CN104091430A - 基于无线通信技术的桥梁应变监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信技术的桥梁应变监测系统及方法，所述系统包括多个设置在桥梁底板或腹板表面的振弦式应变传感器、多个振弦式读数仪、接收器以及计算机；所述多个振弦式读数仪通过导线与多个振弦式应变传感器一一对应连接，所述接收器通过接口电路与计算机连接；所述每个振弦式读数仪连接有第一无线通信模块，所述接收器连接有第二无线通信模块，所述第一无线通信模块与第二无线通信模块共同构成无线传感器网络。本发明的桥梁应变监测系统结构简单，部署灵活方便，不受地形环境限制，避免了铺设线缆方式的缺点，可节省大量的人力物力，数据采集自动进行，无需进行人工干预，不仅采集的实时性有保障，也容易实现长期动态监控。

Description

基于无线通信技术的桥梁应变监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁应变监测系统，尤其是一种基于无线通信技术的桥梁应变监测系统及方法，属于土木工程应变监测领域。

背景技术

静态应变测量是桥梁静载试验的重要内容，而静态应变直接反映桥梁在外荷载作用下的局部受力情况，是桥梁结构健康状态的重要参数和桥梁安全性评估的重要指标，因此，在桥梁施工、运营、维护中，通过对桥梁进行应变的实时监测，对评定桥梁结构的健康状况有重要意义。

在目前的工程监测中，通常由测量人员使用数据采集仪依次对多个监控点进行数据采集并作记录，每到一个传感器预埋点都需将传感器线缆接入采集仪，再执行数据采集，这种方式的缺点是操作复杂，人工采集成本高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单，部署灵活，且数据采集自动进行的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统。

本发明的另一目的在于提供一种上述系统的监测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，包括多个设置在桥梁底板或腹板表面的振弦式应变传感器、多个振弦式读数仪、接收器以及计算机；所述多个振弦式读数仪通过导线与多个振弦式应变传感器一一对应连接，所述接收器通过接口电路与计算机连接；所述每个振弦式读数仪连接有第一无线通信模块，所述接收器连接有第二无线通信模块，所述第一无线通信模块与第二无线通信模块共同构成无线传感器网络。

作为一种优选方案，所述每个振弦式读数仪包括数据采集模块、第一单片机以及供电模块，所述供电模块用于为第一单片机提供电源，所述数据采集模块与振弦式应变传感器连接，所述第一单片机分别与数据采集模块和第一无线通信模块连接。

作为一种优选方案，所述数据采集模块包括高压激励电路和信号调理电路，所述高压激励电路用于对振弦式应变传感器发起电磁激励，所述信号调理电路用于对振弦式应变传感器的输出信号进行放大、整流和滤波处理。

作为一种优选方案，所述第一单片机采用ATMEGA8A芯片。

作为一种优选方案，所述供电模块采用3.7V锂电池。

作为一种优选方案，所述接收器包括第二单片机、RS232接口电路以及RS232转USB接口电路，所述第二单片机依次通过RS232接口电路和RS232转USB接口电路与计算机连接，所述第二单片机还与第二无线通信模块连接。

作为一种优选方案，所述第二单片机采用STM32F103芯片，所述RS232接口电路采用MAX3232芯片，STM32F103芯片的USART2接口配合I/O接口一起组成第二无线通信模块的控制接口，USART1接口通过MAX3232芯片引接出RS232C接口。

作为一种优选方案，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用UTC4432B1无线通信模块。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于无线通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)接收器从计算机的USB接口获取电源，并将电压输出给第二单片机和第二无线通信模块，使第二单片机和第二无线通信模块正常工作；

2)振弦式读数仪通电后，通过第一无线通信模块接收计算机的指令，由第一单片机输出PWM信号控制高压激励电路获得150V～180V的脉冲高电压，然后第一单片机将该电压加载到振弦式应变传感器的两端，使振弦式应变传感器受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，信号调理电路对振弦式应变传感器的输出信号进行放大、整流和滤波处理，得到某个频率的方波信号，第一单片机内置的定时器采集方波信号，并经过计算得到频率值；

3)第一单片机通过第一无线通信模块将频率值传输给第二无线通信模块，再由第二无线通信模块将频率值传输给接收器的第二单片机；

4)第二单片机启动A/D转换器将接收到的频率值进行模数转换，转换后的数据经由RS232接口电路传到RS232转USB接口电路，由RS232转USB接口电路转换成USB数据后传输给计算机；

5)在计算机中实时查看数据变化趋势曲线，对数据进行对比分析，实现异常数据报警。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的桥梁应变监测系统结构简单，部署灵活方便，不受地形环境限制，避免了铺设线缆方式的缺点，可节省大量的人力物力。

