单个高功率激光器1304作为每个基于光学的层间漂移计系统的激光束源的多层结构。各个基于光学的层间漂移计系统1306被表示为小圆圈。

在图13b中，一簇光纤电缆1310连接至单个强大的激光束源(未示出)，其中单独的光纤专用于位于多层结构1308中的每个楼层上的每个基于光学的层间漂移计系统1306。图13c示出了将激光束提供至漂移计系统1306的另一种方法。此处，连接至强大的激光源(未示出)的单个光纤电缆通过使用光学开关将激光束提供至漂移计系统中的每个漂移计系统。多层结构1308中的每个楼层将具有漂移计系统1306。

计算机系统

计算机系统收集来自每个楼层上的漂移计系统的数据、分析数据并存储结果。图14示出了多层结构1400，其中结构中的每个楼层配备有漂移计系统1402，此处用小方块表示。漂移计系统通过电缆系统1404连接至计算机1406。电缆系统1404可以是来自每个漂移计系统1402的单独电缆或使用单个电缆的多路复用系统。可替选地，使用诸如蓝牙的技术的wi-fi系统可以用于将漂移计连接至计算机1406。计算机系统1406收集来自漂移计的数据并分析数据和存储结果。结果可以在某预定位置处查看，或者可以发送到远程位置。

关于总体系统设计，发明人已经开发了用于系统部署的两个选项，其包括：

选项(1)在期望测量的每个楼层位置处的分立激光器和相应的psd；

选项(2)位于建筑物中的单个高功率激光器，其中光纤电缆将激光用管道传送到将进行传感器测量的每个位置(当部署在包括光学电缆可以设计到构造中的新建筑物中时，这个构思可能是特别有用的)。

利用任一种部署方法，发明人的系统的一个巨大优点是能够在地震之后立即显示具有最小处理和分析量的响应信息。

用于读出每个楼层水平处的峰层间漂移的数字条

发明人已经开发了一种可以立即显示每个楼层水平处的漂移幅度并将其与建筑物的预定允许值进行比较的视觉显示构思。传感器利用数字光学条，其显示给定楼层水平处的平面运动的两个方向上的位置处的峰层间漂移。数字条指示峰漂移并对漂移进行颜色编码，以指示在响应的谱中漂移对应哪个位置。数字条的构思及其捕获峰漂移的方式在图15a、图15b、图15c和图15d中示出。这种读出可以位于被监测建筑物上的面板中，并且也可以通过网络迅速传送并显示在移动电话应用中，所以认识到的建筑物所有者和运营管理者将立即获得关于建筑物响应的实时数据，包括潜在的损坏指标。数字条的原型已经被开发和测试。

图15a、图15b、图15c和图15d示出了用于显示来自多层结构的漂移计设备的各个楼层水平的数据的系统。发明人已经开发了显示层间漂移测量的方式。它由动态的条系统组成，由此漂移物理地示出在颜色编码条读出上。在每个方向上，激光运动都会“推动”表示该方向上的峰层间漂移的条(这是捕获峰值的机械系统的电子模拟)。当峰漂移条被推到更高的值时，它们根据所测量的特定建筑物的预定漂移阈值将颜色改变为橙色然后红色。

在图15a中，示出了具有中点位置1504和各个条1502的led条形图显示器1500。在图15b中，示出了在小地震事件之后的显示器1500。位于距中点1504一定距离处的两个条1502将颜色显示为表示轻微损坏的绿色1506。在图15c中，在中等大小的地震事件之后，显示器1500显示在距中点1404更远距离处的两个条1502，并且这些条1508将被显色为黄色或橙色以指示对结构的中等损坏，从而在清理以用于使用之前可能需要更多的检查。在图15d中，在大地震事件之后，条1510距中点1504更远并且将被显色为红色，从而表示对相应楼层水平处的结构的更广泛的损坏水平。

所描述的层间漂移测量的构思为建筑物层间漂移计系统提供了技术基础，该系统将在地震之后立即快速有效地确定和显示建筑物的响应。在整个建筑中实现一组传感器可以为建筑物所有者提供最大层间漂移的立即读出，以及建筑物是否经历了与建筑物中的损坏水平相关的漂移。通过与所考虑的建筑物的层间漂移的预先建立的损坏阈值相比较，这被显示为逐层的“聚光灯”图形，其指示损坏水平。

发明人模拟和实验

传感器设计构思已经基于数值模拟进行了彻底的评估，以确定真实的地震引起的建筑物层间漂移，并结合特定设计和构造的独特实验测试床来测试传感器构思。对代表性的多层建筑物的地震响应的计算机模拟利用了钢架建筑物的纤维基弹塑性梁元件模型，其高度从三层到四十层变化。建筑物地震激励是由一套历史地震地面运动记录产生的，并创建了层间漂移时间历史的数据库。大量的地震记录在建筑物中产生非弹性行为以及建筑物框架的相应永久变形，其中非弹性模型表明在地震激励结束时的永久建筑物位移。

