專利名稱：確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷/損壞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷和/或因機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損 壞或狀態(tài)的方法。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及確定建筑物載荷和/或建筑物載荷導(dǎo) 致的建筑物損壞的方法，并涉及適合此目的的設(shè)備。
背景技術(shù)：
在建筑物承載(例如，地震、風(fēng)暴、平坦屋頂上的積雪導(dǎo)致的重力載荷) 過(guò)程中或承載之后監(jiān)控建筑物結(jié)構(gòu)整體性是重要的工作。除了需要減少個(gè)人 損失之外，此時(shí)還必須考慮使建筑物停用時(shí)間最少的方面。此外，城鎮(zhèn)的規(guī) 模不斷增大，存在多變的地形特性，導(dǎo)致建筑物載荷的影響例如地震的影響 可能從城鎮(zhèn)的一部分到另 一部分存在顯著的不同。在界定地非常狹窄的區(qū)域 內(nèi)，具體建筑物的類型和結(jié)構(gòu)可能存在明顯的不同。因此，在極端情況下， 對(duì)于一幢建筑物來(lái)說(shuō)，如果遭受建筑載荷，可能損害嚴(yán)重，而直接毗鄰的結(jié) 構(gòu)基本上保持毫發(fā)無(wú)損。
在災(zāi)害防護(hù)方面，因此產(chǎn)生了極其困難的情形，因?yàn)閷?duì)于優(yōu)化和協(xié)調(diào)救 援措施來(lái)說(shuō)，在相對(duì)龐大的大城市區(qū)域發(fā)生災(zāi)害事件時(shí)，沒(méi)有簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)來(lái) 訂立^t爰助措施的優(yōu)先次序。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所立足的目的在于具體說(shuō)明一種用來(lái)確定具體建筑物載荷和/或 建筑物損壞的方法和設(shè)備，以使可以在相對(duì)龐大的大城市區(qū)域發(fā)生突害事件 時(shí)，可以對(duì)援助措施訂立優(yōu)先次序。
為實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)權(quán)利要求1和2,本發(fā)明確定了建筑物的載荷和/ 或建筑物載荷導(dǎo)致的建筑物損壞。此外，根據(jù)權(quán)利要求7和8，本發(fā)明提供 了 一種方法，用于確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)的損 壞或狀態(tài)。此外，根據(jù)權(quán)利要求9和10，本發(fā)明提供了對(duì)應(yīng)的設(shè)備。在從屬 權(quán)利要求中可以看出本發(fā)明具有優(yōu)勢(shì)的改進(jìn)和發(fā)展。
根據(jù)本發(fā)明用來(lái)確定建筑物載荷和/或建筑物載荷導(dǎo)致的建筑物損壞的 方法，其特征在于，借助剛性地機(jī)械連接到建筑物部分上的光纖旋轉(zhuǎn)傳感器 測(cè)量因建筑物載荷導(dǎo)致的建筑物部分的旋轉(zhuǎn)或建筑物損壞，并且從測(cè)量的旋 轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)建筑物載荷/或建筑物損壞。
為了能更精確地確定建筑物載荷/建筑物損壞，可以采用多個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感 器，而非單個(gè)光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，因此，可以借助剛性地機(jī)械連接到建筑物部 分的對(duì)應(yīng)光纖旋轉(zhuǎn)傳感器測(cè)量因建筑物載荷/建筑物損壞導(dǎo)致的多個(gè)建筑物 部分的旋轉(zhuǎn)，并且從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)建筑物載荷/建筑物損壞。換句話說(shuō)， 每個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器測(cè)量其所連接的建筑物部分的旋轉(zhuǎn)。然后從具體建筑物部分 確定的旋轉(zhuǎn)的總和來(lái)推導(dǎo)建筑物的總體狀態(tài)，或者可以對(duì)于建筑物的每個(gè)部 分具體確定建筑物載荷/建筑物損壞。因此，例如可以檢測(cè)建筑物上的扭曲， 例如建筑物連續(xù)的樓層之間的扭曲。
根據(jù)需要，每個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器都可以具體設(shè)計(jì)成單軸、雙軸或三軸式旋轉(zhuǎn) 傳感器，就是說(shuō)每個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器可以具體設(shè)計(jì)成測(cè)量圍繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸、兩個(gè) 旋轉(zhuǎn)軸或三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的傳感器。因此，例如，建筑物特別關(guān)鍵的部分 可以裝備三軸旋轉(zhuǎn)傳感器，以便能精確測(cè)量，而在建筑物不重要的部分，例 如雙軸或單軸式旋轉(zhuǎn)傳感器就足夠了 。
在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)傳感器緊固到建筑物的側(cè)墻上，以使可 以從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)側(cè)墻和由側(cè)墻支撐的建筑物地板或天花板之間的相
