一種光電式橋梁撓度儀校準裝置的制作方法

本實用新型屬于橋梁檢測技術領域，具體地說，尤其涉及一種光電式橋梁撓度儀校準裝置。

背景技術：

隨著中國經濟的飛速發展，交通運輸出現了重載、高速、大流量的現代運輸結構發展趨勢，公路運輸在整個運輸體系中占有的比例越來越大。橋梁是道路的咽喉，因此，公路運輸對現有橋梁(即舊橋)和新建橋梁的結構性能與使用質量提出了更高的要求。為檢驗新建橋梁的質量，確保在役橋梁結構的使用安全，橋梁現場的荷載試驗及健康監測是必不可少的工作。

橋梁荷載試驗分靜載試驗和動載試驗兩種。靜載試驗是根據需要觀測橋梁結構的反力、應變、位移、轉角、裂縫等物理量。動載試驗是需觀測橋梁的固有動力特性及在實際動載作用下橋梁結構各控制部位的動力響應，包括振幅、頻率、阻尼、動態應變或動態撓度(沖擊系數)等。靜載試驗中的位移觀測主要指觀測橋梁的撓度。動載試驗中的沖擊系數是反映車輛荷載對橋梁結構動力影響的綜合指標。根據沖擊系數定義(動撓度與相應荷載作用下的靜撓度的比值稱為活荷載的沖擊系數)，可以通過實測的撓度進行計算。

橋梁撓度對于橋梁結構而言是一個非常重要的參數，其直接反映橋梁結構的豎向整體剛度，是橋梁結構性能的重要指標。橋梁撓度與橋梁的承載能力及抵御地震等動荷載的能力有密切關系。中華人民共和國行業推薦標準JTG/T J21-2011 《公路橋梁承載能力檢測評定規程》對承載能力中撓度的指標有明確的要求，把撓度作為橋梁承載能力評定的重要內容之一。因此，橋梁撓度檢測業務是各檢測機構中一種不可或缺的檢測項目和基本能力。

目前主要采用光電式橋梁撓度儀進行撓度觀測，應用于施工質量控制、舊橋質量評估、特殊載荷試驗、橋梁健康監測等。隨著光電式橋梁撓度儀應用日益廣泛，催生了大量的生產廠家，各種撓度檢測儀應運而生。但是，目前對光電式橋梁撓度儀沒有合適的校準裝置，計量部門無法對專用儀器設備進行真正有效的全面計量。

