CN103883118A

CN103883118A - 一种可测倾角变化的智能脚手架扣件

Info

Publication number: CN103883118A
Application number: CN201410124172.XA
Authority: CN
Inventors: 宿健; 蔡曙日; 倪振松; 刘智; 刘京; 郭佳; 林潘
Original assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Current assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: CN103883118B

Abstract

本发明涉及脚手架技术领域，特别涉及一种可测倾角变化的智能脚手架扣件，包括脚手架扣件，还包括粘贴在脚手架扣件上的智能倾角监测装置。与现有技术相比，本发明能够实时监测扣件的倾角变化，且无需布线即可实现对扣件倾角变化的实时监测，有效避免了传统监测设备大规模布线可能产生的损失，并大幅缩短监测周期，使监测效率的得到提高高；再者，采用数字信号无线传输，抗电磁干扰能力强、速率快、稳定性好，不受温度变化的影响，能适应复杂多变外界测试环境，适用于工业化生产及各种工程结构倾角变化的监测，特别适用于土木工程结构倾角变化的监测。

Description

一种可测倾角变化的智能脚手架扣件

技术领域

本发明涉及脚手架技术领域，特别涉及一种可测倾角变化的智能脚手架扣件。

背景技术

建筑的整个寿命周期分为建设阶段和使用阶段，结构工程师通常都比较重视桥梁的使用年限期间的安全问题，而易忽视桥梁在建设阶段所面临的各种相关的结构安全、强度和稳定性问题。在实际应用中，桥梁在其使用年限内，基本很少遇到设计中的最大荷载，反而在施工过程中，常因支撑承载力不足而引发意外的倒塌事故。为此，出现了各种新型钢管脚手架，特别是近几年来，工程上逐渐采用了钢管支架支撑，例如：碗扣式支架，碗扣接头连接牢固稳定，安全可靠，具有优良的抗剪、弯、扭的力学性能。该碗扣式支架可搭设四边形和多边形，没有零散扣件，安装方便、迅速，能灵活的根据上部组装成各种支撑架和其它结构，该支架在三维方向均具有可靠的力学性能，整体稳定好，底部由固定底座和可调底座构成。此外，在支架材料使用上也有改进，产生了一种低合金钢管支架，较低碳钢管支架有许多优点：壁厚减至2.5mm，由于单位长度的重量减轻，支承支架时总重减少，用钢量减少，从而大大降低了经济成本，相应地提高了经济效益。

但是，随着大量现代化大型建筑体系的出现，钢管脚手架已不能适应建筑施工发展的需要，大力开发和推广应用新脚手架是当务之急。尤其在特殊的工程场合里，特别需要对脚手架倾角进行实时监测。

目前常用的脚手架安全监测方法是基于有线传输的倾角监测。在有线传输的倾角监测中,传输均采用有线电缆方式完成。此种技术手段数据传输效率较高，技术比较成熟，但是在大跨度脚手架结构测试中,随着建筑面积的不断增大,传感器数量和有线电缆用量也随之剧增，从而使现场布置和撤离有线电缆的工作量增大、测试周期延长，导致效率大幅降低，而几千米的有线电缆布线工作甚至无法实施。众多的有线电缆分布复杂凌乱，容易接错线位，难以避免为后期的数据处理带来难以补救的损失。再者，传统有线线缆传输方式中采用模拟信号传输,线缆之间易产生串扰；并且，模拟信号受温度、电磁波的干扰尤为明显，造成数据不能正确反应桥梁倾角检测信息。

所以，亟需开发出能够根据实际工程需要进行脚手架安全监测的技术。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种可测倾角变化的智能脚手架扣件，实时感知扣件的倾角变化，以简单的结构实现倾角的实时监测。

本发明解决问题的技术方案是：一种可测倾角变化的智能脚手架扣件，包括脚手架扣件，还包括粘贴在脚手架扣件上的智能倾角监测装置。

进一步地，所述智能倾角监测装置包括如下组件：倾角传感器、微处理器、电源、无线传输系统、报警器，其中，所述微处理器分别与所述倾角传感器、无线传输系统及报警器分别相连接，所述电源分别与所述倾角传感器、微处理器、无线传输系统相连接。

优选地，所述倾角传感器为二维倾角传感器。

优选地，所述无线传输系统采用Zigbee协议进行数据传输。

优选地，所述无线传输系统中采用射频芯片。

优选地，在所述智能倾角监测装置中，通过双轴加速度传感器、微处理器和无线传输系统组成倾角传感器节点与网络协调器节点；其中，所述倾角传感器节点接收来自脚手架扣件的倾角数据，通过所述无线通信系统以无线通信方式将倾角数据传输至所述网络协调器节点；所述网络协调器节点用于完成无线网络的创建与管理，并将倾角传感器节点的数据进行传送。

