CN102279076A - 一种风压测量方法和风压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可根据实际工程结构测试需要和条件进行有线、无线转换的风压测量装置，以及应用该装置的风压测量方法。本发明集中了两种不同传输方式的优点，便于用户根据实际工程的测试需要和不同工作环境来选取合适的传输方式，克服了单一传输模式的局限。本发明还集成了排除异常数据的数据预处理步骤和模块，通过对收集数据的预处理，剔除了不合理的数据，使得输出的风压数据均是有效样本，减少了测量误差。

Description

一种风压测量方法和风压测量装置

技术领域

本发明涉及一种风压测量装置，还涉及应用该装置的风压测量方法。

背景技术

我国有着漫长的海岸线，有数千公里处于台风直接侵袭范围，是世界上受台风影响最严重的国家之一，平均每年就有8个台风登陆。东南沿海是我国经济最为发达的地区，而且也是台风经常登陆的地区，因此每次台风均造成大量工程结构的损坏和倒塌。为了保障结构在台风下的安全性，有必要利用风压计对结构物表面的风压及其分布情况进行准确的测量，从而对结构进行合理的抗风设计和验算，这也是结构风工程领域的关注重点之一。

目前普遍使用的结构风压测试系统由数据采集器、PC机、电源三部分组成，各部分间以电缆相互连接。测试对电线长度的要求取决于测试现场环境，目前通常的情况是带很长的电线去测试现场，以免因电线长度不够而导致测试无法完成。其次，现场整理布置电线工作量巨大，电线过长导致接口过多增加信号的干扰、增大测试发生意外的概率、降低测试结果的可靠性。

近年来，超大型、超高工程结构在我国不断涌现，如奥运场馆鸟巢、世界第一大跨度斜拉桥苏通大桥、广州电视塔等等，这些大型结构均耗资巨大，其正常使用功能备受关注，为了保证其抗风性能，有必要了解强风期间其表面风压及风压的分布特性。这些大型结构尺度都是几百米甚至上千米，采用现有的有线风压计进行测试，布线工作无疑是一项艰巨的任务，这也大大增加了风压测试工作的难度。在台风、洪水等极端环境下，通信线缆很容易遭到破坏，造成重要数据资料无法获取。

为了设计出能够适应于不同类型、不同尺寸、不同工程环境的结构的风压计，结合无线通信技术对现有有线风压计进行改进设计是一种有效手段。目前国内外已经开始了无线传感器的设计开发，如无线加速度传感器、无线温度传感器等，并得到了广泛的应用，但是对于无线风压计的设计还未见报道。由于不需要电缆，在极端环境下也能对风压数据进行有效的采集。但无线传感技术也存在很多问题尚未得到很好地解决，例如能量供应（电源）、信号屏蔽以及信号传输时滞等问题。

此外，现有的风压采集设备在实际使用过程中会受到各种复杂因素的影响，采集到的数据中存在少量的无效的、错误的数据，因此有必要通过设定适当的阈值，以及根据实际风压的连续性来去除异常数据。使得风压计具有测试数据的预处理功能，以保证风压计采集数据的有效性，便于其直接应用。

综上所述，无论是有线还是无线风压计，均存在各自的优缺点，每种风压计单独采用，都难以满足各类实际工程结构风环境测试的不同需要，迫切需要开发出集合有线、无线两种风压计优点的新型风压计，并能够实现对测试数据进行一定的预处理，以满足不同类型工程结构的风压测试要求，适应我国土木工程建设蓬勃发展的需求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可根据实际工程结构测试需要和条件进行有线、无线转换的风压测量装置，以及应用该装置的风压测量方法。本发明还集成了排除异常数据的数据预处理步骤和模块，减少了测量误差。