技術實現要素：

為解決以上問題，本實用新型提供了一種光電式橋梁撓度儀校準裝置，用以實現光電式橋梁撓度儀的靜撓度和動撓度校準。

根據本實用新型的一個實施例，提供了一種光電式橋梁撓度儀校準裝置，包括：

測量主機，基于設定基準數據與待校準撓度儀的測量數據計算待校準撓度儀的校準數據；

移動模塊，與所述測量主機連接，基于所述測量主機處理基準數據得到的控制信號垂直水平面移動以讓待校準撓度儀進行撓度測量；

自動調平模塊，其上設置所述移動模塊并與所述測量主機連接，由所述測量主機控制以實現自動調平。

根據本實用新型的一個實施例，所述自動調平模塊包括：

底座；

水平檢測器件，設置于所述底座上，與所述測量主機連接，用于檢測所述底座的水平狀態并將檢測的水平狀態數據發送給所述測量主機；

調平支座，設置于所述底座的下底面，與所述測量主機連接，基于所述測量主機處理水平狀態數據得到的控制信號移動，以使得所述底座處于水平狀態。

根據本實用新型的一個實施例，所述自動調平模塊設置有3個呈三角形布置的、帶有與所述測量主機連接的微調電機的所述調平支座。

根據本實用新型的一個實施例，所述水平檢測器件包括三軸陀螺儀和水平傳感器。

根據本實用新型的一個實施例，所述移動模塊包括：

絲杠，通過機架垂直設置于所述底座上；

滑臺，固定于所述絲杠上并跟隨所述絲杠垂直移動；

伺服電機，固定于機架上，并與所述測量主機連接，用于驅動所述絲杠運動。

根據本實用新型的一個實施例，所述移動模塊還包括：

兩個伺服電機，分別固定于機架上，并分別與所述測量主機連接；

兩個單向旋轉機構，分別設置于絲杠的兩端并固定于機架上，分別與一個伺服電機連接并由伺服電機分別控制以使得絲杠進行單向旋轉。

根據本實用新型的一個實施例，所述移動模塊還包括固定于所述絲杠上的編碼器，用于獲取絲杠的轉動量。

根據本實用新型的一個實施例，所述測量主機包括：

存儲器，用于存儲基準數據；

主控制器，基于基準數據輸出電機驅動信號，并基于基準數據與待校準撓度儀的測量數據計算待校準撓度儀的校準數據；

電機驅動器，根據主控制器輸出的電機驅動信號驅動伺服電機。

根據本實用新型的一個實施例，所述測量主機還包括：

顯示器，與所述主控制器連接；

鍵盤，與所述主控制器連接，用于編輯輸入基準數據。

根據本實用新型的一個實施例，該測量主機還包括：

編碼器接口，與所述主控制器連接，用于接收編碼器的輸出數據；

電源，與所述主控制器連接，用于向所述主控制器提供工作電源；

時鐘芯片，與所述主控制器連接，用于向所述主控制器提供時鐘信號。

本實用新型的有益效果：

(1)本實用新型首次提出橋梁動撓度校準裝置，為光電式橋梁撓度儀的動撓度校準提供了技術支持。

(2)本實用新型所述光電式橋梁撓度儀校準裝置的底座采用三個帶微調電機的支座結合三軸陀螺儀進行自動調平，免去了校準前的手動調平環節，提高了工作效率。采用三軸陀螺儀進行底座水平情況的判斷提高了精確度，保證滑臺移動方向垂直于水平面，保證了校準結果的準確，減少了校準設備的不確定度。

(3)本實用新型采用編碼器對滑臺移動的位移量進行反饋，相比于光柵尺的方案，減少了其設備在安裝過程中所需要的輔助設備，節約了安裝成本。

(4)本實用新型可以分別校準靜撓度和動撓度，節省了校準時間，提高了校準效率。

(5)本實用新型采用編碼器進行反饋，與伺服電機形成閉環控制，提高了滑臺移動位置的精確度，保證了校準結果的準確。

(6)本實用新型提出的校準方法將動撓度的校準從橋梁現場移到實驗室內進行，降低了對校準環境的依賴，減少了校準成本，提高了校準速度，校準結果可行度更高。

(7)本實用新型能夠滿足大量的光電式橋梁撓度儀生產廠商的校準需求和計量部門的計量需求，能夠滿足橋梁基礎設施建設的需要，將產生大量的經濟效益。

(8)本實用新型所述光電式橋梁撓度儀校準裝置的移動模塊采用雙電機結合雙單向旋轉機構的結構，配合處理過的動撓度曲線，可以突破電機絲杠硬件局限性，實現動撓度曲線復現。

本實用新型的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據本實用新型的一個實施例的光電式橋梁撓度儀校準裝置結構示意圖；

圖2是根據本實用新型的一個實施例的測量主機結構示意圖；

圖3是根據本實用新型的一個實施例的光電式橋梁撓度儀校準裝置使用流程。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本實用新型的實施方式，借此對本實用新型如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現過程能充分理解并據以實施。需要說明的是，只要不構成沖突，本實用新型中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本實用新型的保護范圍之內。

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)的要求，光電式橋梁撓度儀的校準主要包括靜撓度示值校準、動撓度示值校準等。現有技術方案如下：

1)靜撓度示值的校準

采用光柵位移測量系統進行，光柵位移測量系統由升降和平移絲杠、光柵尺和步進電機組成。步進電機可驅動位移臺做水平和升降移動，移動的距離可通過光柵尺進行測量。

在測量時，位移臺按測量范圍均勻移動10個距離，采用光柵尺輸出的位移量作為撓度標準值，啟動光電式橋梁撓度儀測量各位置的實測撓度值。取10個位置中示值誤差最大值作為撓度示值誤差。

