CN104406723A - 一种桥梁健康监测系统 - Google Patents

Abstract

一种桥梁健康监测系统，包括给整个系统供电的供电电源，若干个压电传感器，所述压电传感器均匀的分布在桥梁内部，所述压电传感器通过信号放大器连接单片机，所述单片机连接地址选择器与第一报警器，所述单片机通过无线传输模块连接上位机，所述上位机连接显示模块与第二报警器，所述上位机上设有数据存储模块，所述第一报警器安装于桥梁防护栏上，所述第二报警器安装于值班室内。该系统具有寿命长、安装方便等优点，同时在桥梁防护栏上与值班室内均安装有报警器，当桥梁承受压力超过额定范围时，桥梁报警器会提醒过往车辆行人注意安全，值班室内的报警器会提醒工作人员目前桥梁的健康情况以及时采取应对策略。

Description

一种桥梁健康监测系统

技术领域

本发明涉及一种桥梁监测系统，尤其涉及一种桥梁健康监测系统。

背景技术

近几年以来我国多处发生桥梁垮塌事件，直接给社会带来的巨大的经济损失，同时也在严重威胁人们的生命安全。虽然相关部门会定期对桥梁进行质量检测，然而该周期较长不是防止桥梁坍塌的有效手段，因此需要一种能够实时监测桥梁运行状态的系统，用于完成对桥梁各种参数的监测工作，当桥梁运行状况出现异常时能够及时通知桥梁管理人员采取相应的措施，从而在最大程度上降低损失。

目前监测桥梁健康的传感器主要是光纤光栅应力传感器。光纤光栅技术是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从而形成光纤光栅的反射谱。光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时,光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感测。除了光纤光栅应力传感器之外，还有位移传感器以及形状记忆合金等被应用于桥梁健康监测系统。然而上述几种传感器都存在着费用高、寿命短、安装复杂等问题。尤其是使用寿命短导致了很多问题的产生：因为一般的传感器都被埋在桥面一下以感应桥梁的应力，所以当传感器坏掉就必须得对传感器进行重新埋设才能保证整个系统的正常运转，这就会造成人力物力的浪费；而且上述传感器的原理就导致了其对应用环境以及安装过程的要求较为苛刻，稍有不慎就会造成传感器件的损坏。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种桥梁健康监测系统，该系统具有价格低廉、精度高铺设方便、使用寿命长等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种桥梁健康监测系统，包括给整个系统供电的供电电源，若干个压电传感器，所述压电传感器均匀的分布在桥梁内部，所述压电传感器通过信号放大器连接单片机，所述单片机连接地址选择器与第一报警器，所述单片机通过无线传输模块连接上位机，所述上位机连接显示模块与第二报警器，所述上位机上设有数据存储模块，所述第一报警器安装于桥梁防护栏上，所述第二报警器安装于值班室内。

所述单片机为STC12C5A60S，所述单片机连接有重置电路与晶振电路；所述重置电路为：所述STC12C5A60S的RST引脚通过开关S1连接电压源VCC，所述电压源VCC依次通过串联连接的电容C1与电阻R1接地；所述晶振电路为：STC12C5A60S的XTAL1引脚通过电容C4接地，所述STC12C5A60S的XTAL2引脚通过电容C5接地，所述STC12C5A60S的XTAL1引脚与XTAL2引脚之间连接晶振Y1，所述STC12C5A60S的电压源引脚连接电压源VCC，所述STC12C5A60S的GND引脚接地。

所述信号放大器电路包括：集成运算放大器OPA2334，所述OPA2334的OUTB引脚、1Vin-引脚、Vin+引脚连接在一起组成电压跟随，所述OPA2334的1Vin+引脚连接压电传感器的输出端，所述OPA2334的Vin-引脚与GND引脚之间连接电阻R20，所述OPA2334的GND引脚接地，所述OPA2334的Vin-引脚与OUTA引脚之间连接可调电阻R21，所述OPA2334的OUTA引脚连接STC12C5A60S的ADC0引脚。

所述无线传输模块采用XL02-232AP1半双工无线传输模块。

所述的供电电源包括太阳能电池板与蓄电池，所述太阳能电池板并联连接蓄电池，所述太阳能电池板并联连接有极性电容C6，所述有极性电容C6的正极连接太阳能电池板正极，所述太阳能电池板正极连接稳压电源U1的输入端，所述太阳能电池板负极接地，所述稳压电源U1为7805，所述7805的接地端接地，所述7805的输出端与地之间连接电容C8，所述电容C8并联连接有极性电容C7，所述有极性电容正极连接7805的输出端。

