一种基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置及测量方法与流程

本发明属于桥梁挠度测量技术领域，尤其涉及一种基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置及测量方法。

背景技术：

在当今土木工程行业中，挠度测量已广泛地应用于各式桥梁结构上。在桥梁健康监测的多项监测指标中，桥梁的挠度是其中一项非常重要的指标数据，挠度可以很直接地反映出桥梁现阶段的变形状态，从中也可以分析出桥梁荷载状况以及结构刚度是否满足要求。在桥梁的施工、结构状态鉴定、旧桥改造和新桥验收等工作中，桥梁动静状态下的挠度都是至关重要的一项数据。

目前，常见桥梁挠度的人工测量法主要有百分表测量法、精密水准仪测量法和全站式测量法等，但人工测量法均存在耗时长、效率低等缺点，且测量现场存局限性。随着测量技术的发展，出现了不少自动测量技术，如激光图像测量法、光电成像测量法和机器人测量法等，这些方法测量精度高，测量便捷，但均需要在桥外设置固定点，当桥梁跨越江、河、山涧等大跨度障碍物时，由于不能布设固定支架，存在一定的局限性。因此，现有技术中急需一种可精准、快速测量大跨度桥梁挠度并且适用性强的测量装置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置及测量方法，以实现高精度、便捷的动态测量桥梁挠度值，且不受场地等因素的影响，该装置及方法广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控等技术领域。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置，包括：

一导向杆，所述导向杆竖直固定于一机箱盒内；所述机箱盒固定在待测点处；

一水平设置的永磁铁，所述永磁铁套设在所述导向杆上；所述永磁铁远离所述光栅尺尺身的一侧设置一配重；所述配重和所述光栅尺读数头配合以保持所述永磁铁水平设置；

一敞开式光栅尺；所述敞开式光栅尺包括光栅尺尺身和光栅尺读数头；所述光栅尺读数头竖直固定在所述永磁铁靠近所述光栅尺尺身的一侧；所述光栅尺尺身固定于所述机箱盒的内壁上；

一电磁线圈组，用于驱动所述永磁铁和光栅尺读数头处于稳定悬浮状态，所述电磁线圈组固定在所述机箱盒内；所述电磁线圈组位于所述永磁铁的下方；所述机箱盒处于不同高度位置时，所述电磁线圈组提供的悬浮力等于所述永磁铁、光栅尺读数头及配重三者的重量之和；

所述机箱盒下降时，所述光栅尺尺身随所述机箱盒向下移动，所述光栅尺读数头扫描所述光栅尺尺身以获取桥梁的挠度值。

优选地，所述导向杆位于所述电磁线圈组的中心位置；所述机箱盒的底部设置一可调节支座上；所述可调节支座包括四个可伸缩的支脚。

优选地，所述机箱盒的上表面中心位置设置一圆水准泡。

优选地，所述敞开式光栅尺选用精度为0.005mm级的高精度光栅尺；所述光栅尺尺身的量程为70mm。

优选地，所述光栅尺读数头平行于所述光栅尺尺身。

优选地，所述导向杆的上段设置一限位凸起，所述限位凸起与所述永磁铁的内壁卡合。

优选地，所述电磁线圈组由电磁线圈电源提供电源；所述敞开式光栅尺由光栅尺电源提供电源。

本发明还提出了一种使用上述基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)在桥梁挠度值的待测点处，固定安装所述基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置；

(2)动作所述可调节支座，观察所述圆水准泡，使所述机箱盒的底座保持水平状态且所述导向杆处于竖直状态；

(3)接通所述电磁线圈组电源，通过所述电磁线圈组电源供电至所述电磁线圈组，以将所述永磁铁、光栅尺读数头和配重三者组成的一整体的悬浮位置调节到第一位置，并保持所述整体处于稳定悬浮状态；

