CN103308096A - 一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统 - Google Patents

一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统,包括:采集模块、滤波放大电路、数据处理模块、通讯模块和电源模块,其中,采集模块包括:用于采集土木工程结构的加速度物理量的加速度传感器,用于采集土木工程结构的温度物理量的温度传感器,以及用于接收包含外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量的信号的转换接口。这样可以实现一个传感器系统同时监测土木工程结构的温度、加速度和应变三个物理量,降低了土木工程结构的健康监测成本,且实用性好。

Description

一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统
技术领域
本发明涉及数据监测领域,具体涉及一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统。 
背景技术
应用于土木工程结构健康监测的无线智能传感器系统是一种全新的数据获取系统,该传感器系统主要通过监测土木工程结构的温度、加速度和应变三个物理量,来监测土木工程结构的环境、振动和变形物理量场,以实现对土木工程结构的健康监测。目前应用于监测土木工程结构健康监测的无线智能传感器系统,都只能单独监测土木工程结构的某一物理量,若需要成功监测土木工程结构的温度、加速度和应变三个物理量就需要三个不同的传感器系统。这样土木工程结构的健康监测成本高,且实用性差。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统,可以实现一个传感器系统同时监测土木工程结构的温度、加速度和应变三个物理量,降低了土木工程结构的健康监测成本,且实用性好。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供的一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统,包括:采集模块、滤波放大电路、数据处理模块、通讯模块和电源模块,其中,采集模块包括:
用于采集土木工程结构的加速度物理量的加速度传感器;
用于采集土木工程结构的温度物理量的温度传感器;
以及用于接收包含外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量的信号的转换接口。
本发明实施例,包括采集模块、滤波放大电路、数据处理模块、通讯模块和电源模块,其中,采集模块包括:用于采集土木工程结构的加速度物理量的加速度传感器,用于采集土木工程结构的温度物理量的温度传感器,以及用于接收包含外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量的信号的转换接口。这样可以实现一个传感器系统同时监测土木工程结构的温度、加速度和应变三个物理量,降低了土木工程结构的健康监测成本,且实用性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统的结构示意图
图2是本发明传感器系统内采集模块的三轴加速度传感器的电路图;
图3是本发明传感器系统内采集模块的A/D转换器的电路图;
图4是本发明传感器系统内采集模块的数字温度传感器的电路图;
图5是本发明传感器系统内采集模块的总线扩展器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1是本发明一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统的结构示意图,如图1所示,包括:数据采集模块11、滤波放大电路12、数据处理模块13、通讯模块14和电源模块15,其中,数据采集模块11包括:
用于采集土木工程结构的加速度物理量的加速度传感器111;
用于采集土木工程结构的温度物理量的温度传感器112;
以及用于接收包含外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量的信号的转换接口113。
需要说明的是,转换接口113可以为至少一个通道的开放式模数转换接口,这样转换接口113可以接收包含多个外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量的信号,同时还可以将包含外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量信号转换成数字信号,这样使得传感器系统的数据处理模块处理数据时更加方便、快捷。
需要说明的是,加速度传感器111可以为三轴加速度传感器,该三轴加速度传感器采集的加速度物理量精度高。同时,该采集模块还可以包括用于将三轴加速度传感器采集的土木工程结构的加速度物理量信息转换成数字信号的模拟/数字(A/D,Analog-to-Digital)转换器114,这样可以实现采集模块向无线传感器的数据处理模块传输是数字信号这样使得无线传感器的数据处理模块处理数据时更加方便、快捷。
