1、物联网技术 2013年 / 第2期 全面感知Comprehensive Perception300 引 言为适应社会经济快速发展的需要，近年来全世界的桥梁技术得到了迅猛的发展。在跨度方面，我国已位居世界先进水平。桥梁的大跨度及结构复杂多样等特性对主梁挠度、应力、环境荷载、承载力等安全参数均提出了较高要求。其中，主梁挠度变化是反映大桥安全状态及进行内力状态评估分析的重要参数，也是结构安全预警的重要指标。因此，无论是健康监测项目还是常规检查项目，对桥梁挠度参数变化的测量，都具有非常重要的意义。目前，常用的桥梁挠度测量方法主要有精密水准仪法、全站仪法、百分表法等人工测量方法和以倾角仪法1-2、光电成
2、像法3、激光靶标法4、GPS 法5等为主的自动测量方法。本文将重点介绍连通管法测量桥梁挠度变化的连通管系统的构成、测量原理、方法特点、现场实施及其注意事项等。1 连通管法的测量原理连通管法测量桥梁挠度的原理是在挠度测量点和基准点之间安装连通管，利用同一系统保持相同水平液面的原理，将两点间竖直方向上的相对位置变化转换成连通管内液面的变化，然后利用连通管原理由测得的液面变化反算出测量点相对于基准点竖直方向的位置变化 ( 即挠度 )。为确保测量点处的挠 度变化不影响连通管内的液面高度，在基准点处将连通管接入大容积容器，并在该容器和测量点各点安装挠度传感器，这样便形成了连通管法桥梁挠度测量系统，该系统
3、模型如图 1 所示。管道开口容器(基准点)挠度传感器(测量点1)液体挠度传感器(测量点2)图 1 连通管法挠度测量系统模型基于连通管原理的桥梁挠度自动测量方法殷春林(重庆亚派桥梁工程质量检测有限公司，重庆 401121)摘 要：基于连通管原理，采用 RS485通讯技术等手段，给出了一种桥梁挠度自动测量的方法。该方法具有实时、在线、远程、精确等特点，且不受人为因素和环境因素的影响。通过重庆石板坡长江大桥应用该方法测量挠度的案例证明，其测量结果的相对误差小于 5%，表明该系统稳定可靠。这种测量方法能用于更多桥梁挠度的自动监测。关键词：连通管；桥梁监测；挠度测量；液位传感器中图分类号：TP212；U
4、44 文献标识码：A 文章编号：2095-1302(2013)02-0030-02Bridge deflection auto-measuring method based oncommunicating pipe principleYIN Chun-lin(Chongqing Yapai Bridge Engineering Quality Testing Co.,Ltd., Chongqing 401121, China)Abstract: A bridge deflection measurement method based on the communicating pipe prin
5、ciple is given by using RS485 communication technology. This method is characterized by its real-time measurement, on-line measurement, remote measurement, precise measurement and so on. And it is not affected by human factors and environmental factors. The application of the measurement method base
6、d on the communicating pipe principle in Shibanpo Yangtze River Bridge of Chongqing shows that the measurement system is stable and reliable, and the deflection relative error is less than 5%. And the method can be applied in automatic monitoring of more bridge deflection.Keywords: communicating pip