(4)接通所述光栅尺电源，所述光栅尺读数头读取所述光栅尺尺身的第一位置值；

(5)测量时，所述光栅尺尺身和机箱盒随所述桥梁移动，所述光栅尺读数头扫描所述光栅尺尺身的任一位置以获取所述光栅尺尺身的第二位置值；所述第一位置值和第二位置值的差值即桥梁的挠度值。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)基于磁悬浮原理，只需测量装置内部绝对位移即可测出桥梁挠度，无需在桥梁外部设定固定点，简化了桥梁挠度测量装置，在大跨度桥梁中的应用优势明显。

(2)只需将设备直接安装在测定点上，通过自带可调节支座，调节至水平即可。因此，该装置的作业方式灵活，外业工作强度小。

(3)该测量装置中配合测量的电磁线圈组、光栅尺读数头、永磁铁、导向杆、光栅尺尺身均置于机箱盒内部，免除受外部环境的干扰，挠度值的测量精度高。

(4)通过光栅尺读数头所测得的第一位置值和不同测量时间点对应的不同第二位置值，即可获得由不同桥梁挠度值组成的挠度值集合，方便快捷，最终实现挠度值的动态测量。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置的结构示意图。

图2为图1中光栅尺读数头的受力示意图。

图3为图1中导向杆的截面图。

图4（a）为本发明一实施例的基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置的安装示意图;

图4（b）为本发明一实施例的基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置测量示意图;

图4（c）为本发明一实施例的基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置测量原理图。

其中，1-电磁线圈组，2-光栅尺读数头，3-配重，4-永磁铁，5-导向杆，6-光栅尺尺身，7-机箱盒，8-底座，9-可调节支座，10-圆水准泡。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的一种基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，一种基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置，包括电磁线圈组1、永磁铁4、敞开式光栅尺、导向杆5、可调节支座9和机箱盒7；该测量装置的具体结构如下：

导向杆5竖直固定于一机箱盒7内；机箱盒7固定在待测点处。机箱盒7的底座8上设置一可调节支座9上；可调节支座9包括四个可伸缩的支脚。机箱盒7的上表面中心位置设置一圆水准泡10；可调节支座9通过圆水准泡10将机箱盒7的底座8调节至水平状态，即调节可调节支座9的长度，观察圆水准泡10，调节至圆水准泡10中的气泡居中。

永磁铁4套设在导向杆5上且水平设置；永磁铁4远离光栅尺尺身6的一侧设置一配重3；配重3和光栅尺读数头2配合以保持永磁铁4水平设置。

敞开式光栅尺包括光栅尺尺身6和光栅尺读数头2。光栅尺读数头2固定在永磁铁4靠近光栅尺尺身6的一侧；光栅尺尺身6固定于机箱盒7的内壁上；光栅尺读数平行于光栅尺尺身6。敞开式光栅尺由光栅尺电源提供电源。

电磁线圈组1，用于驱动永磁铁4和光栅尺读数头2处于稳定悬浮状态，由电磁线圈电源提供电源。电磁线圈组1竖直固定在机箱盒7内；导向杆5位于电磁线圈组1的中心位置；电磁线圈组1位于永磁铁4的下方。机箱盒7处于不同高度位置时，电磁线圈组1提供的悬浮力等于永磁铁4、光栅尺读数头2及配重3三者的重量之和。电磁线圈组1由变阻器调节电流，使永磁铁4悬浮在与光栅尺尺身6中部位置等高的第一位置。在本实施例以外的其他实施例中，无配重3设计，电磁线圈组1提供的悬浮力等于永磁铁4和光栅尺读数头2的重量之和。

机箱盒7下降时，光栅尺尺身6随机箱盒7向下移动，光栅尺读数头2扫描光栅尺尺身6以获取随时间变化的桥梁挠度值。

在本实施例中，敞开式光栅尺选用精度为0.005mm级的高精度光栅尺；光栅尺尺身6的量程为70mm。

在本实施例中，在本实施例中，导向杆5的上段设置一限位凸起，限位凸起与永磁铁4的内壁卡合。限位凸起保证永磁铁4不产生影响读数头准确性的旋转角度，以避免永磁铁4绕导向杆5旋转，保持光栅尺读数头2始终平行于光栅尺尺身6。该限位凸起的结构如图2所示。