2)暫無動撓度示值的校準方法。

由以上現有技術方案可知，其存在的缺陷如下：

1)采用步進電機進行位移控制形成開環系統存在技術缺陷，即控制器輸出的移動距離和位移臺實際移動的距離無法保證一致。

2)光柵尺在進行移動距離測量時，對光柵尺主尺和移動方向的平行度要求極高，導致裝置在實際安裝過程中存在困難，采買輔助裝置的經費投入過多，整體成本過高。

3)現有技術未考慮到光電式橋梁撓度儀校準裝置的水平情況，若光電式橋梁撓度儀校準裝置的位移臺移動方向未垂直于地面，則誤差較大，無法進行校準工作。

4)目前的技術手段只能對靜撓度進行校準，還無法對動撓度進行校準。

因此，本實用新型提供了一種光電式橋梁撓度儀校準裝置，包括測量主機1、移動模塊和自動調平模塊，如圖1所示。其中，測量主機基于基準數據與待校準撓度儀的測量數據計算待校準撓度儀的校準數據；移動模塊與測量主機連接，基于測量主機處理基準數據得到的控制信號垂直水平面移動以讓待校準撓度儀進行撓度測量；自動調平模塊，其上設置移動模塊，并與測量主機連接，由測量主機控制實現自動調平。移動模塊及自動調平模塊與測量主機的連接關系如圖1中粗線5(即數據線)所示。

在本實用新型中，通過設置自動調平模塊，能夠保證設置于其上的移動模塊垂直移動的方向垂直于地面，保證待校準撓度儀測量的準確度。移動模塊基于基準數據垂直移動，此處的基準數據為測量模塊輸出的位移量數據，移動模塊基于該位移量數據沿垂直地面方向移動。本實用新型提出的校準方法將動撓度的校準從橋梁現場移到實驗室內進行，降低了對校準環境的依賴，減少了校準成本，提高了校準速度，校準結果可行度更高。本實用新型還能夠滿足大量的光電式橋梁撓度儀生產廠商的校準需求和計量部門的計量需求，能夠滿足橋梁基礎設施建設的需要，將產生大量的經濟效益。

測量主機內置的基準數據包括靜態撓度校準所需的位移量信息和動態撓度校準所需的動撓度曲線，該信息可通過由測量主機控制進行增減，以保證能夠覆蓋不同形式的光電式橋梁撓度儀校準時所需的靜撓度值和動撓度曲線。并且，內置的位移量信息和動撓度曲線不需要通過燒寫固化的方式存入，而是可以直接拷貝存入。因此，本實用新型可以校準靜撓度和動撓度，節省了校準時間，提高了校準效率。

在本實用新型的一個實施例中，該自動調平模塊包括底座7及設置于底座下底面的調平支座和設置于底座上的水平檢測器件8，如圖1所示。其中，移動模塊固定于底座7上，調平支座與水平檢測器件分別與測量主機連接，水平檢測器件檢測底座的水平狀態并將水平狀態數據輸出給測量主機，測量主機基于水平狀態數據調整調平支座以使得底座處于水平狀態，即與地面保持水平。

在本實用新型的一個實施例中，平衡檢測器件可以采用三軸陀螺儀或水平傳感器代替，當然也可以采用其他水平檢測器件，本實用新型以三軸陀螺儀進行說明。在本實用新型的一個實施例中，底座下底面設置有三個帶有微調電機的調節支座，并呈三角形布置，如圖1中的7-1、7-2、7-3所示。

在本實用新型的一個實施例中，自動調平模塊設置有3個呈三角形布置的、帶有與測量主機連接的微調電機的調平支座。底座采用三個帶微調電機的支座結合三軸陀螺儀進行自動調平，其中一個支座在裝置底座的一側中點，另外兩個支座在裝置底座另一側的兩端，形成的三角結構不僅穩定也適用于自動調平算法。