對(duì)角度。這種相對(duì)角度對(duì)于評(píng)估建筑物載荷/建筑物損壞來(lái)說(shuō)，特別是對(duì)地震 損壞來(lái)說(shuō)，是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的措施。
除了光纖旋轉(zhuǎn)傳感器之外，還可以在建筑物上設(shè)置加速度傳感器或者其 他傳感器，它們剛性地機(jī)械連接到對(duì)應(yīng)的建筑物部分，并通過(guò)其測(cè)量建筑物 載荷/建筑物損壞導(dǎo)致的建筑物部分的平動(dòng)，而且從所測(cè)量的平動(dòng)可以推導(dǎo)建 筑物載荷/建筑物損壞。額外提供這些傳感器允許特別精確地確定建筑物載荷 /建筑物損壞，因?yàn)榭梢詼y(cè)量運(yùn)動(dòng)的全部六個(gè)自由度(準(zhǔn)確地說(shuō)，平動(dòng)的三個(gè) 自由度和旋轉(zhuǎn)的三個(gè)自由度)。
在本發(fā)明方法的 一個(gè)實(shí)施例中，從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)和/或平動(dòng)來(lái)推導(dǎo)建筑物相 對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的取向變化。這種取向變化可以認(rèn)為是確定建筑物載荷/ 建筑物損壞特別是地震損壞的可靠測(cè)量值。
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供一種方法，用來(lái)確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)
載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀態(tài)。該方法的特征在于，經(jīng)由剛性地機(jī)械連接 到結(jié)構(gòu)部分的光纖旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷/損壞導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)部 分的旋轉(zhuǎn)，并且從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷/損壞/狀態(tài)。
此外，本發(fā)明涉及一種方法，用來(lái)確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷 導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀態(tài)。該方法的特征在于，經(jīng)由剛性地機(jī)械連接到結(jié) 構(gòu)部分的對(duì)應(yīng)光纖旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷/損壞導(dǎo)致的多個(gè)機(jī)械結(jié) 構(gòu)部分的旋轉(zhuǎn)，并且從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷/損壞/狀態(tài)。
術(shù)語(yǔ)"機(jī)械結(jié)構(gòu)"應(yīng)理解為指的是例如建筑物或建筑物部分(屋頂)、 橋梁、隧道、飛行器的機(jī)艙或機(jī)翼、地面部分(例如，山體的巖石)、管道 或交通線路(公路、軌道、鐵路)等等。
此外，本發(fā)明提供了用來(lái)確定建筑物載荷和/或建筑物載荷導(dǎo)致的建筑損
壞的設(shè)備。該設(shè)備的特征在于
-光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，其剛性地機(jī)械連接到建筑物部分；和
-評(píng)估裝置，其連接到該旋轉(zhuǎn)傳感器，根據(jù)該旋轉(zhuǎn)傳感器^r測(cè)到的建筑 物旋轉(zhuǎn)來(lái)確定建筑物載荷/建筑物損壞。
此外，本發(fā)明涉及一種設(shè)備，用來(lái)確定機(jī)械機(jī)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷 導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀態(tài)，該設(shè)備具有
-光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，其剛性地機(jī)械連接到結(jié)構(gòu)部分；和
-評(píng)估裝置，其連接到該旋轉(zhuǎn)傳感器，根據(jù)該旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)到的結(jié)構(gòu) 部分的旋轉(zhuǎn)來(lái)確定結(jié)構(gòu)載荷/損壞/狀態(tài)。
本發(fā)明方法框架內(nèi)提出的敘述內(nèi)容(實(shí)施例)類似地適用于本發(fā)明的設(shè) 備，因此，本發(fā)明的設(shè)備還包括多個(gè)光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，這些旋轉(zhuǎn)傳感器可以 設(shè)計(jì)成單軸、雙軸或三軸式旋轉(zhuǎn)傳感器等等。
具體旋轉(zhuǎn)傳感器的評(píng)估裝置可以網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系到另外的儀器單元，以使可以 通過(guò)簡(jiǎn)單的方式收集經(jīng)確定的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，以便即使在建筑物載荷/建筑物損壞 之后短期內(nèi)，也可能建立粗略的損壞調(diào)查。在這種情況下，可以為每個(gè)旋轉(zhuǎn) 傳感器提供專用的評(píng)估裝置，并且提供單個(gè)中央評(píng)估裝置，其連接到全部旋 轉(zhuǎn)傳感器和其他傳感器。評(píng)估裝置網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系到其他儀器單元或者旋轉(zhuǎn)傳感器 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系到中央評(píng)估裝置例如可以借助線纜或無(wú)線電連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，采用了基于測(cè)量絕對(duì)旋轉(zhuǎn)的傳感器，其借助專用的 光纖陀螺儀在三個(gè)空間方向上動(dòng)態(tài)檢測(cè)地震過(guò)程中建筑物的偏轉(zhuǎn)。在這種情
