CN103941605A - 用于桥梁监测的传感器同步控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于桥梁监测的传感器同步控制器，包括基于FPGA构建的基准时间建立单元、同步脉冲产生单元、外同步检测输入单元和同步码产生单元；本发明将GPS的时间信号引入测量结果，并为每个传感器的输出数据增加了时刻标识码，实现了数据的精确同步，为后续数据处理和分析提供了基准；同时采用内同步和外同步的方式，确保了对桥梁全面合理的监测，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

用于桥梁监测的传感器同步控制器

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、结构件等目标的荷载因为的位移变形测量技术，特别是一种用于桥梁监测的多种传感器的同步控制器。

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。

传统的桥梁变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前，这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了许多新技术和新方法，比如激光挠度法和GPS(Global PositionSystem)定位测量法。激光挠度仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到数十厘米，不能满足跨距较大的用于桥梁大变形的测量，其垂直位移可达米级；GPS定位测量法可实现实时在线测量桥梁的大变形，但是其精度智能达到厘米级，且费用高昂，限制了其推广应用。

自从70年代末期固体图像传感器出现以来，国内外有不少学者以固体图像传感器为媒介，将图像处理技术用于桥梁、混凝土梁变形测量的研究。其基本原理：在桥、混凝土梁上设置控制点或人工标志，通过光学成像镜头，被测点的图像信息成像在数字摄像机/照相机的固体图像传感器上，然后通过图像采集、传输，最后通过数字图像处理技术计算出被测点的位置，比较不同时刻的位置变化，就可以得知被测点的位移，这种图像测量技术能实现具有广泛使用的潜力。

但是在应用中存在着以下问题：（1）传感器数量种类多，难以实现各类输出数据的精确同步，给后续数据的处理和分析带来困难；（2）桥梁荷载的监测属于长期，加上传感器数量较多，为了节约数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力，需要对静态变形进行低时间分辨率的长期监测，同时对动态变形进行高时间分辨率的短期集中监测，但是现有的监测系统难以实现上述的控制，造成了数据资源的浪费或者难以达到对特殊事件的高时间分辨率的精细测量。

发明内容

本发明提出了用于桥梁监测的传感器同步控制器，对各个传感器进行时间同步控制处理，为数据加上时间标记；同时通过对动态变形事件的识别，控制变形监测传感器和抓拍像机的数据采集，实现了对突发时间的完整记录。

本发明的技术内容如下：

用于桥梁监测的传感器同步控制器，包括与主控CPU相联的基准时间建立单元、同步脉冲产生单元、外同步检测输入单元和同步码产生单元；

其中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，产生设定的频率的内同步信号，同时获取GPS的时间信号；

外同步检测输入单元与环境检测传感器、地感传感器、红外传感器相联，获取分析上述传感器的数据，并根据结果，产生外同步信号；

同步脉冲产生单元与抓拍像机、挠度传感器、应变传感器和振动传感器相联，根据基准时间建立单元产生的内同步信号和外同步检测输入单元产生的外同步信号输出同步脉冲，驱动传感器工作；

同步码产生单元与抓拍像机、挠度传感器、应变传感器和振动传感器相联，根据基准时间建立单元产生的内同步信号和外同步检测输入单元产生的外同步信号输出同步码，并结合GPS的时间信号给传感器的输出结果加时间标示码。

上述的用于桥梁监测的传感器同步控制器中，基准时间建立单元、同步脉冲产生单元、外同步检测输入单元和同步码产生单元基于FPGA构建。

上述的用于桥梁监测的传感器同步控制器中，基准时间建立单元通过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。

上述的用于桥梁监测的传感器同步控制器中，动态变形感知传感器包括环境检测传感器、地感检测传感器、红外传感器中的一种或几种组合。

上述的用于桥梁监测的传感器同步控制器中，环境检测传感器包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器、温度传感器中的一种或几种组合。

上述的用于桥梁监测的传感器同步控制器中，变形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组合。

本发明的技术效果如下：

1、将GPS的时间基准引入测量结果，并为每个传感器的输出数据增加了时刻标识码，实现了数据的精确同步，为后续数据处理、分析和融合提供了时间基准。

2、通过对外界的环境检测传感器、地感检测传感器、红外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，并根据结果触发外同步信号，实现了对动态形变的高时间分辨率的监测；同时结合针对静态形变的低时间分辨率长期监测，确保了对桥梁全面合理的监测，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为本发明同步控制器原理图；

图2为本发明基准时间建立单元中相差检测电路原理图；

图3为本发明同步控制器的工作流程。

具体实施方式

如图1所示，本发明用于桥梁监测的传感器同步控制器包括基于FPGA构建的基准时间建立单元、同步脉冲产生单元、外同步检测输入单元和同步码产生单元。同步控制器的各个单元与主控CPU相联，实现单元之间和外围元件的数据处理、运算和控制。