技术方案：本发明的风压测量装置，包括依次连接的风压传感器、数据处理系统、通信系统、PC机；所述数据处理系统包括低通滤波器、放大器、A/D转换器、第一微处理器和第一数据存储器，其中所述低通滤波器的输入端、输出端分别与风压传感器输出端、放大器输入端连接，放大器的输出端与第一微处理器的第一输入端连接，第一微处理器的第二输入端与第一数据存储器的输出端连接，第一微处理器的第三输入端与有线数据收发模块第一输出端连接，第一微处理器的第四输入端与第一无线数据收发模块第一输出端连接，第一微处理器的第一输出端与风压传感器的输入端连接，第一微处理器的第二输出端与第一数据存储器的输入端连接，第一微处理器的第三输出端与有线数据收发模块第一输入端连接，第一微处理器的第四输出端与第一无线数据收发模块第一输入端连接；所述通信系统包括有线传输装置和无线传输装置，所述有线传输装置包括有线数据收发模块，所述有线数据收发模块的第二输出端和第二输入端分别与PC机的第一输入端和第一输出端连接；所述无线传输装置由第一无线数据收发模块、数据收发基站通过无线传输网络连接组成，所述数据收发基站输出端和输入端分别与PC机第二输入端和第二输出端连接。

 本发明中，第一无线数据收发模块和数据收发基站之间还可设置有多个路由节点组成的多级路由。路由节点包括无线数据收发模块、微处理器和数据存储器，所述无线数据收发模块的第一输出端与微处理器第一输入端连接，微处理器的第二输入端与数据存储器的输出端连接，微处理器的第一输出端与无线数据收发模块的第二输入端连接，微处理器的第二输出端与数据存储器的输入端连接。

本发明的风压测量方法，包括以下步骤：

1）用户形成包括采集模式和传输方式的数据采集指令，并通过PC机将数据采集指令发送到有线数据收发模块或第一无线数据收发模块，所述有线数据收发模块或第一无线数据收发模块将指令传输至第一微处理器，第一微处理器接收数据采集命令后启动风压传感器进行数据采集，第一微处理器同时记录数据传输方式；

2）风压传感器采集风压模拟信号，先通过低通滤波器进行滤波，然后通过放大器将模拟信号放大，最后通过A/D转换器转换为数字信号后传输至第一微处理器；

3）第一微处理器将步骤1）传送来的风压数据存储于第一数据存储器；

4）第一微处理器根据设定的时间段，从第一数据存储器提取该时间段的所有风压数据，运行平均风压计算程序得到平均风压，计算完成后将风压和平均风压数据存储于第一数据存储器；当数据传输方式为有线时，执行步骤5），当数据传输方式为无线时，则执行步骤6）；

5）关闭第一无线数据收发模块和所有路由节点，第一微处理器从第一数据存储器中提取风压、平均风压数据并传输给有线数据收发模块，有线数据收发模块将数据传输至PC机；

6）关闭有线数据收发模块，第一微处理器给第一无线数据收发模块监听指令：当信道空闲时，第一微处理器从第一数据存储器中提取风压、基本风压等数据进行打包，并传输给第一无线数据收发模块；当第一无线数据收发模块与数据收发基站之间没有路由节点时，第一无线数据收发模块通过无线传输网络将数据传输至数据收发基站，当第一无线数据收发模块与数据收发基站之间设有路由节点时，第一无线数据收发模块通过无线传输网络利用路由节点以多跳的方式传输数据至数据收发基站；数据收发基站将收到的数据传输至PC机；当信道繁忙时，第一无线数据收发模块继续监听信道；

7）PC机将接收的数据进行解包并存储。

为了剔除不合理的采集数据，提高设备可靠性和测量精度，所述的步骤3）中，步骤1）传送来的风压数据经异常数据剔除程序进行预处理后存储于第一数据存储器。

本发明的异常数据剔除程序是通过设定阈值，去除异常数据，具体的阀值设定为：若采集数据大于100年重现期最大风压的2倍，则直接剔除该数据，若采样数据大于上次采样数据的3倍，则直接剔除该数据。