該自動調平模塊上的水平檢測器件、調平支座和底座，結合測量模塊工作。三軸陀螺儀安裝在底座上平面(如該底座為一內部中空的箱體，則可將三軸陀螺儀安裝在底座內部)，帶微調電機的支座安裝在底座下底面且支座呈三角形布置。工作時，三軸陀螺儀讀取底座水平情況，并輸出到測量主機中，測量主機解析出各個軸向的偏移角度，并進行計算，變換為3個微調電機的轉動量，使得3個支座移動，調整底座達到水平，使得絲杠垂直于水平面，保證滑臺的移動方向垂直于水平面。

在本實用新型中，底座采用三個帶微調電機的支座結合三軸陀螺儀進行自動調平，免去了校準前的手動調平環節，提高了工作效率。采用三軸陀螺儀進行底座水平情況的判斷提高了精確度，保證滑臺移動方向垂直于水平面，保證了校準結果的準確，減少了校準設備的不確定度。

在本實用新型的一個實施例中，該移動模塊包括通過機架31設置于底座上的絲杠3、固定于絲杠上并能跟隨絲杠運動的滑臺2以及固定于機架上與測量主機連接、用于驅動絲杠運動的伺服電機。具體的，通過伺服電機驅動絲杠垂直地面并帶動滑臺上下移動，。此處的滑臺用來代替橋梁，通過觀測滑臺的上下移動來模擬測量橋梁的撓度。

在本實用新型的一個實施例中，該移動模塊還包括兩個伺服電機和兩個單向旋轉機構。其中，兩個伺服電機分別固定于機架上，并分別與測量主機連接；兩個單向旋轉機構分別設置于絲杠的兩端并固定于機架上，分別與一個伺服電機連接并由伺服電機分別控制以使得絲杠進行單向旋轉。這樣，有利于伺服電機控制絲杠垂直水平面移動，并且兩個方向不受干擾。并且，采用雙電機結合雙單向旋轉機構的結構，配合處理過的動撓度曲線，可以突破電機絲杠硬件局限性，實現動撓度曲線復現。

具體的，如圖2所示，伺服電機6負責滑臺向上升，伺服電機9負責滑臺向下降，即每個伺服電機只單向旋轉。單向旋轉機構11和單向旋轉機構10聯合工作使得伺服電機6和伺服電機9之間的旋轉互不干擾，其工作形式為：當伺服電機6運動時，單向旋轉機構11將運動從伺服電機6傳遞到絲桿上，從而帶動滑臺向上移動，而單向旋轉機構10則使得伺服電機9打滑，不隨絲杠運動；當伺服電機9運動時，單向旋轉機構10將運動從伺服電機9傳遞到絲桿上，從而帶動滑臺向下移動，而單向旋轉機構11則使得伺服電機6打滑，不隨絲杠運動。

在本實用新型的一個實施例中，該移動模塊還包括固定于絲杠上的編碼器4，用于測量絲杠的轉動數據。如圖2所示，測量主機驅動伺服電機控制滑臺在絲杠上按照相應的位移量或曲線移動，通過編碼器接口讀取編碼器返回的數值，和伺服電機形成閉環控制，實時修正伺服電機的轉動量，以保證滑臺移動的距離和主控制器輸出的值相同。采用閉環控制系統，使得滑臺的移動位置可知可控。使用伺服電機帶動絲桿轉動，從而帶動滑臺移動，并在絲杠另一端安裝編碼器，通過編碼器采集到滑臺的實際位移量，并反饋給控制器，實時對伺服電機的轉動進行控制，保證滑臺的位移量和控制器輸出給伺服電機的位移量保持動態一致。采用編碼器對滑臺的位移量進行監測。由于編碼器具有很高的精度，且安裝簡單，在裝置安裝生產過程中的經濟投入較小，維護成本低。并且，本實用新型采用編碼器對滑臺移動的位移量進行反饋，相比于光柵尺的方案，減少了其設備在安裝過程中所需要的輔助設備，節約了安裝成本。本實用新型采用編碼器進行反饋，與伺服電機形成閉環控制，提高了滑臺移動位置的精確度，保證了校準結果的準確。