況下，可以實(shí)時(shí)確定具體樓層的最大偏轉(zhuǎn)和累積偏轉(zhuǎn)以及整個(gè)建筑物的最大 偏轉(zhuǎn)和累積偏轉(zhuǎn)，并與每幢建筑專用的預(yù)定容許表進(jìn)行比較，該容許表提前 錨定在傳感器中或者與傳感器連接的評(píng)估裝置中。為了協(xié)助即時(shí)測(cè)量，建筑 物評(píng)估結(jié)果例如以簡(jiǎn)單的多級(jí)彩色編碼顯示，并且同時(shí)可以在外部接口處獲 得。這樣能將多個(gè)所述傳感器連接到超控功能單元，并將具體傳感器或傳感 器綜合體包含到無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中。


以下參照附圖在實(shí)施例中更為詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中
圖1示出了安裝有旋轉(zhuǎn)傳感器的建筑物部分在地震前后的示意圖;
圖2示出了彼此毗鄰的建筑物部分在地震前后的示意圖3示出了本發(fā)明方法實(shí)施例的流程圖4示出了地震過(guò)程中建筑物的扭曲曲線。
具體實(shí)施例方式
附圖中彼此對(duì)應(yīng)的部件或部件組以相同附圖標(biāo)記表示。在以下說(shuō)明中， 為了簡(jiǎn)化，假設(shè)建筑物載荷/建筑物損壞為地震損壞。
正如所示，發(fā)明構(gòu)思的核心元素(優(yōu)選)是三分量慣性光纖旋轉(zhuǎn)傳感器， 其牢固連接到結(jié)構(gòu)基體上。這樣，傳感器參與建筑物(或者建筑物區(qū)段)的 運(yùn)動(dòng)，并且將圍繞三個(gè)線性無(wú)關(guān)的空間方向(例如，圍繞建筑物的"縱軸" 和"橫軸"以及后者的水平面)的旋轉(zhuǎn)速率作為傳感器信號(hào)發(fā)送。這些旋轉(zhuǎn) 速率在傳感器的處理器部分進(jìn)行積分，并且并計(jì)算相對(duì)于慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的累 積最大偏轉(zhuǎn)量。建筑物的承重墻和混凝土天花板之間的最大偏轉(zhuǎn)角是評(píng)估該 建筑物部分剩余承載能力的 一個(gè)關(guān)鍵變量。天花板相對(duì)于其支撐件的偏轉(zhuǎn)過(guò) 大將會(huì)導(dǎo)致支撐機(jī)構(gòu)承受過(guò)應(yīng)力，因此，導(dǎo)致形成裂縫，這有損于承載能力。 在這種情況下，偏轉(zhuǎn)突然發(fā)生或是偏轉(zhuǎn)分布在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，就變得不再重 要。結(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素將是最大偏轉(zhuǎn)角。
圖2示意性地圖示了這種關(guān)系。因此，圖2a)概括垂直懸架于側(cè)墻部分 l上的混凝土天花板2，由于建筑物傾斜而不承受載荷，而b)重現(xiàn)了地震后 的情形。如果因地震導(dǎo)致的傾斜角(a)超越特定闞值，則建筑物可能垮塌。
與使用傳統(tǒng)加速度計(jì)相比，本發(fā)明的方法優(yōu)勢(shì)在于，其基于絕對(duì)旋轉(zhuǎn)測(cè)
量并且覆蓋了非常寬的動(dòng)態(tài)范圍。因此，不僅檢測(cè)高頻偏轉(zhuǎn)，而且檢測(cè)頻域 范圍內(nèi)發(fā)展非常緩慢的傾斜變化，這種傾斜變化無(wú)法利用慣性傳感器來(lái)感 知。
因此，倚靠在建筑物中布置多個(gè)傳感器，不僅能獲得被認(rèn)為具有剛性的 結(jié)構(gòu)傾斜度，而且能獲得裝備有這種傳感器的具體樓層之間和建筑物部分之 間的傾斜度差異或者扭曲。
這里可以額外地采用根據(jù)慣性起作用的加速度計(jì)。因此，首次能夠獲得 運(yùn)動(dòng)的六自由度完備傳感器(準(zhǔn)確地說(shuō)，平動(dòng)的三個(gè)自由度和旋轉(zhuǎn)的三個(gè)自 由度)。
本發(fā)明的建筑物傳感器3 (除光纖旋轉(zhuǎn)傳感器之外也包含平動(dòng)傳感器) 檢測(cè)建筑物或建筑物部分在地震作用下的旋轉(zhuǎn)速率或者積分偏轉(zhuǎn)角。為此，
將其剛性安裝在代表建筑物行為的固定側(cè)墻1上，如圖1所示圖la)(示 意性地)示出了一個(gè)空間方向地震前的情形，而圖lb)為地震后的情形(建 筑物的假設(shè)傾角在紙面中，建筑物傳感器3的敏感旋轉(zhuǎn)軸伸出紙面)。
原則上述，建筑物損壞也可能發(fā)生在另一個(gè)水平空間方向，正如也可以 發(fā)生在圍繞垂直軸(扭曲振動(dòng))的旋轉(zhuǎn)中。完備傳感器三基元(triad)覆蓋 運(yùn)動(dòng)的全部方向。但是，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)，可能存在不太有危險(xiǎn)的方向，例 如因?yàn)槠鋭傂暂^大，所以在特定情形下可以省略個(gè)別傳感器部件。
