用于监测管廊双向位移变形的传感器及其监测方法

技术领域

本发明属于地下管廊主体结构的健康监测技术领域，尤其涉及一种用于监测管廊双向位移变形的传感器及其监测方法。

背景技术

地下管廊主体结构的健康监测，主要是对地下管廊管节间主体结构的不均匀沉降和管廊轴向变形两个方向上的物理变形量的监测。

在现有技术提供的方案中：

1、实用新型专利“一种用于监测管廊双向位移变形的装置”(申请号：201821188239.6)。

其设计方案如说明书附图1所示，该方案主要存在以下缺陷：(1)当仅发生在管廊方向的位移时，传感器4能够准确测量位移变化信息；(2)当仅发生在垂直于管廊方向的位移时，传感器7能够准确测量位移变化信息；(3)但是，当两个方向同时发生位移时，位移的测量将发生误差影响。管廊方向位移发生时，由于1和10的连接，将促使万向节8向右移动，从而7测量到垂直于管廊方向位移信息。但是，该垂直于管廊位移并非由于1和10发生了相对的垂直于管廊方向位移变化，而是由于1和10的管廊方向位移间距引起，实际并无垂直于管廊方向的相对位移，进而导致位移的测量误差。该误差将随着1和10管廊方向位移的增大而增大。

2、发明专利“一种双向位移计”(申请号：201710468920.X)

设计方案如图2所示，该方案工作原理简介：(1)该位移计，用于测量9号点相对于左侧传感器主体结构10在左右横向和垂直7平面方向的位移；(2)9相对10发生垂直于7平面的位移时，位移信息被粘贴于7表面的应变片2采集和记录；(3)9相对10发生左右横向位移时，拉绳3拉动1发生上下位移变形，该变形由应变片2采集。

该设计方案可能存在潜在缺陷：1上面应变片能够测量1的末端位置4发生的上下位移信息。但是1末端4的上下位移量并不对应9的左右位移量，二者存在误差，且误差随着1的末端4的上下位移量的增大而增大。

通过对以上两种现有技术的研究分析后不难发现，当前双向位移计在测量位移时，均存在一个方向的位移量对另一个方向的位移量测量精度造成影响的问题。且在现有技术的范畴内无法找到解决以上问题的有效办法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明旨在提供一种用于监测管廊双向位移变形的传感器装置，在测量过程中，能够避免二个方向位移测量时的相互影响，从而双向位移传感器在实践应用中的位移测量精度。

在其设计的过程中，主要考虑已有的双向位移传感器设计方案，存在的某个方向的位移可能对另一个方向的位移测量造成影响的潜在问题，以便能够实现以下目的：

(1)消除双向位移计在测量过程中，一个方向的位移对另一个方向的位移测量造成误差影响；

(2)通过简单的设计方案和理论计算方法，从而消除双向位移计在两个方向上位移测量时的相互影响；

(3)提高两个方向上均存在较大位移变形时，消除两个方向位移在测量中的相互影响，并提高位移测量的精度。

其具体采用以下技术方案：

一种用于监测管廊双向位移变形的传感器，相互分离的第一壳体和第二壳体分别固定于管廊相邻管节的第一管节和第二管节处，包括：第一位移测量组件和第二位移测量组件；

所述第一位移测量组件用于测量垂直于管廊方向的位移变形；

所述第二位移测量组件，用于测量包括垂直于管廊方向和平行于管廊方向的总体位移变形；

所述第一位移测量组件包括相连接的弹片和滑动模块；所述弹片的一端与第一壳体固定连接，另一端连接滑动模块的滑动部；所述滑动模块的滑动部安装在位于第二壳体的限位部上，并与限位部在管廊方向上构成自由移动且垂直于管廊方向上构成限位的连接关系；