在本實用新型的一個實施例中，該測量主機包括存儲器、主控制器和電機驅動器。其中，存儲器用于存儲基準數據；主控制器基于基準數據輸出電機驅動信號，并基于基準數據與待校準撓度儀的測量數據計算待校準撓度儀的校準數據；電機驅動器根據主控制器輸出的電機驅動信號驅動伺服電機。具體的，如圖1和 2所示，其中，1-1為控制器，1-2為按鍵，1-3為顯示器，1-4為開關等。存儲器中內置的基準數據包括靜態撓度校準所需的位移量信息和動撓度曲線，該信息可通過存儲器進行增減，以保證能夠覆蓋不同型號的光電式橋梁撓度儀校準時所需的靜撓度值和動撓度曲線。其中動撓度曲線是實測動撓度曲線集經過數據處理后提取的曲線，便于光電式橋梁撓度儀校準裝置復現。

具體的，測量主機可將動撓度曲線自動分解為滑臺移動速度、移動時間和移動距離信息，再轉換為伺服電機轉動速度、轉動時間和轉動角度信息，以驅動伺服電機轉動。測量主機通過電機驅動器驅動伺服電機控制滑臺在絲杠上按照相應的位移量或曲線移動，通過編碼器接口讀取編碼器返回的數值和伺服電機形成閉環控制，實時修正伺服電機的轉動量，以保證滑臺移動的距離和主控制器輸出的值相同。此處的校準裝置復現的動撓度曲線是實測動撓度曲線經過數據處理后提取的曲線，以滿足伺服電機的運行需求。

在本實用新型的一個實施例中，該測量主機還包括與主控制器連接的顯示器和鍵盤，其中，鍵盤可用于進行功能選擇，也可用于編輯輸入靜撓度位移量和動撓度曲線。顯示器可顯示功能選擇界面、實時顯示輸出靜撓度位移量或動撓度曲線的值和圖像、顯示靜撓度位移量和動撓度曲線的編輯過程等。

在本實用新型的一個實施例中，該測量主機還包括編碼器接口、電源和時鐘芯片。其中，編碼器接口與主控制器連接，用于接收編碼器的輸出數據；電源與主控制器連接，用于向所述主控制器提供工作電源；時鐘芯片與主控制器連接，用于向主控制器提供時鐘信號。

本實用新型的校準裝置測量基本原理步驟包括：基于基準數據垂直移動用于模擬橋梁的移動模塊，同時待校準撓度儀對移動模塊進行撓度測量；基于基準數據與待校準撓度儀的測量數據計算待校準撓度儀的校準數據，并根基所述校準數據對待校準撓度儀進行校準，其中，基準數據包括：用于進行靜撓度校準的位移量信號和用于進行動撓度校準的動撓度曲線。采用以上裝置進行光電式橋梁撓度儀校準的實現過程如圖3所示，具體包括以下步驟：

(1)將光電式橋梁撓度儀鏡頭正對校準裝置的滑臺標識。

(2)啟動校準裝置，其開機自檢后進行自動調平，使得滑臺位置歸零(設置為絲杠中點位置)。

(3)進行靜撓度、動撓度校準選擇。

(4)進行模式選擇，模式選擇分為內置位移量(或內置動撓度曲線)和手動輸入位移量(或手動輸入動撓度曲線)。

(5)啟動光電式橋梁撓度儀，啟動撓度測量。

(6)校準裝置滑臺根據選擇的位移量或動撓度曲線開始移動，光電式橋梁撓度儀實時測量滑臺的移動情況。滑臺停止移動后，停止光電式橋梁撓度儀的撓度測量。

(7)選擇是否繼續測量，若繼續測量則重復上述(3)～(6)，若不繼續則選擇是否返回動\靜撓度校準，若返回則重復上述(4)～(6)，若不返回則直接退出測量。

(8)退出測量時滑臺位置歸零。

(9)關閉光電式橋梁撓度儀。

通過以上步驟(1)-(9)可以得到待測光電式橋梁撓度儀的校準數據，并基于該校準數據對待測光電式橋梁撓度儀進行校準。

雖然本實用新型所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本實用新型而采用的實施方式，并非用以限定本實用新型。任何本實用新型所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本實用新型所公開的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本實用新型的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。