李志偉，黃茂忠，李明樂

(1.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.河北航科工程檢測設備技術有限公司，河北衡水 053000)

我國已建成和正在修建的高速鐵路中，尚沒有一套技術和經濟上均可行的監(jiān)測體系對橋梁總體的運營安全狀態(tài)實施長期化的安全監(jiān)測，因為目前的橋梁健康監(jiān)測方法經濟上是無法承受的?；诟咚勹F路橋梁的荷載特點，橋梁運營安全主要取決于橋梁的位置狀態(tài)是否正常，因此，對于高速鐵路橋梁的長期性安全監(jiān)測，可重點監(jiān)測與線路平順性密切相關的橋梁結構位置狀態(tài)，掌握其發(fā)展變化趨勢，實施早期預警[1]。

影響線路平順性的橋梁結構相對位置主要是墩臺相對沉降、傾斜和梁的撓曲變形，其監(jiān)測方法目前主要有水準儀測量法[2]、GPS測量法、連通管法和傾角測試法[3]等。前3種方法各有其優(yōu)缺點，但均不宜大量用于高速鐵路橋梁的安全監(jiān)測。

傾角監(jiān)測法要求傾角儀精度高，長期穩(wěn)定性好，受溫度變化的影響小，可實現(xiàn)遠程自動化數據采集與分析[4]等，同時經濟上必需具可行性。目前有各種各樣的傾角儀，一些精度低，一些雖然精度高，但價格太高，還有一些無法實現(xiàn)遠程自動化測試，均無法用于對大量的高速鐵路橋梁進行長期性安全監(jiān)測。

1 高精度梁式傾角儀的理論分析

高精度梁式傾角儀是一種將力傳感器轉換成傾角傳感器的電阻應變式高精度傾角儀。具有結構簡單、測試技術成熟可靠、精度高、造價低并可實現(xiàn)遠程自動化數據采集等優(yōu)點。

1.1 梁式傾角儀的結構原理

圖1為梁式高精度傾角儀結構原理。截面為b×h的懸臂梁上端與被測物體固定，下端受一重量為G的重物水平分力的作用，懸臂梁與垂直方向夾角α。在圖1所示平面內，懸臂梁在G的分力作用下產生撓曲變形，其固定端處承受的彎矩最大，該端由于彎曲產生的應變也最大。當被測物體發(fā)生圖示面內轉動時，帶動與其固定連接的懸臂梁同時發(fā)生轉動，α角相應發(fā)生變化，懸臂梁固定端的彎矩和應變也相應發(fā)生變化，此應變變化通過電橋轉換成電壓變化輸出，這樣被測物體發(fā)生的轉動通過懸臂梁的彎曲變形轉換成為電壓變化輸出。

圖1 梁式傾角儀結構原理

1.2 計算分析

1.2.1 梁的受力與變形

忽略懸臂梁彈性變形的影響(參見圖1)，懸臂梁固定端的彎矩為

固端處截面的應力和應變?yōu)?/p>

式(3)中E為懸臂梁的彈性模量，當懸臂梁的角度變化量很微小，為dα時，懸臂梁固端截面產生的應變增量為

式(2)、式(3)和式(4)說明初始角α越大，懸臂梁固端處截面的應力和應變越大，而其應變變化率dε/dα則隨初始角度α的增大而減小，因此為得到較大的應變變化率，提高傳感器的精度，懸臂梁應盡量處于垂直狀態(tài)。

1.2.2 測試精度分析

根據式(4)得出

如果應變測試精度達到 1×10-6，即 dε＝1×10-6，根據式(5)計算得出dα＝5.7″。

2 試驗及分析

試驗的目的是驗證高精度梁式傾角儀技術性能指標是否達到監(jiān)測所需的要求。試驗內容包括:分辨率、精度、直線度、重復性、遲滯特性、零漂、溫漂和長期穩(wěn)定性試驗。

高精度梁式傾角儀的試驗方法參照有關規(guī)范進行:①精度、直線度、重復性、遲滯和分辨率試驗在試驗臺座上進行，每個梁式傾角儀進行3次加載和卸載循環(huán)試驗，試驗荷載為對梁式傾角儀施加的轉角。轉角在試驗范圍內分級施加，采集每級轉角下梁式傾角儀的輸出；②零漂和溫漂試驗依據相關規(guī)范要求進行，試驗時長不小于30 min，數據采集頻率10次/min；③穩(wěn)定性試驗依據相關規(guī)范要求在一固定的梁上進行，試驗時長為1個月，數據采集頻率1次/10 min。