进一步地，所述脚手架扣件为具有无线传感网络接口的脚手架扣件。

优选地，所述脚手架扣件为钢管脚手架旋转扣件。

进一步地，所述智能倾角监测装置的外盒由铝合金材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够实时监测扣件的倾角变化，且无需布线即可实现对扣件倾角变化的实时监测，有效避免了传统监测设备大规模布线可能产生的损失，并大幅缩短监测周期，使监测效率的得到提高；再者，采用数字信号无线传输，抗电磁干扰能力强、速率快、稳定性好，不受温度变化的影响，能适应复杂多变外界测试环境，适用于工业化生产及各种工程结构倾角变化的监测，特别适用于土木工程结构倾角变化的监测。

附图说明

图1为本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件的结构示意图；

图2为图1的剖面结构示意图；

图3为实施例1中本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件的智能倾角监测装置的原理结构框图；

图4为实施例2中本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件的智能倾角监测装置的原理结构框图。

图5是实施例2中本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件的智能倾角监测装置的倾角传感器的管脚结构示意图；

图6是实施例2中本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件的智能倾角监测装置的倾角传感器的内部电路框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述，但本发明并不限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件，包括脚手架扣件，还包括粘贴在脚手架扣件上的智能倾角监测装置。

在上述实施例中，如图3所示，所述智能倾角监测装置包括如下组件：倾角传感器、微处理器、电源、无线传输系统、报警器，其中，所述微处理器分别与所述倾角传感器、无线传输系统及报警器分别相连接，所述电源分别与所述倾角传感器、微处理器、无线传输系统相连接。

在上述实施例中，所述倾角传感器为优选二维倾角传感器；较佳地，所述倾角传感器为MEMS二维倾角传感器。

在上述实施例中，所述无线传输系统采用Zigbee协议进行数据传输；优选地，所述无线传输系统中采用射频芯片，较佳地，采用MCU+RF射频芯片的方式构成；其中，通过采用ZigBee协议的无线传输系统来实现脚手架扣件倾角数据传输，能避免如传统倾角监测设备那样进行大规模布线，从而能够实现无布线监测，进而大幅缩短监测周期，充分提高效率；此外，采用数字信号无线传输,能够增强抗电磁干扰能力、增强稳定性好，免受温度变化等影响，从而能适应复杂多变的外界测试环境。

在上述实施例中，所述脚手架扣件为具有无线传感网络接口的多通道脚手架扣件，优选为钢管脚手架旋转扣件。

在上述实施例中，所述智能倾角监测装置的外盒由铝合金材料制成，采用铝合金材料制成保护外盒，能够使外盒内部的倾角传感器响应频率高于普通外置倾角传感器3Hz～30Hz，能够提高测量精度，使测量精度达到±0.1°，也能够利于适应复杂多变的外界测试环境。

在上述实施例中，所述倾角传感器能实时感知扣件的倾角变化，为节省功耗，所述倾角传感器能够设置成只在发生角度变化或超过阈值的角度变化才发送数据给微处理器，当发生超过阈值变化的数据时，系统装置将通过报警器自动报警；还能够通过在倾角传感器、微处理器、无线传输系统均采用低功耗芯片，微处理器采用单片机芯片，利用单片机具有的独特的睡眠模式，从而充分保证倾角传感器和数据传输网络的低功耗，进而有效延长本发明可测倾角变化的智能脚手架扣件的寿命。。

依照本发明提供的的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件，能够根据具体工程需要开发集成有所述智能倾角监测装置的脚手架扣件，对于本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件的使用方法为：在建筑支架安装后，测量各安装有智能倾角监测装置的脚手架扣件的初始倾角，根据各扣件安装位置及计算结果设定预警值；超过预警值则报警器报警，并把数据通过无线传输系统发送至电脑PC机分析其角度值；若支架有进行预压实验，可以存储无荷载与有荷载之间的变化值，作为过程中的极值，也可以在施工的过程中出现超过极值情况下，应马上报警。

具体应用本发明的一种可测倾角变化的智能脚手架扣件时，所述智能倾角监测装置用于对脚手架扣件的倾角变化进行智能实时监测，无需布线即可实现对扣件倾角变化的实时监测，有效避免了传统监测设备大规模布线可能产生的损失，并大幅缩短监测周期，使监测效率的得到提高高；再者，采用数字信号无线传输,抗电磁干扰能力强、稳定性好，不受温度变化的影响，能适应复杂多变外界测试环境；此外，所述智能倾角监测装置的优化设置，使得本发明可测倾角变化的智能脚手架扣件具有体积小、方便携带、以及能耗低等优点；适用于工业化生产及各种工程结构倾角变化的监测，特别适用于土木工程结构倾角变化的监测。

实施例2

如图1和图2所示，本发明的一种可测应力变化的智能脚手架扣件，其基本结构设置及应用同实施例1，具体还包括如下设置：在所述智能倾角监测装置中，通过双轴加速度传感器、微处理器和无线传输系统组成倾角传感器节点与网络协调器节点；其中，所述倾角传感器节点接收来自脚手架扣件的倾角数据，通过所述无线通信系统以无线通信方式将倾角数据传输至所述网络协调器节点；所述网络协调器节点用于完成无线网络的创建与管理，并将倾角传感器节点的数据传送。

