实桥监测方案(4)

度、1毫米的分辨力。由于该测点处于滑坡地带，难以设置位移监测基准，因此采用本项目开发的新型倾斜传感器。

图2.23 向家坡立交10#桥墩倾斜传感器布置图

Fig. 2.23 Rotation sensor layout of Xiangjiapo overpass’s pier 10#

2.4.2 墩梁错位监测子系统

墩梁错位的监测对象为12#桥墩。该处为滑动支座，以桥墩和主梁互为基准设置错位传感器，用以监测12#墩在交通荷载作用下，沿法向R和切向T的墩梁错位位移，如图2.24所示。要求达到180毫米的监测范围、2毫米的精度、1毫米的分辨力。

图2.24 向家坡立交12#桥墩墩梁错位传感器布置图

Fig. 2.24 Beam-pier dislocation sensor of Xiangjiapo overpass’s pier 12#

2.4.3 环境温湿度监测子系统

采用与马桑溪大桥和高家花园大桥相同的温度传感器，总共安装8只。用于监测环境温度，以及对倾斜传感器进行温度补偿。安装于倾斜传感器和错位传感器附近，如图2.23、2.24所示。

2.5 三桥新型传感器

2.5.1 表贴式光纤应变传感器

对于已成桥的应变监测，相比于施工中的应变监测有不同的特点。马桑溪大桥和高家花园大桥是已经建成使用多年的已成桥，不能将应变传感器埋入大桥主梁结构的内部，只能将应变传感器安装在主梁外部。安装在外部的应变传感器，既要能准确传递结构的应变，又要能耐受外部环境的影响，还要能保证数据采集的长期稳定性。为此，本项目采用特殊的不锈钢专用安装夹具，结合现场电焊技术，开发出表贴式光纤应变传感器。

ntFiberFibera图2.25 光纤应变传感器结构

Fig. 2.25 Structure of optical fiber strain sensor

图2.26 表贴式光纤应变传感器

Fig. 2.26 Surface mounted optical fiber strain sensor

光纤法珀干涉应变传感器主要是基于白光多光束干涉的原理[39]，其结构如图

2.25所示。将两根单模光纤的端面加工为镜面反射面，装入一个密封玻璃管内，并使它们严格平行、同轴，形成一个腔长为t的光纤F-P腔。当一束光通过光纤入射到光纤F-P腔内时，就会在腔内形成多光束的干涉输出。

光纤法珀传感器原理简单、制造容易，其使用成本也低。此类传感器是以光的波长为最小计量单位，具有测量灵敏度高的特点，且采用相位解调方法时，输出结果稳定可靠、不受电源、光源波动影响。法珀腔是完全密封的，防水、耐腐蚀，长期稳定性好，可以在混凝土结构的高湿度、高碱性的施工及营运期等恶劣环境中保持长期稳定性。它是在结构健康监测中最早得到应用的光纤传感器。

要将纤细的光纤传感器实际应用到结构监测现场，必须解决传感器保护问题，以达到应有的存活率。要保证传感器应变测量的准确性，必须保证结构与传感器之间有良好的力传递与耦合。对于已成桥而言，传感器只能安装在结构表面。为了避免纤细的光纤传感器在现场施工中遭到损害，提高传感器的存活率，必须给光纤应变传感器增加外部保护结构。

图2.27 传感器安装专用夹具

Fig. 2.27 Special sensor installation fixture

通过受力分析，传感器要准确反映结构变形，必须满足刚度匹配原则，即传感器的刚度应远低于被测结构刚度。据此，设计出图2.26所示的表贴式光纤应变传感器和图2.27所示的传感器专用安装基座。利用基座的支撑作用，消除安装引入的初始应变，提高测量精度。

通过这样的安装工艺，能较好地解决表贴式光纤应变传感器的存活率、高灵敏度的矛盾。在光纤传感器与被测结构之间的力学联系被保护结构隔绝的条件下，保证结构的应变准确地传递给传感器。

2.5.2 自标定、自编码成像法多点动态挠度传感器

特大型悬索桥、斜拉桥的主梁具有跨度大、刚度低的特点，因此它的主梁变

图2.28 自标定原理示意

Fig 2.28 Self-calibration principle indication

图2.29 自编码原理示意

Fig 2.29 Self-coding principle indication

形量特别大。对于这种大跨度、大变形监测问题，现有的常规方法是GPS与全站仪。但GPS只有20毫米的测量精度、达不到一般斜拉桥毫米级的精度要求，且价格昂贵[2]。而全站仪虽然能达到所需精度，但其需要人工现场操作，一般不适应自动监测的要求。

图像监测法将预定目标成像在摄像机像面上，通过监视目标在像面上的变化量、计算出结构变形[46]，能够适应远距离大范围变形监测，达到预定精度，实现自动监测。但将像面上的变化量折算为目标的位移时，对于不同距离的目标、不同的气候条件，其折算系数是不一样的，常规的图像监测法难以达到较高的监测精度。此外，常规图像监测法中目标与摄像机一一对应的布局，使其不能实现多点动态变形监测。本项目在常规图像监测法的基础上发明了自标定、自编码成像法多点动态挠度测量方法，从根本上解决了这个问题。

(1) 自标定、自编码

自标定、自编码多点动态挠度测量方法的核心是带有自标定和自编码功能的靶标以及相应的图像处理算法。如图2.28所示，带有自标定和自编码功能H的靶标1安装在结构2处，经过摄像机3成像到摄像机的像面上3-2处，通过图像处

分配放大器CAMERA-1CAMERA-2CAMERA-3CAMERA-4 图2.30 多点动态挠度监测示意图 Fig 2.30 Multi point dynamic deflection monitoring schematic diagram 理软件，利用H的固定参数特性，即可对h进行自标定，得出折算系数。当结构从2变形到2’时，利用自标定系数h，可由像面变形d’计算出结构的精确变形量d。

当不同的靶标采用不同的固定参数特性值Hn时，利用专用图像处理软件，得到不同的自标定系数hn，从而区分出不同的目标对象，实现自编码，如图2.29所示。在兼顾测量范围与测量精度的情况下，每个摄像机可以同时监测2～3个测点。

(2) 多点动态挠度测量

由于摄像机一般具有25帧/秒以上的图像采集速率，而上述自编码图像处理软件的处理时间是十毫秒数量级，因此它本身是一个具有20赫兹以上采集频率的多点动态挠度测量系统。将多个这样的系统并联，采用高速数据采集卡，可达到5赫兹以上的速率，实现12个测点的同步动态挠度监测，如图2.30所示。

2.5.3 大量程高精度激光图像传感器

自标定、自编码成像法的监测精度在1～5毫米，主要适用于一维监测。当要将监测精度提高到1毫米以内、或要监测二维位移时，该方法有一定的局限。为

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