由于旋轉(zhuǎn)傳感器根據(jù)Sagnac效應(yīng)絕對(duì)性地4全測(cè)旋轉(zhuǎn)，所以作為測(cè)量標(biāo) 準(zhǔn)可以在地震前、地震中或地震后實(shí)時(shí)自動(dòng)評(píng)估建筑物關(guān)于地球自轉(zhuǎn)軸線的 取向。這就使得可以確定建筑物取向的變化，而不依賴局域基準(zhǔn)，該局域基 準(zhǔn)當(dāng)然可能因地震作用而發(fā)生了變化。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施例傳感器3以連續(xù)方式測(cè)量旋轉(zhuǎn)速 率和旋轉(zhuǎn)角(這對(duì)應(yīng)于建筑物或建筑物部分的偏轉(zhuǎn))，此外，還在步驟S1中 確定地球旋轉(zhuǎn)矢量和傳感器法向(敏感軸)的標(biāo)量積。在地震作用下或者在 大風(fēng)載荷(颶風(fēng))下，觀測(cè)變量產(chǎn)生更大的量，通過(guò)控制電子件將這些量與 錨定在程序(步驟S2)內(nèi)的容許值表進(jìn)行比較。該表針對(duì)每幢建筑物進(jìn)行 過(guò)具體調(diào)整。根據(jù)具體建筑物容許值和瞬時(shí)測(cè)量值之間的比較結(jié)果，處理器 確定因外部事件導(dǎo)致的危險(xiǎn)可能性(步驟S3)。在最簡(jiǎn)單的情況下，可以通 過(guò)4級(jí)彩色編碼來(lái)發(fā)出信號(hào)綠色、黃色、橙色和紅色。
借助任何這些傳感器的動(dòng)態(tài)無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)鏈路，例如在整個(gè)城鎮(zhèn)部分，則
可以設(shè)置區(qū)域覆蓋的粗略損害調(diào)查，接近于實(shí)時(shí)(智能傳感器應(yīng)用)。這些 內(nèi)容例如可以被防災(zāi)服務(wù)檢索或利用，用于制備優(yōu)先級(jí)列表(步驟S4)。
本發(fā)明的另外方面在以下說(shuō)明中進(jìn)行解釋
雖然光纖陀螺儀還無(wú)法具有大型環(huán)狀激光器的傳感器敏感性，但是，由 于其尺寸較小而且功耗較低，所以它們適合在靠近地震事件(余震區(qū)域、火 山等)的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用，并且可以用來(lái)在地震發(fā)生后立即檢測(cè)建筑物狀 態(tài)，而且可以用于監(jiān)控靜態(tài)變形。結(jié)合旋轉(zhuǎn)傳感器與地震儀或加速度計(jì)，將 可以研制并利用針對(duì)運(yùn)動(dòng)的六自由度的完備傳感器。其中一個(gè)重要方面是考 慮旋轉(zhuǎn)傳感器不依賴局域基準(zhǔn)標(biāo)志進(jìn)行測(cè)量的特殊情況，例如實(shí)時(shí)測(cè)量傳感 器絕對(duì)取向的可能性，以及借助地球自轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行傳感器的自校準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了新穎而且便宜的移動(dòng)傳感器，其連同經(jīng)典地震傳感 器一起，能正確地觀察地面運(yùn)動(dòng)，特別是運(yùn)動(dòng)的全部六個(gè)自由度為了完整 地描述地面運(yùn)動(dòng)，不僅要高分辨率地觀察平動(dòng)，而且也要觀察旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，借助擴(kuò)寬的六分量記錄(新穎的測(cè)量方法，可以移動(dòng)、低 成本和快速使用)可以對(duì)變化和變形進(jìn)行長(zhǎng)期廣泛的評(píng)述。也可以首先在底 座(seat)參數(shù)(動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn))的反演(inversion)中使用額外的觀測(cè)變量"旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，，，并且可以改善其精度。在這種情況下，具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)提供相應(yīng) 的高分辨率旋轉(zhuǎn)測(cè)量值，可以調(diào)查并校正傳感器平面上測(cè)量信號(hào)中原本無(wú)法 分開(kāi)的傾角和平動(dòng)的耦合關(guān)系。由于地震過(guò)程中橫向加速度和旋轉(zhuǎn)速率彼此 同相位并成比例，所以在靠近地震事件的區(qū)域內(nèi)，地震曲線不可避免地將地 震引發(fā)的傾角分量耦合入其他線性無(wú)關(guān)的空間方向上的傳感器信號(hào)中。只有 具有運(yùn)動(dòng)的全部六個(gè)自由度的傳感器，就是說(shuō)包括旋轉(zhuǎn)，才可能帶來(lái)改善。
與以前的現(xiàn)有技術(shù)相比，在設(shè)計(jì)光纖陀螺儀方面的本發(fā)明構(gòu)思能在節(jié)約
且在增添寬帶地震儀的情況下，首次在能夠現(xiàn)場(chǎng)使用的便攜式實(shí)施方案中對(duì) 于運(yùn)動(dòng)的全部六個(gè)自由度提供足夠高的敏感性。
本發(fā)明重點(diǎn)在于利用并進(jìn)一步發(fā)展當(dāng)代旋轉(zhuǎn)傳感器，作為早期預(yù)警系統(tǒng) 中所用的一種新穎且創(chuàng)新性的基本技術(shù)。多種來(lái)源于此的新穎技術(shù)可能方案 將會(huì)特別應(yīng)用于建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控領(lǐng)域以及地震學(xué)領(lǐng)域。
地震后，特別是在大城市，快速評(píng)估重要建筑物的損害至關(guān)重要，特別 是為了優(yōu)化救突措施。如果能在獨(dú)立傳感器中接近實(shí)時(shí)地測(cè)量并針對(duì)關(guān)鍵變 量評(píng)估地震伴生運(yùn)動(dòng)(變形、靜態(tài)位移和靜態(tài)旋轉(zhuǎn)的時(shí)間曲線)，則可以基 本上立即為關(guān)鍵建筑物和管道或者交通線路確定變形所引發(fā)的變化。根據(jù)本
發(fā)明，提供了節(jié)約成本的智能6-C傳感器，其可以以"黑匣子"的方式安裝