本发明的有益效果为：

1、压电传感器的灵敏度高、使用寿命长，安装方便，成本低；

2、采用XL02-232AP1半双工无线传输模块，节省了布线的繁琐，利用空间规划，同时可以实现远程监控，节省了人力物力；

3、在桥梁防护栏上与值班室内均安装有报警器，当桥梁承受压力超过额定范围时，桥梁报警器会提醒过往车辆行人注意安全，值班室内的报警器会提醒工作人员目前桥梁的健康情况以及时采取应对策略；

4、上位机具有两种工作模式，手动模式与自动模式，手动模式下为工作人员认为操作控制，自动模式下上位机会自行有序的采集信息并对信息进行处理，两种模式减少了系统对人力的依赖程度，有效的节约了人力成本。

附图说明

图1本发明的系统框架图；

图2本发明的单片机最小系统图；

图3集成运放电路；

图4地址选择器电路图；

图5供电电路图；

图6压电传感器等效电路。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。

压电传感器是一种典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电传感器可以实现对各种动态力、机械冲击和震动进行测量，在声学、医学、光学、导航方面得到广泛的应用。

具有压电效应的材料称为压电材料，常用的压电材料有单晶体和人工压电两种。在压电材料受到外力时，在发生形变的同时内部会产生极化现象，其表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新恢复到不带电的状态，当作用力改变后电荷的极性也随之改变。

如图1所示，一种桥梁健康监测系统，包括：供电电源，若干个压电传感器，压电传感器安装在桥梁内部，压电传感器通过信号放大器连接单片机，单片机连接地址选择器与第一报警器，单片机通过无线传输模块连接上位机，上位机连接显示模块与第二报警器，第一报警器安装于桥梁防护栏上，第二报警器安装于值班室内。若干个压电传感器均匀的分布在桥梁的内部，具体分布为：每一个车道上，在距离该车道两侧边缘20-30CM处，桥梁上表面20-30CM处埋设压电传感器，该车道同一侧的相邻两个压电传感器之间的距离为4.5-5.5m。这种埋设方案使得压电传感器可以敏锐的感应到桥梁的应力变化，同时多个传感器均匀设置在桥梁本体内部，保证了采集桥梁本身整体的受力情况的全面性与真实性。

上位机上设有数据存储模块，用于对采集的数据进行存储，方便工作人员日后对数据进行调度，为日后的安全措施提供了有效的数据依据。

本发明的压电传感器为多晶体压电陶瓷传感器。

多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高得多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正极，一面为等量的负电荷，这种情况和电容十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶体材料的绝缘电阻虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此，通常将压电元件等效为一个电荷源和电容并联的电路。

如图6所示，其中Ea＝Q/Ca，式中，Ea为压电晶体受力后所呈现出电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷，Ca为压电晶片的电容。

实际的压电传感器中，往往用两片或者两片以上的压电晶片进行并联或者串联。压电晶片并联时两片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因此电容量大，输出电荷量大、易于测量缓慢的信号并以电荷量作为输出。

如图2所示，单片机为STC12C5A60S，图2为单片机最小系统图，该单片机连接有重置电路与晶振电路，重置电路为：STC12C5A60S的RST引脚通过开关S1连接电压源VCC，电压源VCC依次通过串联连接的电容C1与电阻R1接地；晶振电路为：STC12C5A60S的XTAL1引脚通过电容C4接地，STC12C5A60S的XTAL2引脚通过电容C5接地，STC12C5A60S的XTAL1引脚与XTAL2引脚之间连接晶振Y1，STC12C5A60S的电压源引脚连接电压源VCC，STC12C5A60S的GND引脚接地。STC12C5A60S2单片机是台湾宏晶公司生产的单时钟周期单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。

如图3所示，信号放大器电路包括：集成运算放大器OPA2334，OPA2334的OUTB引脚、1Vin-引脚、Vin+引脚连接在一起组成电压跟随，OPA2334的1Vin+引脚连接压电传感器的输出端，OPA2334的Vin-引脚与GND引脚之间连接电阻R20，OPA2334的GND引脚接地，OPA2334的Vin-引脚与OUTA引脚之间连接可调电阻R21，OPA2334的OUTA引脚连接STC12C5A60S的ADC0引脚。OPA2334的OUTB引脚为端子VOUT1采用TI生产的OPA2234集成运放作为电压跟随和电压放大器，它是低功耗、精密单电源运放放大器，尤其是在手持设备中采用单电源运可以减少电池的数量、提供系统的稳定性。同时该芯片内部集成了两个独立的运放，一个可以作为电压跟随器，另外可以作为普通放大器使用。

如图4所示，地址选择器包括：拨码开关SW DIP-5，拨码开关SW DIP-5的第1至5引脚均通过一个阻值为1K的电阻分别连接STC12C5A60S的P2.0至P2.4引脚，拨码开关SW DIP-5的第6至10引脚均接地。地址选择器用来选择单片机需要发送的地址，通过判断主机发送过来的指令判断需要上传数据的设备号，与当前自身的地址选择器的状态进行对比，若主机发送的设备号与自身设备号相同则向主机发送数据，否则停止发送。

