激光非接触位移传感器的研制及其应用

【摘要】：结构试验是土木工程学和地震工程学的重要研究领域，其发展对认识结构破坏机理，识别和修正计算模型，最终提高结构抗震防灾能力具有重要意义。 在地震工程领域，利用大型振动台进行结构地震模拟实验研究历来受到广泛重视，但目前在实验中，结构相对位移的准确测量一直未能得到满意的解决。位移传感器种类较多，但适合地震模型试验中空间振动位移测量的传感器很少，由传感器结构和机理所至，测试结果精度不高。针对这一问题，本文将新型相对位移传感器的研制作为基本目标。在开发激光非接触位移传感器的基础上，对混凝土构件在小变形下的力学特性进行实验研究，具体包括：混凝土构件动、静刚度的实测和比较，动刚度与构件变形的关系，不同振动频率下的构件阻尼比变化关系，以及水平双向受力条件对构件刚度的影响，还利用该传感器对地震模拟试验中的管道跨越工程进行了测量，并与其它传感器进行了比较，主要研究进展概括如下： 在总结和借鉴国内外传感技术发展的基础上，开发了采用非接触方式的激光位移计。该位移计由激光光源和光敏器件组成，可满足结构相对位移的测量要求；可根据测点位置和量程大小，调整传感器光学镜头的焦距，适应不同测试工况。该位移计的机理和结构设计，提高了位移测量的分辨率、线性度和频响特性，可提高地震模拟振动台试验中结构相对位移的测量精度。另外，该位移计还具有结构简单、成本较低的优点。 利用激光非接触位移传感器可较精确测量动态微小变形的功能，对混凝土结构构件在微小变形条件下的力学特性进行了实测研究。测试结果表明，在实验工况下，构件动刚度比静刚度高约20％。即使在微小变形条件下，砼材料也具有非线性性质，不是理想的弹性材料。在实验的频率范围内，不同振动频率下的阻尼比近似保持常数，再次证实混凝土并非耗能特性与频率相关的粘弹性材料；砼构件的动刚度随振动频率变化不大，表明其力学参数无明显频变特征。另外，在微小变形条件，混凝土构件的动刚度也会因空间受力状态而发生较大的变化，由单向变形试验测定的构件刚度在经受正交方向微小变形后，可降低20％。上述试验结果可供进一步研究混凝土结构的力学模型、振动控制和健康诊断参考。 在某管道跨越工程模型地震模拟试验中，设置了包括本文研制开发的激光位移计在内的多种位移计，并对测试结果进行了比较分析。结果表明，激光位移计为振动试验中结构相对位移和自振特性的测量提供了一种新的、可靠的手段。