在建筑物、橋梁、隧道或其他結(jié)構(gòu)中，并且在地震或其他變形事件中記錄與 建筑物行為有關(guān)的數(shù)據(jù)材料，并提供這些數(shù)據(jù)材料用于分析。因此，根據(jù)本 發(fā)明，特別的關(guān)注點(diǎn)還在于利用旋轉(zhuǎn)傳感器作為絕對(duì)量角器的特性。本發(fā)明 的設(shè)備特征在于低功耗，且在制造方面適合節(jié)約成本地大規(guī)模生產(chǎn)。因此通 過(guò)在傳感器內(nèi)即時(shí)積分和微分傳感器信號(hào)，所安裝的電子件預(yù)期能接近實(shí)時(shí) 地為各建筑物進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估或損壞評(píng)估。在這種情況下，可以具有將獨(dú)立設(shè) 計(jì)的這種傳感器單元組合到自主局域或區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的額外能力。
就結(jié)構(gòu)力學(xué)方面來(lái)說(shuō)，目標(biāo)是經(jīng)由適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，針?duì)幅值和相關(guān)波長(zhǎng)， 確定地震或其他地下運(yùn)動(dòng)諸如振動(dòng)所引發(fā)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。通過(guò)將地震檢波器或 加速度傳感器與作為絕對(duì)量角器的旋轉(zhuǎn)傳感器相結(jié)合，可以借助少量測(cè)量點(diǎn) 來(lái)檢測(cè)動(dòng)態(tài)激勵(lì)的特征變量?jī)烧摺?duì)于線性結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由作用力導(dǎo)致的曲線 可以從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)描述。根據(jù)本發(fā)明，立足于此，可以經(jīng)由測(cè)量結(jié)果與結(jié) 構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)所依據(jù)的前提的比較來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)的評(píng)估。此外，除了檢測(cè)動(dòng)態(tài) 激勵(lì)之外，也對(duì)作用力導(dǎo)致的殘余靜態(tài)變形感興趣。例如，通過(guò)將多個(gè)傳感 器依次排列起來(lái)，可以經(jīng)由測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)確定殘余變形線。與其他測(cè)量方法 相比，借助節(jié)約成本的傳感器測(cè)量(準(zhǔn))靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息的可行性帶來(lái)顯著 的優(yōu)勢(shì)。傳感器的自校準(zhǔn)能力以及其對(duì)于重力而言獨(dú)立于位置的效果也在抵
御antropogenic作用力或者危險(xiǎn)作用力"氏抗力相結(jié)合所帶來(lái)的后果的早期
預(yù)警方面開(kāi)創(chuàng)了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并因此允許即使在僅能通過(guò)非常復(fù)雜的方 式非實(shí)時(shí)與其他測(cè)量方法一起實(shí)施的任務(wù)中使用所述傳感器，其中危險(xiǎn)作用
力/抵抗力的結(jié)合諸如例如被削弱的結(jié)構(gòu)上的大雪載荷、極端風(fēng)載荷引發(fā)的作 用力等等。除地震激勵(lì)之外并被本發(fā)明的方法所覆蓋的早期預(yù)警系統(tǒng)的重要 領(lǐng)域在于監(jiān)控地下運(yùn)動(dòng)，諸如土方挖掘過(guò)程中因山體沉降區(qū)地層載荷引起的 發(fā)生在隧道建筑物中的地下運(yùn)動(dòng)。因此，借助傳感器，監(jiān)控可以覆蓋動(dòng)態(tài)作 用，就是說(shuō)變形或損壞的成因，以及殘余變形。 地震和火山噴發(fā)中的變形觀測(cè)
從地震儀觀測(cè)結(jié)果來(lái)確定靜態(tài)(和動(dòng)態(tài))變形中存在的問(wèn)題已經(jīng)存在了 數(shù)十年，迄今為止尚未有滿意且穩(wěn)定的解決方案。這些問(wèn)題的主要原因在于
地震曲線中的額外影響，這些影響因旋轉(zhuǎn)和傾角變化所引發(fā)，并導(dǎo)致無(wú)法對(duì)
速度或加速度地震曲線進(jìn)行積分。GPS儀器在這種情況下僅有局部改善，因 為(1 )垂直分辨率較低和(2)動(dòng)態(tài)觀測(cè)的感知率不夠精細(xì)。利用能移動(dòng)使 用的節(jié)約成本的6-C地震儀，可以進(jìn)行區(qū)域覆蓋的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變形觀測(cè)。長(zhǎng) 期來(lái)看，這也能對(duì)實(shí)時(shí)確定底座參數(shù)帶來(lái)改善。類似論斷適用于火山活動(dòng)的 地震觀測(cè)，其中有時(shí)將出現(xiàn)顯著的變形。旋轉(zhuǎn)與傾斜運(yùn)動(dòng)不可避免的耦合， 影響了借助地震儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)寬帶測(cè)量，并且使得建模更困難。在這一領(lǐng)域， 旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)的組合數(shù)據(jù)分析能改善對(duì)底座過(guò)程和巖漿房狀態(tài)的構(gòu)圖。
在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，在確定載荷/損壞時(shí)，將考慮地面/建筑物的 動(dòng)態(tài)相互作用以及建筑物結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)兩者。