本发明中，第一无线数据收发模块通过无线传输网络利用路由节点以多跳的方式传输数据至数据收发基站的过程为：路由节点的第二无线数据收发模块通过无线传输网络接收第一无线数据收发模块的数据并传输至第二微处理器，第二微处理器将数据存储于第二数据存储器；当信道空闲时，第二微处理器从第二数据存储器中提取数据并传递至第二无线数据收发模块，第二无线数据收发模块将数据传输给下一级路由节点；当信道繁忙时，第二无线数据收发模块继续监听信道；这样，数据被逐级传递直至到达数据收发基站。

有益效果：本发明能够实现有线和无线两种数据传输方式，集中了两种不同传输方式的优点，便于用户根据实际工程测试需要和不同工作环境来选取合适的传输方式，提高了工作灵活性和设备的环境适应性，克服了单一传输模式的局限。本发明还集成了排除异常数据的数据预处理步骤和功能，通过对收集数据的预处理，剔除了不合理的数据，使得输出的风压数据均是有效样本，减少了测量误差。

附图说明

图 1是本发明的工作流程图，图 2是本发明的原理框图，图 3是本发明的路由节点原理框图。

图中有：风压传感器1、低通滤波器2、放大器3、A/D转换器4、第一微处理器5、第一数据存储器6、第一无线数据收发模块7、多级路由8、数据收发基站9、有线数据收发模块10、PC机11、第一供电电路12、第一电源13、第二无线数据收发模块14，第二微处理器15、第二数据存储器16、第二供电电路17、第二电源18。

图1中：N秒为微处理器进行风压异常数据剔除的时间周期；M秒为微处理器进行平均风压计算的时间周期。

 

具体实施方式  

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：一种风压测量装置，包括依次连接的风压传感器1、数据处理系统、通信系统、PC机；所述数据处理系统包括低通滤波器2、放大器3、A/D转换器4、第一微处理器5和第一数据存储器6，其中所述低通滤波器2的输入端、输出端分别与风压传感器1输出端、放大器3输入端连接，放大器3的输出端与第一微处理器的第一输入端连接，第一微处理器5的第二输入端与第一数据存储器6的输出端连接，第一微处理器5的第三输入端与有线数据收发模块10第一输出端连接，第一微处理器5的第四输入端与第一无线数据收发模块7第一输出端连接，第一微处理器5的第一输出端与风压传感器1的输入端连接，第一微处理器5的第二输出端与第一数据存储器6的输入端连接，第一微处理器5的第三输出端与有线数据收发模块10第一输入端连接，第一微处理器5的第四输出端与第一无线数据收发模块7第一输入端连接；所述通信系统包括有线传输装置和无线传输装置，所述有线传输装置包括有线数据收发模块10，所述有线数据收发模块10的第二输出端和第二输入端分别与PC机11的第一输入端和第一输出端连接；所述无线传输装置由第一无线数据收发模块7、数据收发基站9通过无线传输网络连接组成，所述数据收发基站9输出端和输入端分别与PC机11第二输入端和第二输出端连接。

当第一无线数据收发模块7和数据收发基站9的距离超过无线传输有效距离时，在第一无线数据收发模块7和数据收发基站9之间还设置有多个路由节点组成的多级路由8。图3中以第一无线数据收发模块后的第一个路由节点为例，展示了本发明的路由节点原理：路由节点包括无线数据收发模块、微处理器和数据存储器，无线数据收发模块的第一输出端与微处理器第一输入端连接，微处理器的第二输入端与数据存储器的输出端连接，微处理器的第一输出端与无线数据收发模块的第二输入端连接，微处理器的第二输出端与数据存储器的输入端连接。

一种风压测量方法，包括以下步骤： 

1）用户形成包括采集模式和传输方式的数据采集指令，并通过PC机11将数据采集指令发送到有线数据收发模块10或第一无线数据收发模块7，所述有线数据收发模块10或第一无线数据收发模块7将指令传输至第一微处理器5，第一微处理器5接收数据采集命令后启动风压传感器1进行数据采集，第一微处理器5同时记录数据传输方式；