无线传输模块采用XL02-232AP1半双工无线传输模块，它是UART接口，工作电压为5V。通讯速率最大为38400bps，通常状况下为保证通信的稳定性、降低功耗、一般选着9600bps的通信速。通讯格式为8个数据位、1个停止位、无校验位。XL02-232AP1可工作在433MHz公用频段，符合欧洲ETSI(EN300-220-1和EN301-493-3)，满足无线管制要求，无须申请频率使用许可证。

如图5所示，供电电源包括太阳能电池板与蓄电池，太阳能电池板并联连接蓄电池，太阳能电池板并联连接有极性电容C6，有极性电容C6的正极连接太阳能电池板正极，太阳能电池板正极连接稳压电源U1的输入端，太阳能电池板负极接地，稳压电源U1为7805，7805的接地端接地，7805的输出端与地之间连接电容C8，电容C8并联连接有极性电容C7，有极性电容正极连接7805的输出端。采用太阳能电池板和锂电池组合的供电方式，当阳光充足时太阳能电池板除了提供设备正常工作的电能，还对锂电池进行充电，以保证在阴雨和夜间设备的正常工作。

多传感器的桥梁健康监测系统就是通过分布在各个节点的独立压电传感器采集各处对应物理量，利用无线通信的方式将数据发送到位于监控室的上位机，在上位机包括图像处理模块并将图像输出至显示模块，管理人员可以直接查看当前各个传感器的运行状态、从而可以对参数进行分析得出桥梁运行状态相应的结论，协助管理人员实现对桥梁的整体监测。用户可以通过上位机设置故障报警阈值，当实际测量的数值超出设定值范围时，上位机会发出报警信号，报警器开始报警，提醒工作人员及时采取相应的措施，保证桥梁的安全运行。上位机还可以运行在自动工作模式下，上位机会自动采用轮流的方式依次对各个传感器的数据进行采集汇总，当某个传站点数据出现异常时会主动切换到相应的通道，并能够对该点数据进行集中采集，确保故障点数据的及时传输。

上位机具有两种工作模式，手动模式与自动模式，手动模式下为工作人员认为操作控制，自动模式下上位机会自行有序的采集信息并对信息进行处理，两种模式减少了系统对人力的依赖程度，有效的节约了人力成本。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种桥梁健康监测系统，其特征是，包括给整个系统供电的供电电源，若干个压电传感器，所述压电传感器均匀的分布在桥梁内部，所述压电传感器通过信号放大器连接单片机，所述单片机连接地址选择器与第一报警器，所述单片机通过无线传输模块连接上位机，所述上位机连接显示模块与第二报警器，所述上位机上设有数据存储模块，所述第一报警器安装于桥梁防护栏上，所述第二报警器安装于值班室内。

2.如权利要求1所述的一种桥梁健康监测系统，其特征是，所述单片机为STC12C5A60S，所述单片机连接有重置电路与晶振电路；所述重置电路为：所述STC12C5A60S的RST引脚通过开关S1连接电压源VCC，所述电压源VCC依次通过串联连接的电容C1与电阻R1接地；所述晶振电路为：STC12C5A60S的XTAL1引脚通过电容C4接地，所述STC12C5A60S的XTAL2引脚通过电容C5接地，所述STC12C5A60S的XTAL1引脚与XTAL2引脚之间连接晶振Y1，所述STC12C5A60S的电压源引脚连接电压源VCC，所述STC12C5A60S的GND引脚接地。

3.如权利要求2所述的一种桥梁健康监测系统，其特征是，所述信号放大器电路包括：集成运算放大器OPA2334，所述OPA2334的OUTB引脚、1Vin-引脚、Vin+引脚连接在一起组成电压跟随，所述OPA2334的1Vin+引脚连接压电传感器的输出端，所述OPA2334的Vin-引脚与GND引脚之间连接电阻R20，所述OPA2334的GND引脚接地，所述OPA2334的Vin-引脚与OUTA引脚之间连接可调电阻R21，所述OPA2334的OUTA引脚连接STC12C5A60S的ADC0引脚。

4.如权利要求2或3所述的一种桥梁健康监测系统，其特征是，所述无线传输模块采用XL02-232AP1半双工无线传输模块。

5.如权利要求2或3所述一种桥梁健康监测系统，其特征是，所述的供电电源包括太阳能电池板与蓄电池，所述太阳能电池板并联连接蓄电池，所述太阳能电池板并联连接有极性电容C6，所述有极性电容C6的正极连接太阳能电池板正极，所述太阳能电池板正极连接稳压电源U1的输入端，所述太阳能电池板负极接地，所述稳压电源U1为7805，所述7805的接地端接地，所述7805的输出端与地之间连接电容C8，所述电容C8并联连接有极性电容C7，所述有极性电容正极连接7805的输出端。