由中国分类号：tu352.1，文献标志码a，文章编号1007-449x（2017）10-0102-06的“磁悬浮振动测试系统信号分析及振动信号的提取”：绝对式测量方法是利用惯性质量块实现振动测试，由于绝对式振动测量没有可用的固定参考点，因此需要利用振子的惯性在被测信号振动频率较大时，振子因惯性相对不动可作为绝对参考点实现振动测量、当被测物体产生振动时，测试系统随被测体一起振动。由于悬浮振子的惯性，悬浮振子具有保持原来位置的趋势。这样悬浮振子与振动测试系统模型之间将产生绝对位移。因此，根据惯性原理，桥梁的自振频率和行车时产生的振动频率满足条件使永磁铁4相对于绝对参考系（地面）不动。即桥梁的自振频率、行车时桥梁的振动频率，两类振动频率均较快，在桥梁的振动过程中，永磁铁4在惯性作用下，相对于地面的高度保持不变。因此，在桥梁振动变形的过程中，电磁线圈组1提供的悬浮力不变，始终等于永磁铁4、配重3和光栅尺读数头2三者组成的整体的重力之和，因此该整体在桥梁挠度值变化过程中，绝对高度始终保持不变，因此光栅尺读数头2形成挠度值测量过程中的固定点。

当固定在机箱盒7上的光栅尺尺身6随机箱盒7产生竖直向下的位移，由于永磁体4、光栅尺读数头2和配重3三者组成的整体受磁场力的作用，该整体的悬浮高度不会随机箱盒7高度变化而变化，因此该整体保持静止，光栅尺尺身6与光栅尺读数头2产生绝对位移，即是桥梁的挠度值。

如图3、图4（a）~（c）所示，该基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置安装在桥面待测点上，电磁线圈组1通电产生磁场，提供等于永磁铁4、光栅尺读数头2和配重3三者重力之和的恒定悬浮力f。此时永磁铁4、光栅尺读数头2和配重3三者组成的整体，只承载竖直向下的自身重力g和电磁线圈组1提供的竖直向上的恒定悬浮力f两个力，当恒定悬浮力f等于自身重力g时，该整体稳定悬浮在空中且在桥梁挠度值变化过程中保持高度相对于地面的高度不变（静止），该光栅尺读数头2形成固定不变的绝对测量点。

该基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置的测量方法具体操作步骤如下：

(1)在测量桥梁挠度值的待测点处，固定安装基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置；

(2)动作可调节支座9，观察圆水准泡10，使机箱盒的底座8保持水平状态且导向杆处于竖直状态；

(3)接通电磁线圈组电源，通过电磁线圈组电源供电至电磁线圈组1，以将永磁铁4、光栅尺读数头2和配重3三者组成的一整体的悬浮位置调节到与光栅尺尺身6中部位置等高的第一位置，并保持整体处于稳定悬浮状态。

(4)接通敞开式光栅尺电源，光栅尺读数头2读取光栅尺尺身6的第一位置值，读数值为l1。

(5)桥梁振动变形时，桥梁沿竖直方向运动产生挠度，光栅尺尺身6和机箱盒7随桥梁移动，光栅尺读数头2扫描光栅尺尺身6的任一位置以获取光栅尺尺身6的第二位置值，读数值l2；桥梁的挠度值即为f=l1-l2。其中，该第二位置是指光栅尺尺身6上的任意位置。即对应不同的测量时间，第二位置值的读数值不同。

(6)光栅尺读数头2获取不同测量时间点对应的挠度值，并将挠度值传输至数据采集设备，即可得出随测量时间变化的桥梁的动挠度值。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。