2、本发明的桥梁应变监测系统利用振弦式应变传感器和振弦式读数仪实现数据采集，并通过无线通信模块自动将采集的数据经接收器传输给计算机，无需进行人工干预，不仅采集的实时性有保障，也容易实现长期动态监控。

3、本发明的桥梁应变监测系统在将数据自动存入计算机后，可在计算机中实时查看数据变化趋势曲线，能够实现异常数据告警，利于数据对比分析，可显著减轻数据处理的工作量。

附图说明

图1为本发明的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统结构示意图。

图2为本发明的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统中振弦式应变传感器位置设置示意图。

图3为本发明的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统中振弦式应变传感器工作原理示意图。

图4为本发明的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统中振弦式读数仪的结构原理框图。

图5为本发明的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统中高压激励电路原理图。

图6为本发明的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统中信号调理电路原理图。

图7为本发明的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统中接收器的结构原理框图。

其中，1-振弦式应变传感器，2-振弦式读数仪，3-接收器，4-计算机，5-第一无线通信模块，6-第二无线通信模块，7-钢弦，8-感应线圈，9-激振线圈，10-数据采集模块，11-第一单片机，12-供电模块，13-第二单片机，14-RS232接口电路，15-RS232转USB接口电路。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实施例的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，包括多个振弦式应变传感器1、多个振弦式读数仪2、接收器3以及计算机4；所述多个振弦式读数仪2通过导线与多个振弦式应变传感器1一一对应连接，所述接收器3通过接口电路与计算机4连接；所述每个振弦式读数仪2连接有第一无线通信模块5，所述接收器3连接有第二无线通信模块6，所述第一无线通信模块5与第二无线通信模块6共同构成无线传感器网络，其中：

如图2所示，所述振弦式应变传感器1可以设置在桥梁底板或腹板表面，其采用BGK-4000型振弦式应变计，工作原理如图3所示，可以看到振弦式传感器内部是一根张紧的钢弦7，置于电磁场之中.激励电流通过磁铁线圈使磁铁磁性增强并吸住振弦，电流断开后，由于惯性作用，钢弦7开始自由振动，感应线圈8产生的感应电动势，经过放大输出，并通过电压比较器将输出信号转化为频率信号，所测的感应电动势的频率即为振弦的振动频率；同时，输出信号的一部分将反馈到激振线圈9，再加上电路的稳幅措施，使钢弦7达到电路所保持的等幅、连续的振动，只要测出钢弦7的振动频率，就可以通过钢弦7的频率与应变的物理关系求出应变；频率与应变的关系为：

$f=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{T}{\mathrm{\ρ}}}=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{\mathrm{\σs}}{\mathrm{\ρ}}}=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{\mathrm{Es}}{{\mathrm{\ρ}}_V}}$

式中，f为钢弦振动频率，l为钢弦长度，ρ为弦线密度，s为弦横截面积，ρ_V为弦的体密度(ρ_V＝ρ/s)，T为钢弦拉力，σ为弦应力，ε为弦应变，E为弦弹性模量。

所述振弦式读数仪2用于完成振弦式应变传感器1的频率测量，每个振弦式读数仪2如图4所示，包括数据采集模块10、第一单片机11以及供电模块12，其中数据采集模块10包括高压激励电路和信号调理电路，所述高压激励电路和信号调理电路分别与振弦式应变传感器1连接，第一单片机11采用Atmel公司的ATMEGA8A单片机芯片，分别与高压激励电路、信号调理电路和第一无线通信模块5，供电模块12采用3.7V锂电池，用于为第一单片机11提供电源；振弦式读数仪2的工作原理具体为：振弦式读数仪2通过第一无线通信模块5接收计算机4的指令，由第一单片机11输出PWM信号控制高压激励电路(如图5所示，T1、T2和T3三只高压三极管并联能获得较大的电流，比较器U1A在高压达到预设阈值时指示信号输入第一单片机11)获得150V～180V的脉冲高电压，然后第一单片机11将该电压加载到振弦式应变传感器1的两端，使振弦式应变传感器1受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，其输出信号的频率由振弦式应变传感器1应力大小决定；信号调理电路(如图6所示)对振弦式应变传感器1的输出信号进行放大、整流和滤波处理，得到某个频率的方波信号，第一单片机11内置的定时器采集方波信号，并经过计算得到频率值。

如图7所示，所述接收器3包括第二单片机13、RS232接口电路14以及RS232转USB接口电路15，所述第二单片机13采用ST(意法半导体公司)的32位单片机芯片STM32F103，所述RS232接口电路14采用MAX3232芯片，STM32F103芯片的USART2接口配合特定的I/O接口一起组成第二无线通信模块6的控制接口，通过控制接口与第二无线通信模块6连接；STM32F103芯片的USART1接口通过MAX3232芯片引接出RS232C接口，并通过RS232转USB接口电路15与计算机4连接，与计算机4进行串口通信。