具体地,上述三轴加速度传感采用ADXL335三轴加速度传感器,能够实现高性能、高精度和高稳定性的采集土木工程结构的加速度物理量,A/D转换器114采用高性能的ADS1114A/D转换器,ADS1114 A/D转换器的采样频率最高可达到860Hz,数据输出采用I2C总线输出,这样数据的采样和传输效率更高。ADXL335三轴加速度传感器的连接电路如图2所示,Xout、Yout和Zout为ADXL335三个数据输出端口,图中的COM为通用接地端口,ADXL335三轴加速度传感器采集到的加速度物理量从Xout、Yout和Zout输出。ADS1114A/D转换器连接电路如图3所示,三个ADS1114A/D转换器U3、U4和U5的AIN0分别连接于图3所示电路的Xout、Yout和Zout输出端口,U3、U4和U5的串行时钟线SDA与串行数据线SCL为转换后的数据信号的输出端口。
需要说明的是,温度传感器112可以为数字传感器,该数字传感器采集的温度物理量信息转换成数字信号,这样可以实现采集模块向无线传感器的数据处理模块传输是数字信号这样使得传感器系统的数据处理模块处理数据时更加方便、快捷。
具体的,上述数字温度传感为TMP102数字温度传感器,该数字温度传感器是一个两线串行I2C总线输出的数字温度传感器,并内置A/D转换器。具体连接电路如图4所示,SCL与SDA为数字信号的输出端口。
需要说明的是,采集模块11还可以包括:与数字温度传感器和A/D转换器连接的,用于将数字温度传感器和A/D转换器处理后的分别包含土木工程结构的温度物理量和加速度物理量的数字信号整合在一起,以I2C总线的方式发送至无线传感器的数据处理模块的总线扩展器115。采用总线扩展器114可以将多个不同电压的信号整合在一起,再以I2C总线的方式发送至无线传感器的数据处理模块。这样就可以避免因数字温度传感器和A/D转换器处理后的分别包含土木工程结构的温度物理量和加速度物理量的数字信号的电压不同,在通过I2C总线传输给无线传感器的数据处理模块的过程中无法正常传输的情况。同时,还可以避免因大量I2C 器件需要连接到I2C总线时,受到I2C总线容限的困饶,造成部分数据无法正常传输至无线传感器的数据处理模块的情况。具体的,总线扩展器115可以为PCA9544总线扩展器,PCA9544总线扩展器的连接电路如图5所示,图中A0、A1和 A3是控制PCA9544总线扩展器的地址输入的接口,根据I2C总线的规则,一条I2C总线上可以连接8个PCA9544总线扩展器。由于该采集模块只需要一个控制器,故A0和A1均接地,只需采用A3一个接口。中断输入INT、串行数据SD和串行时钟SC的标号从0到3代表了控制器PCA9544总线扩展器的四个通道,其中,SD3和SC3分别与上述图4中的SDA与SCL输出端口连接,用于接收数字温度传感处理后包含土木工程结构的温度物理量的数字信号。SD0、SC0 、SD1、SC1、 SD2和SC2分别与图3中的U3、U4和U5的SDA和SCL输出端口连接,用于接收A/D转换器处理后的包含土木工程结构的加速度物理量的数字信号。再通过PCA9544总线扩展器内部控制寄存器进行相应配置后,将分别包含土木工程结构的温度物理量和加速度物理量的数字信号整合在一起,通过SDA与SCL以I2C总线的方式传输至无线传感器的数据处理模块。
需要说明的是,上述提到的滤波放大电路12、数据处理模块13、通讯模块14和电源模块15,可以采用现有技术中监测土木工程结构中单个物理量的传感器系统中的滤波放大电路、数据处理模块、通讯模块和电源模块,采用现有技术的实现方案此处不作限定。在另一个实施方式中,数据处理模块13可以为低功耗和高性能的CPU处理芯片,在对采集模块11所传输的数据进行运算和数字化处理过程中性能高,功耗低。通讯模块14可以采用1EEE 802.15.4ZigBee协议2.4GHz的载波频段,可以支持最高速率为250kbps的低复杂度、超低功耗和超低价格的无线数据通信协议的物理层和介子访问控制(MAC,Media Access Control)层,同时还支持无线安全通信。在其它实施方式中,通讯模块14还可采用其它公知的通讯方式进行通讯。。
电源模块15可以包括:
用于储蓄电能的蓄电池;
与所述蓄电池连接的电源接口电路;
与所述电源接口电路连接的,用于将风能、太阳能或振动能中的一种或多种转换为电能的能量转换模块;
以及与所述蓄电池和所述电源接口连接的,用于根据所述蓄电池内的电能状态,控制所述电源接口电路将所述能量转换模块转换后的电能对所述蓄电池进行充电的电源管理模块。
这样电源模块15在电源管理模块的控制下可以最大化电池的使用寿命和效率。如蓄电池的电能低于预先设定的电能量时,电源管理模块控制电源接口电路将能量转换模块转换后的电能对蓄电池进行充电。当蓄电池的电能高于预先设定的电能量时,控制电源接口电路将能量转换模块转换后的电能不对蓄电池充电。
