CN105181127A - 桥梁的故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥梁的故障检测装置，包括：将采集到的桥梁的振动信息转换为电流信号并传送至第一级运算放大器的振动传感器组；将电流信号进行第一次放大生成第一电压信号并传送至滤波器的第一级运算放大器；将第一电压信号滤波处理后传送至第二级运算放大器的滤波器；将滤波后的第一电压信号第二次放大后生成第二电压信号并传送至处理器的第二级运算放大器；对接收到的第二电压信号进行预置分析以得到分析结果的处理器；振动传感器组、第一级运算放大器、滤波器、第二级运算放大器、处理器依次连接。以此，替代了人工检测的方式，可更全面的检测出桥梁存在的各种故障，而且可提高检测的准确度及避免了检测过程中的人员安全隐患。

Description

桥梁的故障检测装置

技术领域

本发明涉及桥梁建筑领域，特别地，涉及一种桥梁的故障检测装置。

背景技术

随着交通事业的发展，作为交通重要组成部分的桥梁建设发展速度突飞猛进。为了保障交通参与者的安全，桥梁建成投入使用后，必须定期对桥梁做常规检测。

在现有技术中，通常使用人工方式进行检查，比如在对桥梁下部结构进行故障检测时，主要使用的设备包括脚手架、作业吊篮和桥梁检测车，使用这些设备，检测人员必须在桥梁下部与水面之间作业，不但使用成本高而且作业受到限制。也有使用包括车体和桁架式工作臂的桥梁检测车进行检测的方案，以有效的扩大工作臂的跨越宽度，提高工作范围，但此种方案仍然存在桥梁检测效率不高，对检测人员存在安全隐患的问题。

因此，如何解决上述现有桥梁故障检测方案不理想的问题，成为目前最需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种桥梁的故障检测装置，可解决上述现有技术中存在的问题，替代了人工检测的方式，可更全面的检测出桥梁存在的各种故障，而且可提高检测的准确度及避免了检测过程中的人员安全隐患。

为实现上述目的，本发明提出了桥梁的故障检测装置，包括：

振动传感器组，用于将采集到的桥梁的振动信息转换为电流信号并传送至第一级运算放大器；

第一级运算放大器，用于将接收到的电流信号进行第一次放大后生成第一电压信号并传送至滤波器；

滤波器，用于将接收到的第一电压信号进行滤波处理后传送至第二级运算放大器；

第二级运算放大器，用于将滤波后的第一电压信号进行第二次放大后生成第二电压信号并传送至处理器；

处理器，用于对接收到的第二电压信号进行预置分析以得到分析结果；

其中，振动传感器组包括多个具有各自的预置检测频谱范围的振动传感器，振动传感器组、第一级运算放大器、滤波器、第二级运算放大器、处理器依次连接。

进一步的，所述振动传感器组包括分别具有第一检测频谱范围、第二检测频谱范围、第三检测频谱范围的第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器，分别设置于被检测桥梁区域的正面、顶面和侧面，以获得基于立体空间的检测结果。

进一步的，所述滤波器中包括分别与第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器具有对应频带的第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器。

进一步的，所述设备还包括：

接收处理器传送来的分析结果并进行显示的显示器，其中，处理器连接于显示器，

相应的，所述处理器还用于将对第二电压信号的分析结果传送至显示器。

进一步的，所述处理器还用于将对第二电压信号的分析结果通过以太网传送至终端设备，其中，所述处理器连接于终端设备。

进一步的，所述设备还包括：

接收处理器传送来的语音播报指令并进行预置语音播报的语音播报器，其中，处理器连接于语音播报器，

相应的，所述处理器还用于当判断出对第二电压信号的分析结果符合紧急状况标准时，向语音播报器发送播报指令。

进一步的，所述设备还包括将采集到的振动信息、分析结果进行存储的存储单元，其中，所述存储单元连接于振动传感器组、处理器。

进一步的，所述设备还包括：

用于分解为供所述故障检测装置使用的6个独立电源电路的多级电源变化电路，其中，6个独立电源电路分别为：24V滤波电路、5V电压DC变换电路、-5V电压DC变换电路、3.3V电压变换电路、2.8V电压变换电路、2.5V电压变化电路。

