便携式桥梁挠度测量仪的设计和实现

　　1 概述

　　桥梁挠度是桥梁结构物运营状态的综合反映,是判定桥梁竖向刚度的重要技术参数, 是桥梁检定、危桥改造和新桥验收的重要指标。

　　目前, 国内采用的挠度测量方法主要有 4 种: 一是弹簧拉钢丝法, 在桥下有水、受铁路或公路行车限界影响的跨线桥、跨越峡谷的桥梁时无法直接测量;二是倾角仪法, 利用电容伺服式倾角仪与数字积分器联结, 测出桥梁的挠度曲线, 该方法使用繁琐, 且各倾角仪之间相位差、瞬态反应时间、零飘等影响测量精度; 三是激光靶法, 由单色激光瞄准光靶, 当列车通过时, 根据光靶输出电压大小来测定桥梁的挠度, 该方法安装调试困难, 挠度的分辨率不高; 四是摄像测量法, 利用工业摄像机和计算机图像处理技术对安设在梁部的靶标进行实时图像采集, 并将图像数据通过计算机处理, 得出桥梁动态挠度数据及曲线, 并计算出冲击系数等振动技术参数, 该设备体积大, 安装使用不便, 价格昂贵, 测量时标定复杂。北京局工务处与太原局科研所联合攻关, 于2006 年成功研制出便携式桥梁挠度测量仪。

　　2 测量仪组成与技术特点

　　2.1 测量仪组成

　　测量仪由 1 台 CCD 瞄准仪、1 台便携式计算机、编码标尺及固定基座等组成。

　　2.2 测量仪技术特点

　　(1) 测量精度高, 误差小于 0.5 mm。

　　(2) 对准目标后, 无需标定, 可自动检测光照、聚焦等。

　　(3) 采用高速线阵 CCD, 采样频率可高达 200 Hz以上。

　　(4) 采用编码标尺, 标尺无需电源, 操作简便,测量量程大。

　　(5) 适用性强,能够对桥梁静态、动态挠度进行测量, 不受桥梁和墩台横向振动影响。

　　3 工作原理

　　3.1 系统原理

　　固定编码标尺通过光学系统, 在 CCD 的光敏元上形成光学图像, CCD 器件把光敏元上的光信息转换成与光强成正比的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对 CCD 进行驱动, 在 CCD 输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱, 而信号输出的时序则对应 CCD 光敏元位置的顺序。通过后续处理电路对 CCD 输出的视频信号进行二值化处理后, 将被测目标从背景中分离出来。

　　通过计算编码标尺影像的宽度, 并根据标尺图像的数值计算方法和编码原理, 计算出固定编码标尺的高度读数, 此数据即为桥梁静态挠度。

　　连续摄取并测量多幅 CCD 图像, 计算动态条件下的编码标尺的高度读数, 得出桥梁动态挠度。系统工作原理如图 1 所示。

　　3.2 挠度 CCD 光电测量原理