試驗結果分析:通過對梁式傾角儀系統(tǒng)性試驗，分析其測試精度、直線度、重復性、遲滯以及零漂、溫漂和長期穩(wěn)定性是否符合橋梁位置狀態(tài)測試所需精度要求或相關規(guī)范的要求，對其綜合技術性能作出評價。

2.1 分辨率試驗

分辨率試驗在不同的初始角度下進行，分6級施加傾角，每級為0.000 7°，圖2為分辨率試驗結果。

圖2 梁式傾角儀分辨率試驗

試驗結果表明:在不同的初始傾角下，3個梁式傾角儀輸出讀數對每級0.000 7°傾角增量的6次加載不但作出相應變化，而且輸出讀數基本呈線性關系，說明了梁式傾角儀的分辯率均優(yōu)于0.000 7°。

2.2 標定試驗及分析

依據橋梁位置狀態(tài)測試需要，梁式傾角儀±1°的測試范圍可滿足測試要求。將梁式傾角儀的初始角度設在1°左右，標定試驗范圍為0.2°～2.0°，分9級施加傾角，傾角從0.2°～2.0°，再逐級卸載至0.2°為1次荷載循環(huán)。每個梁式傾角儀標定試驗進行3次荷載循環(huán)，采集每組加載循環(huán)后傾角儀的各級輸出值，取3組試驗的平均值作為梁式傾角儀的輸出值并將其與所施加的傾角比較，根據試驗結果分析傳感器的精度、直線度、重復性、遲滯等技術指標。

圖3為3個梁式傾角儀的標定曲線，其精度、直線度、重復性、遲滯見表1所示。

圖3 梁式傾角儀標定曲線

表1 精度測試數據

試驗結果表明:3個梁式傾角儀均具有很高的精度、直線度、重復性和極低的遲滯。

2.3 零漂試驗

對經過標定的梁式傾角儀進行零漂試驗。試驗時將傾角置于0°附近，按10次/min的采集頻率采集數據。根據相關規(guī)范要求，零漂試驗時長為30 min，本試驗數據采集時長為35 min，測得各梁式傾角儀輸出讀數的變化情況見圖4所示。

圖4 梁式傾角儀零漂測試試驗

試驗結果表明:梁式傾角儀最大的零漂僅為0.05%FS。

2.4 溫漂試驗

對經過標定的梁式傾角儀進行溫漂試驗，試驗時將傾角設定在0°附近，在-2℃和23℃環(huán)境下采集數據，按10次/min的頻率采集數據。根據相關規(guī)范，溫漂試驗時長為30 min，測得各梁式傾角儀輸出讀數的變化情況見圖5所示。

圖5 傾角儀溫漂測試試驗

試驗結果表明:梁式傾角儀的溫漂最大為0.27%FS。

2.5 長期穩(wěn)定性試驗

根據傳感器長期穩(wěn)定性試驗相關標準的要求，穩(wěn)定性試驗用3個傳感器，每個梁式傾角儀設相互垂直2個方向的測點，共6個測點，分別在不同傾角下進行測試，試驗過程數據采集頻率1次/10 min，測試持續(xù)一個月時間，每個測點采集數據共4 294個。圖6為測試設備的安裝圖。

試驗結果表明:根據測試數據計算得出梁式傾角儀各個測點的長期穩(wěn)定性最大偏差為1.9%FS。

2.6 橫軸影響試驗

梁式傾角儀可通過應變片對稱粘貼的辦法消除橫軸影響，即如果傳感器測試方向為x方向，在與之垂直的y方向發(fā)生轉動時，傳感器的輸出為0，圖7為橫軸影響試驗得出的傾角輸出曲線。

圖6 長期穩(wěn)定性試驗設備安裝

圖7 橫軸影響試驗曲線

試驗結果表明:傾角從-0.3°至0.3°變化時，3個梁式傾角儀的輸出增幅僅分別為0.36%FS，0.36%FS和0.11%FS。

3 高精度梁式傾角儀的經濟性及結論

高精度梁式傾角儀的制造成本包括懸臂梁彈性體制造費、裝配結構及安裝盒制造費、前置器制造費和組裝調試費。經對研制過程各部件的加工工藝和批量制造工藝及成本的分析，參考現(xiàn)有類似產品的售價，高精度梁式傾角儀制造成本可控制在2 000元/個以下，大批量制造時成本還將更低。

正由于其高精度和低成本，高精度梁式傾角儀適用于作為高速鐵路橋梁安全監(jiān)測用傳感器。