为了测试用于这些代表性模拟产生的(合成的)层间漂移的新传感器设计，适当设计和制造的实验测试床由精密机电运动台构成，其允许来自建筑物模拟的层间记录在实验室中再现。该精密台包括在两个正交方向上运动的能力(允许在双轴地震运动中进行实验)，并且由基于高分辨率位置反馈移动安装在精密线性轴承上的金属平台的驱动步进电机构成。金属平台提供了其上放置和驱动位置敏感检测器原型装置的传感器底座。

运动台的电机和电机放大器由数字运动控制器控制，该数字运动控制器控制每个电机的位置、速度和加速度，以便非常准确地移动平台以实现指定的控制运动。控制系统比例/积分/微分(pid)增益被调整以用于复制一系列代表性建筑物结构中的层间漂移运动所需的动态频率内容、有效载荷质量和运动的范围内的最佳性能。这需要准确地表示三层(刚性)至四十层(柔性)建筑物的层间漂移。

通过将测量的台生成的运动与输入的目标运动进行比较来仔细验证运动台精确复制一系列层间漂移的能力。对于代表性的三层和四十层建筑物，运动台有能力完全复制层间漂移，包括由于非弹性的建筑物行为而造成的永久性最终位移。运动台和相关的自动控制回路已被证明能够复制层间漂移测量，包括由于非弹性行为而引起的永久性漂移，其具有高的准确度和精度。

传感器性能的评估

用于评估基于二极管的psd传感器的性能的整个过程由三个步骤组成：(1)对受到历史测量的地震地面运动记录的代表性建筑物结构执行计算机模拟，将合成的(计算的)层间漂移时间历史保存在数字文件中；(2)基于模拟的层间漂移，驱动机电运动台以复制在“楼层”(台平台的位置)与“屋顶”(激光器底座的位置)之间的这些层间漂移；以及(3)利用psd传感器测量层间漂移时间历史，并与台生成的运动进行比较以评估传感器性能。

使用该处理，基于二极管的原型传感器已经针对一系列的层间漂移运动被实验地评估。例如，针对三层和四十层的建筑物，运动台生成的控制运动与利用二极管传感器的相应位移测量之间的比较。二极管传感器为三层和四十层建筑物都提供了极好的强加的层间漂移的追踪，并准确地捕获了运动时间历史结束时由于非弹性的建筑物行为而产生的永久性漂移。

二极管传感器表现出优异的性能，并为基于光学的层间漂移测量系统的系统设计提供了强大的技术基础。

最后，已经在模拟的地震运动输入下在实验室中构建了比例模型二层建筑物框架并进行了测试，以证明这种基于psda的系统测量层间漂移并适当地校正激光旋转的准确度。

尽管以上描述包含许多细节和特性，但是这些不应该被解释为限制本申请的范围，而是应该被解释为仅仅提供对设备、系统和方法的一些当前优选实施方式的说明。基于本专利文献中描述和说明的内容可以做出其他实现、提高和变型。本文中描述的实施方式的特征可以在方法、设备、模块、系统和计算机程序产品的所有可能组合中进行组合。本专利文献中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。与之相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然特征可以在上面描述为以某些组合起作用并且甚至最初要求如此，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征在一些情况下可以从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。类似地，尽管在附图中以特定的顺序描述了操作，但是这不应该被理解为要求以所示出的特定顺序或按顺序执行这样的操作，或者要执行所有示出的操作以实现期望的结果。而且，上述实施方式中的各种系统部件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这样的分离。

因此，将理解的是，本申请的范围完全涵盖对于本领域技术人员来说可能变得显而易见的其他实施方式。在权利要求中，除非明确地如此陈述，否则对单数形式的元件的引用并非意在表示“一个且仅一个”，而是“一个或更多个”。本领域普通技术人员已知的上述优选实施方式的元件的所有结构和功能等同物通过引用被明确地并入本文，并且旨在被本权利要求所涵盖。此外，装置不必解决本设备、系统和方法试图解决的每个问题，因为它被本权利要求所涵盖。此外，无论元件或部件是否在权利要求中明确记载，本公开内容中的任何元件或部件都不旨在专门针对公众。本文中的权利要求要素不应根据35u.s.c.112第六段的规定来解释，除非使用短语“是指”来明确地记载该要素。

尽管设备、系统和方法可以允许各种修改和替选形式，但是在附图中已经通过示例的方式示出了特定的实施方式，并且已经在本文中进行了详细描述。然而，应该理解的是，本申请不旨在限于所公开的特定形式。相反，本申请将覆盖落入由所附权利要求限定的本申请的精神和范围内的所有修改、等同物和替选。