所述第二位移测量组件至少包括一个两端分别连接第一壳体和第二壳体的弹性件；

所述弹片和弹性件上分别设置有位移传感器。

进一步地，所述位移传感器采用光纤光栅位移传感器。

进一步地，所述滑动部采用滚珠螺栓，所述弹片和滚珠螺栓的侧部垂直连接，所述滚珠螺栓的两端带有滚珠，以安装在第二壳体的限位槽内；

在初始状态下，弹片与管廊方向平行；

所述第二位移测量组件采用带有连杆的弹簧，两端分别与第一壳体和第二壳体固定连接；位移传感器安装在连接第一壳体的连杆上；在初始状态下，弹簧与管廊方向平行。

进一步地，其监测方法为：通过三角关系，利用第一位移测量组件和第二位移测量组件采集获得的位移值计算获得管廊方向上的位移变形。

在以上提供装置方案的基础上，本发明还提供一种用于监测管廊三向位移变形的传感器，增加了第三位移测量组件，用于测量垂直于管廊方向且不同于第一位移测量组件测量方向的位移变形。

进一步地，所述第三位移测量组件采用的第二弹片和第二滑动模块设置在与第一位移测量组件的垂直方向。

进一步地，在利用第三位移测量组件和第一位移测量组件采集获得垂直于管廊的两个方向的位移变形，以及利用第二位移测量组件采集获得管廊总体位移变形的基础上，通过向量合成原理，计算获得管廊方向上的位移变形。

考虑传感器测量方案，在测量中两个方向的位移对于测量存在误差影响，且误差随着位移量的增大而增大。本发明及其优选方案可对结构体之间的两个方向的相对位移量进行测量，弥补了现有双向位移传感器的不足。通过精简且低成本的结构设计，直接避免了位移之间在测量中存在的相互影响，进而能够提高两个方向位移测量的精度，同时不需要复杂的算法处理就能够直接获得精确的位移测量结果。

在此基础上还提供了进一步优化后的传感器设计，可对结构体在三个方向上的相对位移进行有效测量，从更完备的角度避免了各方向位移测量的相互影响，提高了测量精度，可以用于有三向测量需求的工程应用场景中。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为现有技术“一种用于监测管廊双向位移变形的装置”的结构示意图；

图2为现有技术“一种双向位移计”原理示意图；

图3为地下管廊位移示意图；

图4为本发明实施例双向位移测量传感器原理图；

图5为本发明实施例变形示意图；

图6为地下管廊位移示意图2；

图7为本发明实施例三向位移测量传感器原理图；

图8为本发明实施例三向位移变化的坐标示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：以下结合附图对本发明实施例进行详细的介绍：

(1)双向位移测量原理

本发明主要解决的技术问题在于，对地下管廊结构发生管廊纵向和竖直方向两个方向的位移变形的进行监测，如图3所示。图3当中，1为管廊截面，2为左侧管廊，3为两节管廊连接处，4为右侧管廊。地下管廊由于地基下沉、上部荷载、土地变形等原因，使用中可能发生管节上下位移和纵向位移的变形，该变形对管廊的结构健康有较大影响。对管廊节间的位移进行监测，可用于评估管廊结构健康状态，以便进一步提出相应的结构加固方案。

为此，本实施例提出图4所示的设计方案。图4当中1为传感器左侧结构，安装在左侧管节上，2为传感器右侧结构，安装在右侧管节上，3为弹片，4为滚珠螺栓，5为光纤光栅位移传感器，6为弹簧，7固定挂钩，8为弹簧与结构体连接点。

传感器的左右侧结构分别固定设置于地下管廊的相邻管节处，用于监测相邻管节在管廊纵向和竖直方向上的相对位移。当相邻管节由初始状态发生相对位移后，左右两侧的相对位移示意图如图5所示。传感器左侧结构设置于图5的左侧结构A点，右侧传感器设置于右侧结构B点。假设A、B发生相对位移，如图5所示，B点位置有原来的B点移动至B’点，管廊的相对位移x、y，即为传感器监测的位移变形量。