本发明实施例提供的桥梁的故障检测装置，包括将采集到的桥梁的振动信息转换为电流信号并传送至第一级运算放大器的振动传感器组；将接收到的电流信号进行第一次放大后生成第一电压信号并传送至滤波器的第一级运算放大器；将接收到的第一电压信号进行滤波处理后传送至第二级运算放大器的滤波器；将滤波后的第一电压信号进行第二次放大后生成第二电压信号并传送至处理器的第二级运算放大器；对接收到的第二电压信号进行预置分析以得到分析结果的处理器；其中，振动传感器组包括多个具有各自的预置检测频谱范围的振动传感器，振动传感器组、第一级运算放大器、滤波器、第二级运算放大器、处理器依次连接。基于此结构的故障检测装置，替代了人工检测的方式，可在将振动传感器组直接安装在被检测桥梁区域外表面，以更全面的检测出桥梁存在的故障(尤其是潜伏性故障)且可避免了检测过程中的人员安全隐患，而且基于多个不同检测频谱范围的振动传感器，可提高检测准确度和精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的桥梁的故障检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一桥梁的故障检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

桥梁的内部潜伏性故障常会伴随振动(主要由车辆、行人等从桥梁上通过时产生)的发生，振动源主要包括桥梁内部螺丝等连接部件松动或掉落、桥梁内部金属支撑部件的断裂、桥梁内部木质支撑部件的断裂等。

不同振动源导致的振动对应不同的频谱范围，比如：

桥梁内部螺丝等连接部件的松动所引起振动频谱范围可能集中在2kHz～10kHz，桥梁内部螺丝等连接部件的掉落所引起的振动频谱范围主要集中在6kHz～10kHz，由桥梁内部螺丝等连接部件的松动或掉落导致所引起的振动强度比如可达千分之一个重力加速度甚至千分之几个重力加速度。

桥梁内部木质支撑部件的断裂所引起的振动频谱范围可能集中在5kHz～17kHz，其引起的振动加速度比如可为10^-5至10^-3个重力加速度。

桥梁内部金属支撑部件的断裂所引起的振动频谱，这种机械振动的频率比较低，一般在250Hz～1.5kHz，但振动强度超过上面两种强度的数倍。

上述数据仅为示例说明，根据不同的桥梁情况，上述振动频谱范围、振动加速度会有所变化。

基于上述，参看图1和图2，为本发明实施例提供的桥梁的故障检测装置的结构示意图。

在本实施例中，桥梁的故障检测装置，包括依次连接的振动传感器组11、第一级运算放大器12、滤波器13、第二级运算放大器14、处理器15，其中，振动传感器组11包括多个具有各自的预置检测频谱范围的振动传感器。

振动传感器组11，用于将采集到的桥梁的振动信息转换为电流信号并传送至第一级运算放大器12。

第一级运算放大器12，用于将接收到的电流信号进行第一次放大后生成第一电压信号并传送至滤波器13。

滤波器13，用于将接收到的第一电压信号进行滤波处理后传送至第二级运算放大器14。

第二级运算放大器14，用于将滤波后的第一电压信号进行第二次放大后生成第二电压信号并传送至处理器15。

处理器15，用于对接收到的第二电压信号进行预置分析以得到分析结果。

在本实施例中，处理器15中可预存有电压信号与桥梁故障的对应关系表，基于此，处理器15可根据该对应关系表对接收到的第二电压信号进行分析以得到桥梁故障的分析结果。

在本实施例中，所述振动传感器组11可包括分别具有第一检测频谱范围、第二检测频谱范围、第三检测频谱范围的第一振动传感器111、第二振动传感器112、第三振动传感器113(三个振动传感器仅为示例说明，在实际应用中，可根据实际需要进行数量设置)，可分别设置于被检测桥梁区域的正面、顶面和侧面，以获得基于立体空间的检测结果。