本發(fā)明的目的是降低地震引發(fā)的危害和危險(xiǎn)。理論地震學(xué)家數(shù)十年來(lái)呼 吁對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)分量進(jìn)行觀測(cè)。傳感器技術(shù)的最新發(fā)展現(xiàn)在似乎允許以需要的 精度設(shè)計(jì)一種適當(dāng)?shù)臏y(cè)量?jī)x器。在這種情況下，應(yīng)該注意，測(cè)量技術(shù)對(duì)于純 科學(xué)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用潛力。
受地震威脅的地區(qū)中不斷快速生長(zhǎng)的大城市(例如伊斯坦布爾、東京、 洛杉磯和新墨西哥城)，在其下發(fā)生強(qiáng)烈地震的情況下，將會(huì)導(dǎo)致巨大的損 失并奪去很多人的生命?？紤]到這些百萬(wàn)人口的大城市中建筑物結(jié)構(gòu)完全各 異并且底土特性多變，因此對(duì)于各個(gè)負(fù)責(zé)災(zāi)害管理的機(jī)構(gòu)而言，不可能在短 期內(nèi)得到損壞情況的調(diào)查結(jié)果。因此嚴(yán)重阻礙了協(xié)調(diào)救援行動(dòng)的快速展開(kāi)， 并且預(yù)計(jì)結(jié)果并不是最理想的情況。自主監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)記錄損害事件并接近 實(shí)時(shí)地根據(jù)預(yù)定方法進(jìn)行評(píng)估，而且能快速獲得結(jié)果，所以可以改善此時(shí)的 決策。根據(jù)建筑物的功能和傳感器實(shí)施的自動(dòng)損害評(píng)估以及其他設(shè)置好的標(biāo) 準(zhǔn)(例如，救援力量行進(jìn)距離的優(yōu)化)進(jìn)行動(dòng)態(tài)權(quán)衡，預(yù)計(jì)能有效利用損害 事件發(fā)生后關(guān)鍵的頭6個(gè)小時(shí)。
本發(fā)明建筑物傳感器的構(gòu)思在兩個(gè)方面具有新穎性。 一方面，在外力作
用(地震、狂風(fēng)載荷、地面下陷等等)過(guò)程中，為監(jiān)控系統(tǒng)顯示詳細(xì)記錄建
筑物行為的方式。在這種情況下，借助用作絕對(duì)量角器的旋轉(zhuǎn)傳感器的特性，
相對(duì)于局域基準(zhǔn)系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)了完全的獨(dú)立性。在這一方面，所述傳感器
相當(dāng)于"黑匣子"，諸如用在飛機(jī)上的那種。除了這些記錄功能外，還在測(cè)
量過(guò)程中調(diào)查了對(duì)于超過(guò)各建筑物不同的預(yù)定極限值來(lái)說(shuō)的關(guān)鍵參數(shù)(例
如，最大偏轉(zhuǎn))，并且如果可能的話，還可以允許對(duì)導(dǎo)致的損害進(jìn)行分類(例
如，垮塌的危險(xiǎn)程度)并(利用主要的電力獨(dú)立的無(wú)線電技術(shù))將其傳送給 中央單元(局部災(zāi)害防護(hù)單元)。這無(wú)疑將會(huì)朝著準(zhǔn)實(shí)時(shí)損害預(yù)報(bào)邁出重要 的一步。
為地面強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)的區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)使用而研制的傳感器在地震學(xué)上存在若干 缺陷。地震儀傾斜引發(fā)了需要實(shí)際測(cè)量傳感器信號(hào)和平動(dòng)。在震區(qū)附近，因 為缺乏旋轉(zhuǎn)自由度而無(wú)法重建完備的運(yùn)動(dòng)矢量。因此，測(cè)量結(jié)果不完整，而 且還因?yàn)樾盘?hào)源的混雜而存在謬誤。這對(duì)地震參數(shù)的反演帶來(lái)的嚴(yán)重的阻 礙。希望完備地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的全部六個(gè)自由度和清楚地分離平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)(傾斜) 以及足夠高的傳感器靈敏性能對(duì)改善地震學(xué)模型(獨(dú)立于設(shè)備傳遞函數(shù))做 出顯著貢獻(xiàn)。
環(huán)形激光器是非常敏感的主動(dòng)光學(xué)干涉儀，迄今為止，是唯一能從遙震 事件量化確定旋轉(zhuǎn)信號(hào)的儀器。即使用在地震學(xué)中，此時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性并不是 主要因素，它們?nèi)匀灰蠓浅８叩臏囟纫恢滦?，要求?yōu)于0.1度每天。光學(xué) 諧振腔上熱感生出來(lái)的幾百分之一微米的膨脹和收縮都會(huì)導(dǎo)致光學(xué)操作頻
率漂移，這將導(dǎo)致縱模系數(shù)出現(xiàn)突然的跳變(跳模)。此外，即使在GEO傳 感器項(xiàng)目中為成功實(shí)施進(jìn)行了所有可能的筒化，環(huán)形激光器仍然是一種復(fù)雜 的設(shè)備。這使得它們不適合以下三種具體應(yīng)用場(chǎng)合(1)強(qiáng)烈地震后短時(shí)間 將傳感器運(yùn)輸?shù)秸鹬懈浇杂涗洭F(xiàn)場(chǎng)附近的余震。(2)在強(qiáng)烈地面運(yùn)動(dòng)的影 響下檢測(cè)完備運(yùn)動(dòng)(全部六個(gè)自由度)。(3)作為監(jiān)控建筑物的傳感器系統(tǒng) 的一部分，它們太過(guò)昂貴又太過(guò)敏感。.另一方面，光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，雖然不 具有環(huán)形激光器的敏感性，但仍然是結(jié)實(shí)緊湊的傳感器，具有明顯較高的溫 度容許范圍。此外，它們顯然更節(jié)省成本。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以利用該系統(tǒng)的自校準(zhǔn)能力。