将风能转换为电能可以采用风力发电机(如:小型风力发电机)来实现,将太阳能转换为电能可以采用太阳能光伏电池来实现,将振动能转换为电能可以采用压电振子来实现。若所述能量转换模块包括风力发电机或太阳能光伏电池中一种或两种时,所述电源接口电路包括充放电管理电路。风力发电机将风能转换成电能后,在所述电源管理模块的控制下的充放电管理电路对所述蓄电池进行充电,太阳能光伏电池将太阳能转换成电能后,在所述电源管理模块的控制下的充放电管理电路对所述蓄电池进行充电。若所述能量转换模块包括压电振子时,所述电源接口电路包括压电供能电路,压电振子将振动能转换成电能后,在所述电源管理模块的控制下的压电供能电路对所述蓄电池进行充电。上述风力发电机和太阳能光伏电池以及压电振子还可以将风力发电机和太阳能光伏电池以及压电振子对上述蓄电池充满电后,剩余的电能存储起来,以便下次对上述蓄电池充电。
这样电源模块15可以实现将风能、太阳能或振动能中一种或多种转换成电能,并储蓄转换后的电能,可使本发明的传感器系统长期工作,同时实现最大化电池的使用寿命和效率。
需要说明的是,该传感器还包括:与电源模块15中的蓄电池连接的,用于向对土木工程结构施加电流的反腐蚀模块。 当外部提供的能量充裕时, 反腐蚀模块可被激活,并开始对建筑结构实施反腐蚀保护。电源模块15中的蓄电池与土木工程结构中的金属结构连接。具体的可以是采用牺牲阳极保护法防止土木工程结构被腐蚀,电阻器件与电源模块15中的蓄电池的正极连接,结构牺牲阳极保护法中的辅助阳极,土木工程结构中的金属结构与电源模块15中的蓄电池的负极通过电解质(如:土木工程结构中的混凝土结构)连接,构成牺牲阳极保护法中的阴极。这样电阻器件与土木工程结构中的金属结构以及电阻器件与土木工程结构中的金属结构之间的混凝土结构就构成一个回路,回路中的电流就可以防止土木工程结构被腐蚀。
本实施例,包括采集模块、滤波放大电路、数据处理模块、通讯模块和电源模块,其中,采集模块包括:用于采集土木工程结构的加速度物理量的加速度传感器,用于采集土木工程结构的温度物理量的温度传感器,以及用于接收包含外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量的信号的转换接口。这样可以实现一个传感器系统同时监测土木工程结构的温度、加速度和应变三个物理量,降低了土木工程结构的健康监测成本,且实用性好。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种用于土木工程结构健康监测的传感器系统,包括采集模块、滤波放大电路、数据处理模块、通讯模块和电源模块,其特征在于,所述采集模块包括:
用于采集土木工程结构的加速度物理量的加速度传感器;
用于采集土木工程结构的温度物理量的温度传感器;
以及用于接收包含外部应变传感器采集的土木工程结构的应变物理量的信号的转换接口。
2.如权利要求1所述的传感器系统,其特征在于,所述转换接口为至少一个通道的开放式模数转换接口。
3.如权利要求1或2所述的传感器系统,其特征在于,所述加速度传感器为三轴加速度传感器。
4.如权利要求3所述的传感器系统,其特征在于,所述采集模块还包括:
与所述三轴加速度传感器连接的,用于将所述三轴加速度传感器采集的土木工程结构的加速度物理量信息转换成数据信号的模拟/数字A/D转换器。
5.如权利要求4所述的传感器系统,其特征在于,所述温度传感器为数字温度传感器。
6.如权利要求5所述的传感器系统,其特征在于,所述采集模块还包括:
与所述数字温度传感器和所述A/D转换器连接的,用于将所述数字温度传感器和所述A/D转换器处理后的分别包含土木工程结构的温度物理量和加速度物理量的数字信号整合在一起,以I2C总线的方式发送至无线传感器的数据处理模块的总线扩展器。
7.如权利要求1或2所述的传感器系统,其特征在于,所述通讯模块采用1EEE 802.15.4ZigBee协议2.4GHz的载波频段传输数据。
8.如权利要求1或2所述的传感器系统,其特征在于,所述电源模块包括:
用于储蓄电能的蓄电池;
与所述蓄电池连接的电源接口电路;
与所述电源接口电路连接的,用于将风能、太阳能或振动能中的一种或多种转换为电能的能量转换模块;
以及与所述蓄电池、所述电源接口连接的,用于根据所述蓄电池内的电能状态,控制所述电源接口电路将所述能量转换模块转换后的电能对所述蓄电池进行充电的电源管理模块。
9.如权利要求8所述的传感器系统,其特征在于,所述能量转换模块包括:
风力发电机、太阳能光伏电池或压电振子中的一种或多种;
若所述能量转换模块包括风力发电机或太阳能光伏电池中一种或两种时,所述电源接口电路包括充放电管理电路;
若所述能量转换模块包括压电振子时,所述电源接口电路包括压电供能电路。
10.如权利要求8所述的传感器系统,其特征在于, 该传感器系统还包括:
与所述蓄电池连接的,用于向对土木工程结构施加电流的反腐蚀模块;
所述蓄电池还与土木工程结构中的金属结构连接。
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