CN103940409A - 一种桥梁载荷工况的抓拍装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种桥梁荷载工况的抓拍装置，包括GPS系统、无线传输终端、图像记录系统、荷载参数传感器和数据处理控制系统；其中数据处理控制系统包括时基单元、时源数据融合单元、数据处理单元和触发脉冲输出单元；通过对外界的挠度传感器、应变传感器、振动传感器信号进行采集、分析和阈值判断，确定是否为动态变形，并根据结果输出触发信号，驱动图像记录系统工作，确保了对桥梁动态变形的合理监测，并具有节省数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力的效果。

Description

一种桥梁载荷工况的抓拍装置
技术领域
本发明属于力学测量技术领域，涉及一种可用于桥梁、大坝、结构件等目标的位移和形变测量技术，特别是一种用于桥梁工况变形的实时图像记录装置。
背景技术
桥梁、大坝、结构件等目标的变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震及交通负载引起的短期变形，其参数监测对于目标的安全评估分析具有重要的作用。世界上很多国家都投入了很大的人力物力，进行桥梁变形测量技术的研究。
目前桥梁的变形监测的参数主要包括挠度、应变和振动，在参数监测的同时实现桥梁的图像实时记录，对于直观地发现较大形变及分析原因具有重要的意义。
但是在实际应用中存在着以下问题：（1）图像实时记录数据难以与其他传感器数据精确同步，给后续数据的处理和分析带来困难；（2）桥梁变形的监测属于长期行为，而图像实时记录会产生大量的数据，会给后续数据存储和数据传输带来压力，急需要一种既能满足对动态大范围形变的全过程记录，又能节省数据资源的装置。
发明内容
本发明提出了一种桥梁载荷工况的抓拍装置，一方面对图像记录系统的和其他传感器的数据加入时间标示码，便于对桥梁参数的同步整体分析；同时利用荷载参数传感器的结果对桥梁的动态变形和静态变形进行识别，并控制对应的图像记录系统的采集记录频率，兼顾了对动态变形的精细参数监测和对静态变形的长期完整监测，节省了数据资源。
本发明的技术内容如下：
一种桥梁荷载工况的抓拍装置，包括GPS系统、无线S输出终端、图像记录系统、荷载参数传感器和数据处理控制系统；其中数据处理控制系统包括时基单元、时源数据融合单元、数据处理单元和触发脉冲输出单元；时基单元与GPS系统相联，为图像数据提供时间基准；时源数据融合单元分别与无线输出终端和图像记录系统的数据输出端相联，时源数据融合单元按照时基单元提供的时间基准，对图像记录系统的数据处理后，加上时间标示码，并经无线传输终端输出；数据处理单元与外置的荷载参数传感器相联，对上述传感器信号进行分析、触发阈值判断和处理；触发脉冲输出单元与图像记录系统的触发端相联，并根据数据处理单元的结果输出触发脉冲，驱动图像记录系统。
其中时基单元通过GPS输出的PPS对高稳晶振输出的秒脉冲边沿进行相位自校准，获取精确的时间起始时刻。
其中荷载参数传感器包括挠度传感器、应变传感器、振动传感器中的一种或几种，无线传输终端为GPRS系统、无线3G传输系统或者RF系统，图像记录系统为CCD或CMOS传感器。
本发明的技术效果如下：
1、将GPS的时间基准信号引入图像记录系统，为每帧数据加上时刻标示码，实现了图像数据精确同步，为后续图像数据和其他传感器数据的融合、后续同步数据处理和分析提供了基准。
2、通过对外界的挠度传感器、应变传感器、振动传感器等荷载参数传感器的信号进行采集、分析和阈值判断，确定是否为动态变形，并根据结果输出触发信号，驱动图像记录系统按照不同的时间分辨率工作，确保了对桥梁动态变形的合理监测，并具有节省数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力的效果。
3、本发明采用GPS输出的PPS对高稳晶振的输出时钟进行自校准的方法，获得了精确的时间起始时刻，提高了时间基准的长期稳定度。
附图说明
图1为本发明桥梁荷载工况的抓拍装置原理图；
图2为本发明时基单元中相差检测电路原理图；
图3为本发明桥梁荷载工况的抓拍装置的工作流程。
附图标记如下：1—GPS系统；2—无线传输终端；3—挠度传感器；4—应变传感器；5—振动传感器；6—数据处理控制系统；7—图像记录系统；8—高稳晶振。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于桥梁荷载工况的抓拍装置包括GPS系统1、GPRS无线输出终端2、图像记录系统7、荷载参数传感器和数据处理控制系统6，其中荷载参数传感器包括挠度传感器1、应变传感器2、振动传感器3或其他传感器，图像记录系统7为CCD或CMOS传感器。
数据处理控制系统6包括时基单元、时源数据融合单元、数据处理单元和触发脉冲输出单元；其中的时基单元与GPS系统1相联，为图像数据提供时间基准。
其中时基单元为基准时间建立单元，其与GPS和高稳晶振相联，由高温晶振提供振荡基准时钟，产生设定的频率的内同步信号，同时获取GPS的时间信号。