其中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，产生设定的频率的内同步信号，并获取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，主控CPU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，主控CPU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，这可以通过主控CPU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。

外同步检测输入单元与环境检测传感器、地感传感器、红外传感器相联，统称为动态变形感知传感器，获取分析上述传感器的数据，当环境监测传感器超过设定的门限,诸如风力传感器达到5级以上风力、地感传感器或者红外传感器检测到车辆驶入时，产生外同步信号；

同步脉冲产生单元与抓拍像机和挠度传感器、应变传感器、振动传感器或其他变形参数传感器相联，根据基准时间建立单元产生的内同步信号和外同步检测输入单元产生的外同步信号输出同步脉冲，驱动传感器工作；

同步码产生单元与抓拍像机、挠度传感器、应变传感器和振动传感器相联，根据基准时间建立单元产生的内同步信号和外同步检测输入单元产生的外同步信号输出同步码，根据GPS的时间信号给传感器的输出结果加时间标示码。

内同步频率可以根据需要设定，范围为0.1Hz—100Hz,默认10Hz。外同步是通过门限或者事件（车辆驶入或者驶出）触发的，一旦触发则会以比平时更高的采样频率获取传感器数据。

本发明的挠度传感器、应变传感器、振动传感器和抓拍像机的触发方式分为内同步触发和外同步触发两种。其中内同步触发方式用于对静态变形进行长期监测，控制系统会根据桥梁监测的要求，产生一个固定频率的内同步信号，驱动传感器和像机工作，故传感器和像机的采样频率可以处于低时间分辨率状态，这也是平常的工作方式。

图3为本发明同步控制器的工作流程。当桥梁遇到突发事件造成的动态变形时，会引起环境检测传感器、地感检测传感器和红外监测传感器等动态变形感知传感器产生信号突变，这时与之相联的外同步检测输入单元会对信号突变的特征进行判断，当幅度达到一定的阈值时，会由平常的内同步触发工作方式转换为外同步触发工作方式，同步脉冲产生单元会产生一个外同步脉冲，驱动挠度传感器、应变传感器、振动传感器和抓拍像机以外同步的方式工作，通常情况下，会提高采样频率，获得更多的传感器和图像信息，在确保了对桥梁全面合理的监测同时，节省数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力。当动态变形感知传感器的输出信号又恢复正常，低于设定的阈值时，系统又恢复到原有的内同步工作方式。

无论是内同步触发还是外同步触发，在工作时，为了方便多个传感器和像机数据之间的融合，对每个结果数据均加上时间标记。具体方式是，根据GPS的授时，在同步脉冲输出的同时，将该时刻标识加入至传感器和像机数据的标识端，这样在后续处理和分析时就有了时间标识基准，为数据融合、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。

本发明的同步控制器已得到现场应用，其中内同步工作频率为10Hz，外同步工作的频率为100Hz,环境传感器包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器、温度传感器，地感传感器为电磁线圈型，在实际应用中需要事先进行标定，获取上述动态变形感知传感器与桥梁变形、挠度之间的关系，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 (6)

1.用于桥梁监测的传感器同步控制器，其特征在于：包括与主控CPU相联的基准时间建立单元、同步脉冲产生单元、外同步检测输入单元和同步码产生单元；

所述的基准时间建立单元与GPS和高稳晶振相联，由高稳晶振提供基准时钟，产生设定频率的内同步信号，同时获取GPS的时间基准信号；

所述的外同步检测输入单元与动态变形感知传感器相联，获取分析上述传感器的数据后，根据结果产生外同步信号；

所述的同步脉冲产生单元与抓拍像机和变形参数传感器相联，根据基准时间建立单元产生的内同步信号和外同步检测输入单元产生的外同步信号输出同步脉冲，驱动抓拍像机和变形参数传感器工作；

所述的同步码产生单元与抓拍像机和变形参数传感器相联，根据内同步信号和外同步信号输出同步码，并结合GPS的时间基准给传感器的输出结果加时间标示码。

2.根据权利要求1所述的用于桥梁监测的传感器同步控制器，其特征在于：所述的基准时间建立单元、同步脉冲产生单元、外同步检测输入单元和同步码产生单元基于FPGA构建。

3.根据权利要求1所述的用于桥梁监测的传感器同步控制器，其特征在于：所述的基准时间建立单元通过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。

4.根据权利要求1所述的用于桥梁监测的传感器同步控制器，其特征在于：所述的动态变形感知传感器包括环境检测传感器、地感检测传感器、红外传感器中的一种或几种组合。

5.根据权利要求4所述的用于桥梁监测的传感器同步控制器，其特征在于：所述的环境检测传感器包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器、温度传感器中的一种或几种组合。

6.根据权利要求1所述的用于桥梁监测的传感器同步控制器，其特征在于：所述的变形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组合。