基于此，所述滤波器13中可包括分别与第一振动传感器111、第二振动传感器112、第三振动传感器113具有对应频带的第一带通滤波器131、第二带通滤波器132、第三带通滤波器133。

进一步的，所述故障检测装置还可包括显示器16，用于接收处理器传送来的分析结果并进行显示，其中，处理器15连接于显示器16，相应的，所述处理器15还可用于将对第二电压信号的分析结果传送至显示器16，以便工作人员工作显示器显示的检测信息进行后续处理。

此外，所述处理器15还可用于将对第二电压信号的分析结果通过以太网传送至终端设备17，以便工作人员根据终端设备显示的检测信息进行后续处理，其中，所述处理器15连接于终端设备17。

进一步的，故障检测装置还可包括语音播报器18，用于接收处理器15传送来的语音播报指令并进行预置语音播报，以在检测结果为紧急时及时通知工作人员，其中，处理器15连接于语音播报器18，相应的，所述处理器15还用于当判断出对第二电压信号的分析结果符合紧急状况标准时，向语音播报器发送播报指令。

另外，故障检测装置还可包括将采集到的振动信息、分析结果进行存储的存储单元，其中，所述存储单元连接于振动传感器组、处理器。

为了适应多个电压源的需求，所述故障检测装置，还可包括可分解为供所述故障检测装置使用的6个独立电源电路的多级电源变化电路，其中，6个独立电源电路分别为：24V滤波电路、5V电压DC变换电路、-5V电压DC变换电路、3.3V电压变换电路、2.8V电压变换电路、2.5V电压变化电路。

下面将对上述各部件进行具体介绍。

第一级运算放大器12中可包括振动信号第一级放大电路。该电路的功能包括去除信号中的直流分量，放大信号中的震动交流分量。该电路的运放芯片可选用TI公司旗下的INA128仪表放大器，该芯片具有高共模抑制比，能够很好去除振动信号中的共模干扰信号，该芯片还有低噪声，高带宽的特点，能够在放大接近1000倍的条件下，对100kHz以下的交流信号不衰减。该电路由INA128仪表放大器，FUS-40BT/BR振动加速度传感器，第一至第三电容、第一电阻组成。FUS-40BT/BR的第一引脚串接第一电容(该电容是用于去除直流分量)连接到INA128仪表放大器AR1的第三引脚，FUS-40BT/BR的第二引脚直接接入INA128仪表放大器AR1的第二引脚。INA128仪表放大器AR1的第一、第八引脚之间接一第一电阻，该电阻用于调节放大倍数，INA128仪表放大器AR1的第四、第七引脚分别接-5V、+5V电源。第二电容、第三电容分别作为+5V、-5V电源滤波电容，FUS-40BT/BR振动传感器感应到振动后，产生振动电流信号，信号通过第一电容，被去除直流分量后传入仪表放大器，然后交流信号被放大，通过第六引脚输出，被放大的信号会传送到滤波电路中。

滤波器13中包括振动信号滤波电路，该振动信号滤波电路的作用是将放大后的振动信号，分别经过三种不同频带(分别与第一振动传感器111、第二振动传感器112、第三振动传感器113相对应的)的带通滤波电路滤波，然后得到对应频带的振动信号。在此滤波电路设置了三个带通滤波电路，分别可为2kHz～10kHz、5kHz～17kHz和0.25kHz～1.5kHz，这三个频带分别对应了自由导电粒子为金属杂质、固定杂质的局部放电、开关操作或变压器铁磁振荡引起所对应的频谱。滤波电路中使用的滤波芯片可采用了4运放TL084ACD，该芯片中含有4个运算放大，节省了不少硬件空间。滤波电路由2片TL084ACD、第二至第二十五电阻、第四至第十九电容组成。由于3个带通滤波电路的电路形式是一样的，所以接下只对2Hz～10kHz的带通滤波电路做详细介绍。