7、e; bridge monitoring; deflection measurement; liquid level sensornullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull收稿日期：2012-11-282013年 / 第2期 物联网技术全面感知Comprehensive Perception31在桥梁挠度测量项目中，将大容积容器置于基准点 ( 如大桥的桥台处 )，在基准点和测量点均安装挠度传感器，通过计算基准点和测量点挠度传感器的数据差，这样所得到的结果 ,就是桥梁挠度测量点的挠度值。说明：h 为基准点处液位
8、传感器的读数；h1为在桥梁没有形变时，测量点 A 处挠度传感器的读数； h2为在桥梁有形变时，测量点 A 处挠度传感器的读数。管道基准点液体测量点A液位挠度值为( h1-h)时h1h说明：h- 基准点处液位传感器的读数；h1-在桥梁没有形变时，测量点A 处挠度传感器的读数；h2-在桥梁有形变时，测量点A 处挠度传感器的读数。挠度值为( h2-h)时管道液体液位基准点 测量点Ah2h图 2 连通管法桥梁挠度测量原理从图 2 可得，该桥梁测量点 A 处的挠度变化为：( ) ( )h h h h h h h2 1 2 1D = - - - = -当 h 02D 时，说明桥梁处于上挠状态；当 h 01
9、D 时，说明桥梁处于下挠状态。2 连通管测量原理在桥梁挠度测量中的应用2.1 连通管法桥梁挠度测量系统建设将连通管测量原理应用在桥梁挠度测量中，程序员可以根据选用挠度传感器的通讯协议、输出信号和采集策略等编写一套桥梁挠度数据采集与处理程序，这样，所设计的系统便可实现桥梁挠度的自动测量。连通管法桥梁挠度测量系统主要包括挠度传感器、连通管道、大容积容器、安装有数据采集与处理程序的计算机、通讯电缆和供电电缆等。将挠度传感器、连通管道、大容积容器连接在一起形成连通管系统；将挠度传感器通过供电电缆和通讯电缆分别接入供电设备和计算机通讯端口，便形成了连通管法桥梁挠度测量系统的硬件框架，图 3 所示是连通管
10、法挠度测量系统硬件组成框图。挠度传感器计算机供电设备通讯线缆供电线缆图 3 连通管法挠度测量系统硬件组成2.2 连通管法桥梁挠度测量系统的注意事项连通管法测量桥梁挠度的几大难点：(1) 连通管中存在气泡或气柱会使液位与实际不符；(2) 液体中含有杂质可能阻塞或堵塞连通管道；(3) 通讯线缆过长，信号会受到环境干扰；(4) 连通管中的液体在环境温度降到其凝固点后会发生冻结现象；(5) 对于长期在线监测工程，该方法还有另一个难点，即连通管中液体挥发过多会导致挠度传感器接触不到液体，测得的数据降为零，与实际不符。为了克服以上难点，在实际工程项目中，宜按以下方法开展工作：(1) 选择通讯协议为 RS4
11、85 制式的挠度传感器，通讯线缆选择全铜材质的双芯屏蔽电缆，以便可以长距离传输信号，且基本不受环境干扰；(2) 大容积容器可选择不锈钢材质，连通管道选用 PPR管，安装在连通管道中的阀门选择全铜球阀，注入连通管的液体选用加防腐剂的纯净水，以便有效防止液体变质，避免管道阻塞；(3) 近挠度传感器端的连通管支管选用透明软管，以便于挠度传感器的安装更换和连通管加水或排气时的液位监视；(4) 挠度传感器须安装在容器总高度的 1/32/3 范围，并基本保持在同一水平线上，要避免部分挠度传感器超量程或数据为零；(5) 设置连通管缺水报警装置或者自动补水管路，避免水位下降而无法进行挠度测量。3 连通管法桥梁
12、挠度测量应用案例重庆石板坡长江大桥健康监测系统挠度子系统于 2006 年就将连通管原理测量挠度的方法应用在实际工程项目中，并正常运行至今，效果显著。该桥为大跨径连续刚构钢混梁结构，长 1 103.5 m，宽 19 m，单向四车道，主跨 330 m，为当时世界第一跨径钢混结合梁桥。该系统在大桥主梁的 13 个截面共布置了 26 个挠度测量点 ( 含 4 个基准点 )，图 4 所示是重庆石板坡长江大桥挠度测点布置图。1南岸区P0渝中区2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13基准截面P1 P2 P3 P4 P5 P7 P8图 4
13、 重庆石板坡长江大桥挠度测点布置图2010 年底，重庆勘查院对该桥实施了挠度封桥测量，测点与图 4 相同。该桥上游侧 13 个测量点的自动监测数据和人工测量数据与理论值的分析对比结果如图 5 所示。( 下转第 34页 )物联网技术 2013年 / 第2期 全面感知Comprehensive Perception34图 5 所示的对比结果表明，本自动监测数据和人工测量数据与理论值的相对误差均不超过 5%。挠度/mm 1 2上游测点编号人工检测值自动监测值理论值1614121086420-23 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13图 5 两种不同方法测量挠度数据对比图4 结 语桥梁挠度在