2）风压传感器1采集风压模拟信号，先通过低通滤波器2进行滤波，然后通过放大器3将模拟信号放大，最后通过A/D转换器4转换为数字信号后传输至第一微处理器5；

3）第一微处理器5将步骤1）传送来的风压数据存储于第一数据存储器6；第一微处理器5执行异常数据剔除程序对步骤1）传送来的风压数据进行预处理后，将预处理后的数据存储于第一数据存储器6。

异常数据剔除程序是通过设定阈值，去除异常数据，具体的阀值设定为：若采集数据大于100年重现期最大风压的2倍，则直接剔除该数据，若采样数据大于上次采样数据的3倍，则直接剔除该数据。

4）第一微处理器5根据设定的时间段，从第一数据存储器6提取该时间段的所有风压数据，运行平均风压计算程序得到平均风压，计算完成后将风压和平均风压数据存储于第一数据存储器6；当数据传输方式为有线时，执行步骤5），当数据传输方式为无线时，则执行步骤6）；

5）关闭第一无线数据收发模块7和所有路由节点，第一微处理器5从第一数据存储器6中提取风压、平均风压数据并传输给有线数据收发模块10，有线数据收发模块10将数据传输至PC机11；

6）关闭有线数据收发模块10，第一微处理器5给第一无线数据收发模块7监听指令：当信道空闲时，第一微处理器5从第一数据存储器6中提取风压、基本风压等数据进行打包，并传输给第一无线数据收发模块7；当第一无线数据收发模块7与数据收发基站9之间没有路由节点时，第一无线数据收发模块7通过无线传输网络将数据传输至数据收发基站9，当第一无线数据收发模块7与数据收发基站9之间设有路由节点时，第一无线数据收发模块7通过无线传输网络利用路由节点以多跳的方式传输数据至数据收发基站9，具体过程为：路由节点的第二无线数据收发模块14通过无线传输网络接收第一无线数据收发模块7的数据并传输至第二微处理器15，第二微处理器15将数据存储于第二数据存储器16；当信道空闲时，第二微处理器15从第二数据存储器16中提取数据并传递至第二无线数据收发模块14，第二无线数据收发模块14将数据传输给下一级路由节点；当信道繁忙时，第二无线数据收发模块14继续监听信道；这样，数据被逐级传递直至到达数据收发基站9。数据收发基站9将收到的数据传输至PC机11；当信道繁忙时，第一无线数据收发模块7继续监听信道；

7）PC机11将接收的数据进行解包并存储。

Claims (6)

1.一种风压测量装置，其特征在于，该装置包括依次连接的风压传感器（1）、数据处理系统、通信系统、PC机（11）；所述数据处理系统包括低通滤波器（2）、放大器（3）、A/D转换器（4）、第一微处理器（5）和第一数据存储器（6），其中所述低通滤波器（2）的输入端、输出端分别与风压传感器（1）输出端、放大器（3）输入端连接，放大器（3）的输出端与第一微处理器的第一输入端连接，第一微处理器（5）的第二输入端与第一数据存储器（6）的输出端连接，第一微处理器（5）的第三输入端与有线数据收发模块（10）第一输出端连接，第一微处理器（5）的第四输入端与第一无线数据收发模块（7）第一输出端连接，第一微处理器（5）的第一输出端与风压传感器（1）的输入端连接，第一微处理器（5）的第二输出端与第一数据存储器（6）的输入端连接，第一微处理器（5）的第三输出端与有线数据收发模块（10）第一输入端连接，第一微处理器（5）的第四输出端与第一无线数据收发模块（7）第一输入端连接；所述通信系统包括有线传输装置和无线传输装置，所述有线传输装置包括有线数据收发模块（10），所述有线数据收发模块（10）的第二输出端和第二输入端分别与PC机（11）的第一输入端和第一输出端连接；所述无线传输装置由第一无线数据收发模块（7）、数据收发基站（9）通过无线传输网络连接组成，所述数据收发基站（9）输出端和输入端分别与PC机（11）第二输入端和第二输出端连接。