带通滤波电路由一个10kHz低通滤波和一个2kHz高通滤波组成。

1、第一TL084ACD、第二至第五电阻、第四至第七电容组成一个10kHz低通滤波，被放大的振动信号，通过第二电阻接入低通滤波电路，通过第一TL084ACD的第一输出引脚输出频率小于10kHz的振动信号，然后信号传输到高通滤波。

2、第二TL084ACD、第六至第九电阻、第八至第十一电容组成一个2kHz的高通滤波。低通滤波出来的信号通过第八电容接入高通滤波电路，通过第二TL084ACD的第一引脚输出频带为2kHz～10kHz的振动信号，该振动信号传输到二级放大电路中。

第二级运算放大器14中包括振动信号第二级放大电路，该电路的功能是对滤波后的信号再进行放大，因为滤波过程除了滤除不需要的频率信号外，或多或少会对需要的振动信号有一定幅值衰减，所以加一个反向放大电路调节信号幅值，使其符合STM32的AD采样的输入范围。该电路由一片4运放TL084ACD，第二十六至第三十七电阻，第二十、第二十一电容组成。在该电路中有三个放大电路，分别对应滤波电路中的三个不同带通频率的滤波电路，三个放大电路的电路形式是一致的。在此，只对与2kHz～10kHz带通滤波对应的放大电路进行详细介绍。

1、该放大电路由第三TL084ACD、第二十六至第二十九电阻，第二十、第二十一电容组成。在这个电路中通过调节第二十八电阻、第二十七电阻电阻比值，皆可以调节放大倍数。第二十电容、第二十一电容分别是+5V、-5V电源的滤波电容，滤波后出来的信号通过第二十七电阻进入放大电路，通过第三TL084ACD的第一引脚输出，输出的信号连接到STM32处理器。

处理中包括STM32处理器控制电路，该电路的主要功能是控制振动加速度传感器、SD存储、液晶显示、语音播报和数据传输。STM32处理器可采用STM32F407VGT6型号的芯片，该处理器采用32位ARM的Cortex-M4内核，最高可达168MHz。该电路由STM32F407VGT6芯片，25MHz的第一晶振、第二晶振，第五十七至第六十四电阻，第五十九至第七十四电容，第一电感和钮扣电池组成。拨码开关S1通过宏定义第一至第八引脚与STM32处理器相连，通过这个拨码开关可以设置IP地址。第一晶振、第五十八电阻、第六十一、第六十三电容组成时钟电路给处理器。第二晶振、第五十九电阻、第七十、第七十一电容同样组成一个时钟电路产生时钟信号给处理器。钮扣电池接到STM32处理器的6(VBAT)引脚，用掉电处理。第六十一电阻、第二十七电容组成复位电路，连接到STM32处理器的14(NRST)引脚上。第六十四至第六十九电容用于3.3V电源滤波。第一电感、第五十七电阻、第五十九、第六十、第六十二电容组成模拟电源和数字电源的隔离电路，减少干扰。对于STM32处理器与其它电路的连接，请参看其他各个功能电路的说明。

显示器16可为触摸屏液显示器，其中可包括触摸屏液晶显示电路，该电路的主要功能就是显示各传感器、各频率相应的振动信息。液晶屏可采用SSD1963型触摸屏，尺寸为4.3寸，可支持800*480点阵。该电路由触摸驱动芯片XPT2046N、SSD1963型触摸屏、第十八电阻及第二十三、第二十四、第五十一电容组成。电路中触摸驱动芯片XPT2046N与SSD1963型触摸屏相连，用于读取触摸点的X、Y坐标。触摸驱动芯片XPT2046N与STM32处理器相连，之间采用SPI传输协议，XPT2046N将触摸点X、Y坐标值通过该接口上传到STM32处理器中，STM32处理器读取到坐标值后，就可以计算出触摸点的操作功能，从而执行对应操作，STM32处理器通过连线接口控制SSD1963型触摸屏显示。