由于旋轉(zhuǎn)傳感器基于 Sagnac效應(yīng)絕對(duì)性地測(cè)量旋轉(zhuǎn)，所以地球自轉(zhuǎn)信號(hào)也總是疊加在傳感器信號(hào) 中。在本文所提出的應(yīng)用場(chǎng)合的框架內(nèi)，該信號(hào)可以認(rèn)為是恒定基準(zhǔn)。它在 任何時(shí)點(diǎn)都是可用的，就是說(shuō)地震前、地震過(guò)程中和地震后，都可以作為獨(dú) 立于局部環(huán)境的基準(zhǔn)，并且可以用來(lái)確定傳感器相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的瞬時(shí) 取向。地震前后的比較結(jié)果給出了因地震事件或建筑物變形導(dǎo)致的傳感器取 向變化。由于傳感器牢固安裝在用來(lái)測(cè)量的墻上，所以這種取向變化對(duì)應(yīng)于 建筑物傾斜或變形或個(gè)別樓層之間的位移。該信號(hào)可以通過(guò)對(duì)測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率 進(jìn)行積分來(lái)確定，即使在大約1分鐘的短時(shí)積分之后，也能實(shí)現(xiàn)小于1度的
分辨率。嚴(yán)格地說(shuō)，這種確定傳感器取向的方法僅在南/北方向上能高分辨率 地適用。東/西方向上的分別率較低。調(diào)查優(yōu)選傳感器實(shí)施方案(傳感器的基 準(zhǔn)系統(tǒng))因此是具體的操作點(diǎn)。對(duì)于利用取向信號(hào)而言，進(jìn)行過(guò)調(diào)查之后， 對(duì)建筑物旋轉(zhuǎn)信號(hào)的利用變成主要因素。為此，(1 )需要在測(cè)量角度偏轉(zhuǎn)量 和建筑物應(yīng)力或各種材料之間建立標(biāo)準(zhǔn)。(2 )個(gè)別樓層相對(duì)于彼此的位移的 影響需要量化(樓層間旋轉(zhuǎn))并發(fā)送給傳感器系統(tǒng)。
FOG (光纖陀螺儀)的輸出信號(hào)是在表面附近反向運(yùn)行的光波之間的相 位差。它與傳感器的轉(zhuǎn)速成比例并且與光束界定的表面成比例。與環(huán)形激光 器相比，F(xiàn)OG的主要優(yōu)勢(shì)在于，可以在玻璃纖維中引導(dǎo)光學(xué)信號(hào)。在FOG 中，可以增大有效表面而不必顯著改變傳感器的尺寸。另一方面，光纖陀螺 儀不同于環(huán)形激光器的地方在于，它們進(jìn)行相位測(cè)量，而環(huán)形激光器通過(guò)干 涉現(xiàn)象確定頻率差異并因此由于所采用的原理不同而實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率。 這在實(shí)施FOG時(shí)是一項(xiàng)重大缺陷。FOG的信噪相關(guān)系數(shù)(分辨率)不僅取 決于比例因子，而且取決于光學(xué)功率密度。例如，對(duì)于波長(zhǎng)為1.5pm、光功 率PO= 100|_iW的光源來(lái)說(shuō)，1000m長(zhǎng)的玻璃纖維和直徑D為0.4m的線圈， 所實(shí)現(xiàn)的FOG敏感性的理論值為4.125'l(T8rad/s。
極化光纖構(gòu)成的線圈組成光路的關(guān)鍵部件。線圈纖維長(zhǎng)度和幾何直徑線 性地包含到陀螺儀的比例因子中。因此，原則上，加長(zhǎng)所用的線圈纖維能在 旋轉(zhuǎn)速率的測(cè)量中獲得更高的精度。但是，與此同時(shí)，穿過(guò)纖維時(shí)的光密度 衰減損失以及因干擾效應(yīng)諸如Shupe效應(yīng)或Kerr效應(yīng)而產(chǎn)生的相位變化限 制了纖維線圈的可實(shí)施長(zhǎng)度。因此計(jì)劃將長(zhǎng)度大約為1000m且直徑至多 300mm的線圈應(yīng)用于原型件。
圖4示出了扭曲(左手側(cè))測(cè)量中較短選段，其中具有偏心質(zhì)量分布的 建筑物模型(右手側(cè))在振動(dòng)臺(tái)上遭受人造地震。
在這一方面，已經(jīng)說(shuō)過(guò)，遙震事件中由地震引發(fā)的旋轉(zhuǎn)觀測(cè)相當(dāng)于校核 后的寬帶平動(dòng)測(cè)量，并且額外的信息包含在幅值比率中。
權(quán)利要求
1. 一種確定建筑物載荷和/或建筑物載荷導(dǎo)致的建筑物損壞的方法，其特征在于，經(jīng)由剛性地機(jī)械連接到建筑物部分的光纖旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)測(cè)量建筑物載荷/損壞導(dǎo)致的建筑物部分相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)，并且從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)建筑物載荷/建筑物損壞。
2. —種確定建筑物載荷和/或建筑物載荷導(dǎo)致的建筑物損壞的方法，其特征在于，經(jīng)由剛性地機(jī)械連接到建筑物部分的對(duì)應(yīng)光纖旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)測(cè)量 建筑物載荷/損壞導(dǎo)致的多個(gè)建筑物部分相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)，并且從 測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)建筑物載荷/建筑物損壞。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)傳感器測(cè)量 圍繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線或三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)。