垂直方向位移y测量原理：当结构发生垂直方向变形y时，将使传感器的3弹片发生弯曲变形，弹片3弯曲后，弹片的表面发生应变变形，应变变形将由粘贴在3末端的5光纤光栅位移传感器采集获得。弹片表面粘贴光纤光栅位移传感器处的应变变形与弹片的弯曲变形产生的纵向扰度，即图5中的y值，有一一对应的关系，该关系函数可事先通过传感器校正获得。由于设计方案中，弹片与传感器右侧结构接触采用滚珠螺栓，利用其在管廊方向的自由度，使x方向的变形，不影响y方向的测量。

管廊纵向位移x测量原理：管廊左右两侧的原AB距离在发生变形后，变为AB’。传感器内部结构的5弹簧的两端7和8间的位置关系，与图5中AB的位置关系一致。当管廊发生变形后，7和8的位置关系和变形后的AB’的关系仍然保持一致。因此，7和8的之间的在垂直和纵向上的两个位移关系即为管廊间的相对变形关系。AB变形后，传感器的弹簧6将发生变形，弹簧变形引发杆体发生应变变形，该应变变形可由粘贴于弹簧末端的光纤光栅位移传感器5测量得到。AB因变形伸长的距离与杆体应变存在一一对应关系，可通过传感器校正确定。因此，AB变形后的长度变形可获得，AB’距离即可直接获得。

根据传感器安装位置和管廊变形后的位置关系，由图5可知，变形间的位移存在以下关系式

式中：D

由此可见本实施例方案提供的传感器，能够表征双向位移在测量中的相互影响。通过结构设计及对应的简单计算，合理地规避了两个方向位移在测量时的相互影响造成的误差。

(2)三向位移测量原理

为进一步提供优化本实施例以上提供的技术方案，以下还提供可实现三个方向位移的变化监测。在上述既有的技术方案基础上，通过增加装置的复杂度，对装置进行传感器部件的增设，从而实现三个方向位移变化的同时监测，三个监测位移变化方向的示意图如图6所示。图中，1为管廊截面，2为左侧管廊，3为两节管廊连接处，4为右侧管廊。

地下管廊三个方向的相对位移，分别由图8中的坐标系表示：管廊纵向位移，为x轴的OP；管廊横向位移，为y轴的OQ表示；管廊竖直方向位移，为z轴OR表示。

管廊横向相对位移方向OQ和垂直方向相对位移OR的测量原理。OQ和OR的距离变化，分别由图7中分别粘贴于2个弹片3上光栅传感器5采集获得。当结构发生这两个方向三的变形时，将促使对应传感器的3弹片发生弯曲变形，弹片3弯曲后，弹片的表面发生应变变形，应变变形将由粘贴在3末端的5光纤光栅位移传感器采集获得。弹片表面粘贴光纤光栅位移传感器处的应变变形与弹片的弯曲变形产生的纵向扰度，即图5中的y值，有一一对应的关系，该关系函数可事先通过传感器校正获得。由于设计方案中，弹片与传感器右侧结构接触采用滚珠螺栓，因此，OQ和OR的位移变化不相关，相互独立，互不影响。

管廊纵向位移x测量原理。管廊左右两侧发生位移变形后的距离为OM。此时，传感器的弹簧6将发生变形，弹簧变形引发杆体发生应变变形，该应变变形可由粘贴于弹簧末端的光纤光栅位移传感器5测量得到。AB因变形伸长的距离与杆体应变存在一一对应关系，可通过传感器校正确定。因此，OM变形后的长度变形可获得，OM距离可获得。

根据传感器安装位置和管廊变形后的位置关系，由图8可知，变形间的位移存在以下关系式：

式中：D

优化的方案传感器，充分考虑了三个方向位移在测量中的相互影响。通过结构设计和简单算法，合理地规避了各个方向位移在测量时的相互影响和造成距离测量误差。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的用于监测管廊双向位移变形的传感器及其监测方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。