所述故障检测装置还可包括以太网传输电路，该电路的功能将振动信号数据通过TCP/IP形式传送到路由器，再由路由器上传到电脑上。以太网传输芯片可采用美国国家半导体公司的DP83848C以太网物理层传输芯片，该芯片是一种10/100Mbit/s单路物理层以太网收发器器件，支持10/100M的以太网通信，同时也支持MII和RMI接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。该电路由以太网芯片DP83848C、时钟芯片SM7745HEV、网口J0011D21B、排阻、电阻、电容组成。

语音播报器18中还包括语音播报电路，该电路的主要功能是在系统启动、异常、以及系统检测到振动信号异常等情况时，做出对应语音提示。该电路由语音芯片VS1003B、音频放大芯片LM386、麦克风、扬声器、12.288MHz晶振、电阻、电容组成。

存储单元中可包括SD存储电路，该电路主要功能是用于存储振动幅值、频率、IP地址等。SD卡可采用金士顿16GBTF存储卡，卡中存储的数据会保留半年时间，方便用户电脑数据丢失情况下，可以从存储卡中读取。由PJS008-2000(卡槽)、第十四至第二十一电阻组成。PJS008-2000(卡槽)通过第一至第三引脚、第五引脚、第七至第九引脚分别与STM32上的对应引脚相连，第十四至第二十一电阻分别为这六个数据线的上拉电阻，PJS008-2000(卡槽)的第四、第六引脚连接到3.3V和GND。

多级电源变换电路的主要功能是为了产生24V、5V、-5V、3.3V、2.8V、2.5V6种电压，以适应本系统多个电压源的需求，多级电源变换电路可分解为6个独立电源电路：24V滤波电路、5V电压DC变换电路、-5V电压DC变换电路、3.3V电压变换电路、2.8V电压变换电路、2.5V电压变换电路。

1、24V滤波电路，该电路由滤波芯片BNX002-01、电容、二极管组成。该电路的输入额定电压为24V，输出电压为24V，输入电压在一定范围内波动时，滤波芯片会通过内部处理稳定输出电压。

2、5V电压DC变换电路，该电路由DC/DC变换芯片LM2575D2T、电容、二极管、电感组成。该电路输入额定电压为24V，输出额定电压为5V。

3、-5V电压DC变换电路，该电路由DC/DC变换芯片MAX764、电容、二极管、电感组成。该电路输入额定电压为+5V，输出额定电压为-5V。

4、3.3V电压变换电路，该电路由电压变换芯片LD1086D2M33、电容组成。此电路输入额定电压为5V，输出额定电压为3.3V。

5、2.8V电压变换电路，该电路由RT9166-2V8电压变换芯、电容组成。此电路输入额定电压为3.3V，输出额定电压为2.8V。

6、2.5V电压变换电路，该电路由RT9166-2V5电压变换芯、电容组成。此电路输入额定电压为3.3V，输出额定电压为2.5V。

基于上述结构的故障检测装置，当振动传感器组采集到桥梁的振动信息后，将振动信息以微弱电流信号传导第一级运算放大电路中，第一级运算放大器将微弱电流信号放大成电压信号，然后传送到滤波电路中，滤波电路通过对应于振动传感器的带通滤波电路分别对对应的传感器信号进行滤波处理，滤波后的信号由于会有减弱，因此可通过第二级运算放大电路对滤波后的信号进行第二次放大以达到STM32内部AD采样所要求的电压范围，然后传送至STM32，最终STM32将处理完后的电压信号进行AD采集和数据分析，并将分析结果显示在液晶屏幕上，还可以通过CAN协议上传到电脑，此外，若为检测到紧急状况，STM32还可以通过语音播报电路提示运行人员，以紧急处理。