14、线实时监测是桥梁健康监测的重要组成部分，基于连通管原理的桥梁挠度测量方法是一种简单有效的方法。采用 RS485 通讯技术的挠度传感器，能实现挠度数据的精确测量和远距离传输，满足各类大中型桥梁健康监测的监测需要。在重庆石板坡长江大桥的应用结果表明，基于连通管原理的桥梁挠度自动监测系统测试效果良好、性能稳定可靠，能有效应用于桥梁挠度的长期实时自动监测。参 考 文 献1 侯兴民，杨学山，廖振鹏，等 . 实时测量桥梁挠度 J. 地震工程与工程振动，2002，22(1)：67-72.2 HOU X M, YANG X S, HUANG Q. Using inclinometers to measure
15、bridge deflection J. Journal of Bridge Engineering, 2005, 10(5): 564-569.3 夏哲，付红桥，张文，等 . 桥梁变形图像监测系统调制传递函数 J.重庆大学学报：自然科学报，2004，27(6)：17-204 董辉，陈伟民，符欲梅，等 . 一种激光图像挠度测量方法 J. 传感器技术，2004，23(10)：63-66.5 ASHKENAZI V, ROBERTS G W. Experimental monitoring of the humber bridge using GPS J. Civil Engineering, 1
16、997, 120(4): 177-182.作者简介： 殷春林 男，1984年出生，学士学位，助理工程师。研究方向为桥梁检测和结构健康监测。( 上接第 31页 )止位，没有奇偶校验位，本设计采用连续两次发送来解决发送 16 位数据的问题。为了保持读 FIFO 的速率与发送数据的速率一致，FIFO 的读时钟根据串口发送一个完整数据的速度来确定。3 测试结果在实验室自制的最小系统板上，模拟换能器给 AD 提供一个 250 kHz 的正弦信号，在上位机串口调试小助手上接收到的数据运用 Matlab 画出的图形如图 5 所示。图 5 中，纵坐标是幅值，横坐标是所取点的个数。700650600550500
17、4504003503000 50 100 150 200 250 300幅值(十进制)个数图 5 测试结果图4 结 语可以看出，本设计中每个周期的正弦波包含有 10 个点。由于我们输入的是 250 kHz 的正弦波，AD 采样频率是 2.5 MHz，通过理论计算 , 每个周期应该包含的点数为2.5 MHz/250 kHz=10，可见设计与实际测试的结果相符。另外，从测试结果图中还可以看出，其幅值与所给的幅值也相符，测试结果也表明了该设计的合理性。参 考 文 献1 夏宇闻 .Verilog 数字系统设计教程 M. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.2 王金明 . 数字系统设计与 Veril
18、og HDLM. 北京：电子工业出版社，2011.3 郭树涛，靖永志 . 基于 FPGA 的串口通讯设计 J. 北京电子科技学院学报，2006，14(4)：74-78.4 朱泽锋，赵丹辉，王鹏宇 .FPGA 与 PC 串口通信设计与实现 J. 黑龙江科技信息，2010(28)：91.5 张维旭，贺占庄 . 基于 FPGA 的异步 FIFO 设计 J. 计算机技术与发展，2006(7)：168-170.6 祁晓磊，蔡学良，孙德玮 . 用 Verilog HDL 进行 FPGA 设计的原则与方法 J. 电子测试，2008(3)：67-71.7 贾子申，李淑清，王冠雅 . 基于 FPGA 的 UART 控制器设计 J.电子测量技术，2008(3)：92-93.作者简介： 向 伟 男，1988年出生，硕士研究生。研究方向为自动检测与控制。吴凌云 女，1963年出生，1986年大学毕业，硕士，副教授，硕士生导师。主要从事信号处理、智能控制及自动化技术应用等方面的研究工作。基于连通管原理的桥梁挠度自动测量方法作者： 殷春林作者单位： 重庆亚派桥梁工程质量检测有限公司,重庆 401121刊名： 物联网技术英文刊名： Internet of things technologies年，卷(期)： 2013(2)本文链接：http:/