为了获取精确的时间基准，本发明采取了自校准的方法，原理如下：基准时间建立单元与GPS和高稳晶振相联，由高稳晶振提供振荡基准时钟，产生设定频率的内同步信号，并获取GPS的时间信号；在FPGA内部利用该基准时钟产生ms和s脉冲，由于基准时钟的短期稳定度高，该ms和s脉冲也具有很高的短期稳定度，为了提高时间基准的长期稳定度，可以采用GPS输出的PPS（秒脉冲信号）对自带DDS（数字频率合成器）高稳晶振的输出时钟进行自校准的方法，其原理是通过FPGA检测10MHz的基准时钟边沿与GPS有效时钟输出的PPS脉冲边沿之间的偏差，系统根据FPGA检测输出的偏差，控制DDS输出时间基准的相位，使之在时间上对齐。
直接检测10MHz时间基准和GPS输出的PPS脉冲边沿的偏差存在较大的误差，为了提高相位测量的精度，本发明采用如下的方法：基准时钟产生秒脉冲，然后通过相差检测电路检测秒脉冲和GPS输出的PPS脉冲之间的相位差。
相差检测电路如图2所示，PPS信号和晶振s脉冲信号输入到异或门，其输出信号的高电平脉宽Δt则代表了两信号的相位差，系统控制DDS芯片实现输出信号的移相，建立了高精度的时间基准，获得了精确的时间起始时刻，此外，还需要获得精确时间，这可以通过解析GPS输出的数据来实现，也即通常所说的时间同步或者授时。
时源数据融合单元按照时基单元提供的时间基准，对图像记录系统7的数据处理后，加上时间标示码，简单的说就是给图像记录的文件加上一个时间戳，并经GPRS输出终端2输出。
数据处理单元与外置的荷载参数传感器相联，对上述传感器信号进行分析、判断和处理；其中，外置的荷载参数传感器（挠度、应变、振动）传感器可以根据需要动态设定触发拍照门限，当超过触发门限时，触发脉冲输出单元与图像记录系统7的触发端相联，并根据数据处理单元的结果输出触发脉冲，驱动图像记录系统7工作。
如图3所示，本发明的桥梁变形的实时图像记录装置的工作原理和流程如下：由于图像记录系统的数据量大，为了节省无线传输流量及数据存储量，在通常情况的静态变形下，图像记录系统7不工作或者是按照时间分辨率很低的方式工作，这样可以节约数据资源。只有当桥梁发生动态变形时，才启动图像记录系统7进行抓拍，而动态变形的发生时间则依靠荷载参数传感器的数据来判断。
在数据处理单元对挠度传感器3、应变传感器4、振动传感器5等荷载参数采集和处理过程中，当传感器发生幅度突变超出预先设定的阈值时，触发脉冲输出单元会发出触发脉冲，驱动图像记录系统7进行高时间分辨率的抓拍，以便获得更详细的细节信息；当变形传感器的参数趋于正常时，则停止抓拍。
在实时记录过程中，为了确保图像记录系统7的数据和传感器数据能够同步融合，在图像记录设备输出的数据中，均加上了与其他传感器一致的时间标记。具体方式是，时基单元提取GPS授时码，在同步脉冲输出的同时，时源数据融合单元按照时基单元提供的时间基准，对图像记录系统7的数据处理后，加上时间标示码，并经GPRS无线输出终端2输出，这样在后续处理和分析时就有了时间基准，为数据同步融合、提取和分析提供了方便。
时间标记作为传感器数据帧的帧头，由6个字节组成，结构如下表所示：
其中，BYTE0～BYTE3为从格林威治时间（0时区）1900年1月1日0点0分0秒开始的秒数，BYTE4～BYTE5为毫秒数。
由于图像记录数据量较大，按照每包128个字节的大小拆分成若干个带包序号的数据包，其中时间标记信息放置于第一包数据中，依次发送到服务器端，由服务器端后台服务软件把收到的数据包组合成拍照图片文件，并将图片信息以及拍照图片的时间标记信息写入数据库中。
本发明的无线GPRS系统2也可采用RF系统或无线3G等传输终端，挠度传感器可采用布置在桥梁上的远程挠度传感器，应变传感器可采用光纤光栅应变传感器、振动传感器可采用电磁原理的传感器。在实际应用中需要事先进行现场标定，并设定恰当的参数阈值，对于参数阈值的判断可以根据某一种特定传感器的数据或几种传感器数据的综合幅值进行考虑，以上均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种桥梁荷载工况的抓拍装置，其特征在于：包括GPS系统（1）、高稳晶振（8）、无线传输终端（2）、图像记录系统（7）、荷载参数传感器和数据处理控制系统（6）；
所述的数据处理控制系统（6）包括时基单元、时源数据融合单元、数据处理单元和触发脉冲输出单元；
所述的时基单元与GPS系统（1）相联，为图像数据提供时间基准；
所述的时源数据融合单元分别与无线传输终端（2）和图像记录系统（7）相联，时源数据融合单元按照时基单元提供的时间基准，对图像记录系统（7）的数据处理后，加上时间标示码，并经无线传输终端（2）输出；
所述的数据处理单元与外置的荷载参数传感器相联，对上述传感器信号进行分析、触发阈值判断和处理；
所述的触发脉冲输出单元与图像记录系统（7）的触发端相联，并根据数据处理单元的结果输出触发脉冲，驱动图像记录系统（7）工作。
2.根据权利要求1所述的桥梁荷载工况的抓拍装置，其特征在于：所述的时基单元通过GPS输出的PPS对高稳晶振输出的秒脉冲边沿进行相位自校准，获取精确的时间起始时刻。
3.根据权利要求1所述的桥梁荷载工况的抓拍装置，其特征在于：所述的荷载参数传感器包括挠度传感器（3）、应变传感器（4）、振动传感器（5）中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的桥梁荷载工况的抓拍装置，其特征在于：所述的无线传输终端（2）为GPRS系统、无线3G传输系统或者RF系统。
5.根据权利要求1所述的桥梁荷载工况的抓拍装置，其特征在于：所述的图像记录系统（7）为CCD或CMOS传感器。
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