在上述实施例中，如图4所示，所述双轴加速度传感器优选为ADI公司的ADXL213双轴加速度传感器，所述微处理器优选为Atmel公司的ATmega16单片机，所述无线传输系统优选为Chipcon公司的无线收发器。具体应用中，倾角传感器节点接收来自脚手架扣件的倾角数据，通过ZigBee无线通信方式将数据传输至网络协调器节点，该网络协调器节点负责完成无线网络的创建与管理，并通过USB将传感器节点的数据传送至控制中心PC机。也就是，优选地，所述的倾角传感器节点由ADXL213双轴加速度传感器、ATmega16单片机和Zigbee无线传输系统构成；较佳地，ATmega16单片机与无线传输系统的射频芯片之间通过SPI接口（串行外设接口）相连接。优选地，ADXL213双轴加速度传感器模拟量信号经过信号交流放大、相敏检波、低通滤波，得到与加速度成比例的电压信号；并将所得电压信号输入到ATmega16单片机的模拟输入通道，由ATmega16单片机完成测量数据的倾角转换和处理，通过TTL串口（串口电平信号）将数据传输至Zigbee无线传输系统，实现单片机到无线传输系统的数据传送，再由Zigbee无线传输系统将接收到的数掘调制成2.4GHz无线信号发送出去。

本发明的一种可测应力变化的智能脚手架扣件，其基本应用同实施例1，具体应用时，如图5和图6所示，作为倾角传感器的ADXL213双轴加速度传感器的作用方式如下：脚手架扣件产生倾斜时，ADXL213双轴加速度传感器输出的X、Y轴的测量信号能够测量动态加速度和静态加速度,其量程范围为±1.2g,输出为周期可调的占空比调制信号,无需经过A/D转换直接与微处理器连接；微处理器由ATmega16芯片以及其供电模块组成；微处理器与Zigbee无线传输系统相连，用于将转换后的数字信号通过内置PCB天线进行无线发送。

如图5所示，ADXL213双轴加速度传感器是AD公司推出的新一代双轴加速度传感器，采用MEMS技术，在一个硅片上包含了一个多晶体硅表面微机械传感器和信号处理电路,实现了开环加速度测量结构，ADXL213典型测量范围在±1.2g，该加速计既能够测量静态的也能够测量动态的加速度，能够承受3500g极限加速度；输出为周期可调的占空比调制信号,无需经过A/D转换直接与计数器或单片机连接；ADXL213做成的倾角传感器响应频率高于通常倾角传感器的3～30Hz，在±65°范围内测量精度可以达到±0.1°。

如图6所示，ADXL213双轴加速度传感器输出的是周期可调的与加速度成比例的脉宽调制信号；用户通过外加电容C_X,C_Y定低通滤波器的带宽，能够提高测量分辨率，抑制噪声；系统中为了提高测量的分辨率和降低噪声，调整C_(X,Y)使滤波带宽略大于被测频率，并使PWM波的频率大于滤波带宽的5倍以上；用单片机对输出的PWM波进行处理,测量出方波周期T₂和脉冲宽度T₁。通过公式(1)计算出加速度：

a=(T₁/T₂-μ_0g)/μ_1g (1)

式中，μ0g为加速度为0gn时对应的占空比，典型值为50%；μ1g为1gn加速度变化引起的占空比变化值，典型值为30%；T2为采样周期由外接电阻RSET决定,并且T2=RSET/125MΩ。

当加速度传感器的X轴或Y轴位置相对于重力场发生变化时,重力将在相应方向产生分量，测量两个方向的重力分量,可以计算出沿相应轴向的倾角变化。

[angle](x)=arcsin(A_x/1g)

[angle](y)=arcsin(A_y/1g) （2）

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种可测倾角变化的智能脚手架扣件，包括脚手架扣件，其特征在于，还包括粘贴在脚手架扣件上的智能倾角监测装置。

2.根据权利要求1所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于，所述智能倾角监测装置包括如下组件：倾角传感器、微处理器、电源、无线传输系统、报警器，其中，所述微处理器分别与所述倾角传感器、无线传输系统及报警器分别相连接，所述电源分别与所述倾角传感器、微处理器、无线传输系统相连接。

3.根据权利要求2所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于，所述倾角传感器为二维倾角传感器。

4.根据权利要求2所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于，所述无线传输系统采用Zigbee协议进行数据传输。

5.根据权利要求2所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于，所述无线传输系统中采用射频芯片。

6.根据权利要求2所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于，在所述智能倾角监测装置中，通过双轴加速度传感器、微处理器和无线传输系统组成倾角传感器节点与网络协调器节点；其中，所述倾角传感器感应脚手架扣件的倾角数据，通过所述无线通信系统以无线通信方式将倾角数据传输至所述网络协调器节点；所述网络协调器节点用于完成无线网络的创建与管理，并将倾角传感器节点的数据进行传送。

7.根据权利要求1所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于：所述脚手架扣件为具有无线传感网络接口的脚手架扣件。

8.根据权利5所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于：所述脚手架扣件为钢管脚手架旋转扣件。

9.根据权利要求1所述的可测倾角变化的智能脚手架扣件，其特征在于，所述智能倾角监测装置的外盒由铝合金材料制成。