本发明实施例提供的桥梁的故障检测装置，包括将采集到的桥梁的振动信息转换为电流信号并传送至第一级运算放大器的振动传感器组；将接收到的电流信号进行第一次放大后生成第一电压信号并传送至滤波器的第一级运算放大器；将接收到的第一电压信号进行滤波处理后传送至第二级运算放大器的滤波器；将滤波后的第一电压信号进行第二次放大后生成第二电压信号并传送至处理器的第二级运算放大器；对接收到的第二电压信号进行预置分析以得到分析结果的处理器；其中，振动传感器组包括多个具有各自的预置检测频谱范围的振动传感器，振动传感器组、第一级运算放大器、滤波器、第二级运算放大器、处理器依次连接。基于此结构的故障检测装置，替代了人工检测的方式，可在将振动传感器组直接安装在被检测桥梁区域外表面，以更全面的检测出桥梁存在的故障(尤其是潜伏性故障)且可避免了检测过程中的人员安全隐患，而且基于多个不同检测频谱范围的振动传感器，可提高检测准确度和精度。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明实施例提供的桥梁的故障检测装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种桥梁的故障检测装置，其特征在于，包括：

振动传感器组,用于将采集到的桥梁的振动信息转换为电流信号并传送至第一级运算放大器；

第一级运算放大器，用于将接收到的电流信号进行第一次放大后生成第一电压信号并传送至滤波器；

滤波器，用于将接收到的第一电压信号进行滤波处理后传送至第二级运算放大器；

第二级运算放大器，用于将滤波后的第一电压信号进行第二次放大后生成第二电压信号并传送至处理器；

处理器，用于对接收到的第二电压信号进行预置分析以得到分析结果；

其中，振动传感器组包括多个具有各自的预置检测频谱范围的振动传感器，振动传感器组、第一级运算放大器、滤波器、第二级运算放大器、处理器依次连接。

2.根据权利要求1所述的桥梁的故障检测装置，其特征在于，所述振动传感器组包括分别具有第一检测频谱范围、第二检测频谱范围、第三检测频谱范围的第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器，分别设置于被检测桥梁区域的正面、顶面和侧面，以获得基于立体空间的检测结果。

3.如权利要求2所述的桥梁的故障检测装置，其特征在于，所述滤波器中包括分别与第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器具有对应频带的第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的桥梁的故障检测装置，其特征在于，还包括：

接收处理器传送来的分析结果并进行显示的显示器，其中，处理器连接于显示器，

相应的，所述处理器还用于将对第二电压信号的分析结果传送至显示器。

5.根据权利要求1至3任一项所述的桥梁的故障检测装置，其特征在于，

所述处理器还用于将对第二电压信号的分析结果通过以太网传送至终端设备，其中，所述处理器连接于终端设备。

6.根据权利要求1至3任一项所述的桥梁的故障检测装置，其特征在于，还包括：

接收处理器传送来的语音播报指令并进行预置语音播报的语音播报器，其中，处理器连接于语音播报器，

相应的，所述处理器还用于当判断出对第二电压信号的分析结果符合紧急状况标准时，向语音播报器发送播报指令。

7.根据权利要求6所述的桥梁的故障检测装置，其特征在于，还包括将采集到的振动信息、分析结果进行存储的存储单元，其中，所述存储单元连接于振动传感器组、处理器。

8.根据权利要求7所述的桥梁的故障检测装置，其特征在于，还包括：

用于分解为供所述故障检测装置使用的6个独立电源电路的多级电源变化电路，其中，6个独立电源电路分别为：24V滤波电路、5V电压DC变换电路、-5V电压DC变换电路、3.3V电压变换电路、2.8V电压变换电路、2.5V电压变化电路。