2.根据权利要求1所述的风压测量装置，其特征在于，所述第一无线数据收发模块（7）和数据收发基站（9）之间还设置有多个路由节点组成的多级路由（8）；所述路由节点包括无线数据收发模块、微处理器和数据存储器，所述无线数据收发模块的第一输出端与微处理器第一输入端连接，微处理器的第二输入端与数据存储器的输出端连接，微处理器的第一输出端与无线数据收发模块的第二输入端连接，微处理器的第二输出端与数据存储器的输入端连接。

3.一种应用权利要求1所述装置的风压测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）用户形成包括采集模式和传输方式的数据采集指令，并通过PC机（11）将数据采集指令发送到有线数据收发模块（10）或第一无线数据收发模块（7），所述有线数据收发模块（10）或第一无线数据收发模块（7）将指令传输至第一微处理器（5），第一微处理器（5）接收数据采集命令后启动风压传感器（1）进行数据采集，第一微处理器（5）同时记录数据传输方式；

2）风压传感器（1）采集风压模拟信号，先通过低通滤波器（2）进行滤波，然后通过放大器（3）将模拟信号放大，最后通过A/D转换器（4）转换为数字信号后传输至第一微处理器（5）；

3）第一微处理器（5）将步骤1）传送来的风压数据存储于第一数据存储器（6）；

4）第一微处理器（5）根据设定的时间段，从第一数据存储器（6）提取该时间段的所有风压数据，运行平均风压计算程序得到平均风压，计算完成后将风压和平均风压数据存储于第一数据存储器（6）；当数据传输方式为有线时，执行步骤5），当数据传输方式为无线时，则执行步骤6）；

5）关闭第一无线数据收发模块（7）和所有路由节点，第一微处理器（5）从第一数据存储器（6）中提取风压、平均风压数据并传输给有线数据收发模块（10），有线数据收发模块（10）将数据传输至PC机（11）；

6）关闭有线数据收发模块（10），第一微处理器（5）给第一无线数据收发模块（7）监听指令：当信道空闲时，第一微处理器（5）从第一数据存储器（6）中提取风压、基本风压等数据进行打包，并传输给第一无线数据收发模块（7）；当第一无线数据收发模块（7）与数据收发基站（9）之间没有路由节点时，第一无线数据收发模块（7）通过无线传输网络将数据传输至数据收发基站（9），当第一无线数据收发模块（7）与数据收发基站（9）之间设有路由节点时，第一无线数据收发模块（7）通过无线传输网络利用路由节点以多跳的方式传输数据至数据收发基站（9）；数据收发基站（9）将收到的数据传输至PC机（11）；当信道繁忙时，第一无线数据收发模块（7）继续监听信道；

7）PC机（11）将接收的数据进行解包并存储。

4.根据权利要求3所述的风压测量方法，其特征在于，所述的步骤3）中，步骤1）传送来的风压数据经异常数据剔除程序进行预处理后存储于第一数据存储器（6）。

5.根据权利要求4所述的风压测量方法，其特征在于，所述的异常数据剔除程序是通过设定阈值，去除异常数据，具体的阀值设定为：若采集数据大于100年重现期最大风压的2倍，则直接剔除该数据，若采样数据大于上次采样数据的3倍，则直接剔除该数据。

6.根据权利要求3所述的风压测量方法，其特征在于，所述的第一无线数据收发模块（7）通过无线传输网络利用路由节点以多跳的方式传输数据至数据收发基站（9）为：路由节点的第二无线数据收发模块（14）通过无线传输网络接收第一无线数据收发模块（7）的数据并传输至第二微处理器（15），第二微处理器（15）将数据存储于第二数据存储器（16）；当信道空闲时，第二微处理器（15）从第二数据存储器（16）中提取数据并传递至第二无线数据收发模块（14），第二无线数据收发模块（14）将数据传输给下一级路由节点；当信道繁忙时，第二无线数据收发模块（14）继续监听信道；这样，数据被逐级传递直至到达数据收发基站（9）。

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