所述第一无线通信模块5和第二无线通信模块6均采用杭州威步科技公司生产的UTC4432B1无线通信模块。

本实施例的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)接收器3从计算机4的USB接口获取电源，并将电压输出给第二单片机13和第二无线通信模块6，使第二单片机13和第二无线通信模块6正常工作；

2)振弦式读数仪2通电后，通过第一无线通信模块5接收计算机4的指令，由第一单片机11输出PWM信号控制高压激励电路获得150V～180V的脉冲高电压，然后第一单片机11将该电压加载到振弦式应变传感器1的两端，使振弦式应变传感器1受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，信号调理电路对振弦式应变传感器1的输出信号进行放大、整流和滤波处理，得到某个频率的方波信号，第一单片机11内置的定时器采集方波信号，并经过计算得到频率值；

3)第一单片机11通过第一无线通信模块5将频率值传输给第二无线通信模块6，再由第二无线通信模块6将频率值传输给接收器3的第二单片机13；

4)第二单片机13启动A/D转换器将接收到的频率值进行模数转换，转换后的数据经由RS232接口电路14传到RS232转USB接口电路15，由RS232转USB接口电路15转换成USB数据后传输给计算机4；

5)在计算机4中实时查看数据变化趋势曲线，对数据进行对比分析，实现异常数据报警。

综上所述，本发明的桥梁应变监测系统利用振弦式应变传感器和振弦式读数仪实现数据采集，并通过无线通信模块自动将采集的数据经接收器传输给计算机，无需进行人工干预，不仅采集的实时性有保障，也容易实现长期动态监控。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：包括多个设置在桥梁底板或腹板表面的振弦式应变传感器、多个振弦式读数仪、接收器以及计算机；所述多个振弦式读数仪通过导线与多个振弦式应变传感器一一对应连接，所述接收器通过接口电路与计算机连接；所述每个振弦式读数仪连接有第一无线通信模块，所述接收器连接有第二无线通信模块，所述第一无线通信模块与第二无线通信模块共同构成无线传感器网络。

2.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：所述每个振弦式读数仪包括数据采集模块、第一单片机以及供电模块，所述供电模块用于为第一单片机提供电源，所述数据采集模块与振弦式应变传感器连接，所述第一单片机分别与数据采集模块和第一无线通信模块连接。

3.根据权利要求2所述的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：所述数据采集模块包括高压激励电路和信号调理电路，所述高压激励电路用于对振弦式应变传感器发起电磁激励，所述信号调理电路用于对振弦式应变传感器的输出信号进行放大、整流和滤波处理。

4.根据权利要求2所述的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：所述第一单片机采用ATMEGA8A芯片。

5.根据权利要求2所述的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：所述供电模块采用3.7V锂电池。

6.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：所述接收器包括第二单片机、RS232接口电路以及RS232转USB接口电路，所述第二单片机依次通过RS232接口电路和RS232转USB接口电路与计算机连接，所述第二单片机还与第二无线通信模块连接。

7.根据权利要求6所述的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：所述第二单片机采用STM32F103芯片，所述RS232接口电路采用MAX3232芯片，STM32F103芯片的USART2接口配合I/O接口一起组成第二无线通信模块的控制接口，USART1接口通过MAX3232芯片引接出RS232C接口。

8.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的桥梁应变监测系统，其特征在于：所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用UTC4432B1无线通信模块。

9.基于无线通信技术的桥梁应变监测系统的监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)接收器从计算机的USB接口获取电源，并将电压输出给第二单片机和第二无线通信模块，使第二单片机和第二无线通信模块正常工作；

2)振弦式读数仪通电后，通过第一无线通信模块接收计算机的指令，由第一单片机输出PWM信号控制高压激励电路获得150V～180V的脉冲高电压，然后第一单片机将该电压加载到振弦式应变传感器的两端，使振弦式应变传感器受高压脉冲的激励开始衰减振荡并输出电压信号，信号调理电路对振弦式应变传感器的输出信号进行放大、整流和滤波处理，得到某个频率的方波信号，第一单片机内置的定时器采集方波信号，并经过计算得到频率值；

3)第一单片机通过第一无线通信模块将计算得到的频率值传输给第二无线通信模块，再由第二无线通信模块将频率值传输给接收器的第二单片机；

4)第二单片机启动A/D转换器将接收到的频率值进行模数转换，转换后的数据经由RS232接口电路传到RS232转USB接口电路，由RS232转USB接口电路转换成USB数据后传输给计算机；

5)在计算机中实时查看数据变化趋势曲线，对数据进行对比分析，实现异常数据报警。