4. 如權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)傳感器 緊固到建筑物的側(cè)墻上，以使可以從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)該側(cè)墻和由所述側(cè)墻 支撐的建筑物地板和天花板之間的相對(duì)角度。
5. 如權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，通過(guò)剛性地機(jī)械 連接到至少一個(gè)建筑部部分的對(duì)應(yīng)加速度傳感器測(cè)量建筑物載荷/建筑物損 壞導(dǎo)致的至少一個(gè)建筑物部分的平動(dòng)，并且從測(cè)量的平動(dòng)來(lái)推導(dǎo)建筑物載荷 /建筑物損壞。
6. 如權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，從所述測(cè)量的旋 轉(zhuǎn)和平動(dòng)來(lái)推導(dǎo)所述建筑物相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的取向變化，該取向變化是需要確定的地震損壞的量度。
7. —種確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀 態(tài)的方法，其特征在于，經(jīng)由剛性地機(jī)械連接到結(jié)構(gòu)部分的光纖旋轉(zhuǎn)傳感器 來(lái)測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷/損壞導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)， 并且從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷/損壞。
8. —種確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀 態(tài)的方法，其特征在于，經(jīng)由剛性地機(jī)械連接到結(jié)構(gòu)部分的對(duì)應(yīng)光纖旋轉(zhuǎn)傳 感器來(lái)測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷/損壞導(dǎo)致的多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的旋轉(zhuǎn)，并且從測(cè)量 的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷/損壞。
9. 一種確定建筑物載荷和/或建筑物載荷導(dǎo)致的建筑物損壞的設(shè)備，其 特征在于-光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，其剛性地機(jī)械連接到建筑物部分；和 -評(píng)估裝置，其連接到該旋轉(zhuǎn)傳感器，根據(jù)該旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)到的建筑 物部分相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)來(lái)確定建筑物載荷/建筑物損壞。
10. —種確定機(jī)械機(jī)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀 態(tài)的設(shè)備，其特征在于-光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，其剛性地機(jī)械連接到結(jié)構(gòu)部分；和 -評(píng)估裝置，其連接到該旋轉(zhuǎn)傳感器，根據(jù)該旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)到的結(jié)構(gòu) 部分相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)來(lái)確定結(jié)構(gòu)載荷/損壞。
11. 一種確定機(jī)械機(jī)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀 態(tài)的設(shè)備，其特征在于-兩個(gè)或更多旋轉(zhuǎn)傳感器，其剛性地機(jī)械連接到不同的結(jié)構(gòu)部分；和 - 一個(gè)自主的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它有分別連接到每個(gè)所述旋轉(zhuǎn)傳感器 的評(píng)估裝置，根據(jù)所述兩個(gè)或更多旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)并聯(lián)合分析出的結(jié)構(gòu)部分 相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)或扭曲來(lái)聯(lián)合確定結(jié)構(gòu)載荷/損壞。
全文摘要
在一種確定機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或狀態(tài)的方法中，利用剛性地機(jī)械連接到結(jié)構(gòu)部分的光纖旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷/損壞導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的旋轉(zhuǎn)，并且從測(cè)量的旋轉(zhuǎn)來(lái)推導(dǎo)機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷/損壞/狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01M5/00GK101379380SQ200780004490
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月2日
發(fā)明者烏爾里克·施賴伯, 安德烈亞斯·拉希, 約翰·B·曼德, 阿索爾·J·卡爾 申請(qǐng)人:諾思路格魯曼利特夫有限責(zé)任公司