CN105973452A - 偏远桥梁的振动监测系统及其振动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏远桥梁的振动监测系统，包括激光发射器、光纤耦合器、光纤、步进电机、平面镜、光纤准直镜、光电探测器和信号发送模块，激光发射器发射的激光经过光纤耦合器后分散成多束激光，其中第一束激光通过光纤照射在可转动的平面镜上，激光在平面镜上发生反射，反射激光照射在桥梁的底面形成一条直线；第二束激光通过光纤分别发送到多个光电探测器中；光电探测器还接收桥梁底面激光的散射信号并将该信号与从光纤接收到的激光信号一起发送到信号发送模块中。本发明还提供一种偏远桥梁的振动监测方法，该系统及其振动监测方法可以不设置与桥梁接触，从而可以利用太阳能电池板进行供电可以实现电能的自给自足，并且结构简单、安装容易。

Description

偏远桥梁的振动监测系统及其振动监测方法

技术领域

本发明涉及一种监测系统，特别涉及一种用于偏远桥梁的振动监测系统及其振动监测方法。

背景技术

桥梁的振动检测是检验桥梁安全的一个重要指标，桥梁的振动信息可以反映出桥梁结构的安全性和桥梁的耐久性。随着经济的发展，桥梁的建设越来越多，因此对于桥梁的安全监测显得更加重要。

目前桥梁振动的检测主要是在桥梁上面安装传感器和一些测量设备来测量桥梁的振动，但是这种方法在测量时容易受桥梁上交通的影响，并且十分危险。而通过激光可以实现非接触远距离测量的目的，并且能够实现多点的测量，更能准确反映出桥梁的振动信息。

例如在中国专利(申请号CN200810150077.1)中公开了一种桥梁振动变形的监测装置，包括激光发射器、多个监测点上同步光接收及传递装置、集中控制及通讯装置和远程监测中心等。当激光器的发射光束照射到同步光接收及传递装置中的反射透射棱镜后，将按比例进行分光，一部分反射接收；一部分透射并往后传递照射到下一个测点同步光接收及传递装置的反射透射棱镜上。各同步光接收及传递装置可以对该测点的变形量(光斑位移量)进行采集、存储和数据上传。该装置需要在桥梁上安装多个反射透射棱镜，属于接触式监测，安装较为复杂，成本高，且影响桥梁的通行。

在中国专利(申请号：CN201520084412.8)中公开了一种基于激光的桥梁振动检测装置，该装置包括相互连接的测试箱和计算机，测试箱的内部设置有光纤激光发射器、第一光纤耦合器、第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第二光纤耦合器、光电探测器、高频信号采集仪和激光笔；激光笔位于第一光纤准直镜和第二光纤准直镜之间；光纤激光发射器、第一光纤耦合器和第一光纤准直镜顺次连接，第二光纤准直镜、第二光纤耦合器、光电探测器和高频信号采集仪顺次连接。然而该装置仅能接收一个点得振动信息，当需要多点测量时，需要多套该装置配合使用。

另外，现在的测量设备只适合在容易供电的地方应用，在一些偏远的地区，由于不容易实现电能的供应，导致测量的无法进行，因此需要发明一种能够自己供电的测量装置，避免环境的艰苦而影响测量的进行。

发明内容

本发明是为了解决如前所述现有技术的问题而提出的，其目的在于提供一种偏远地区桥梁的多点振动监测系统，不仅能实现在偏远地区电能的自给自足，还能够通过一套监测系统实现桥梁的多点振动测量，并且通过无线发送接收模块实现信息的传输，通过单片机实现信息的存储和通过Gsm短信模块运用手机信号网络实现远距离警报功能。

具体而言，本发明采用如下技术方案：一种偏远桥梁的振动监测系统，包括激光发射器、光纤耦合器、光纤、步进电机、平面镜、光纤准直镜、光电探测器和信号发送模块，其中所述激光发射器发射的激光经过光纤耦合器后分散成多束激光，其中第一束激光通过光纤照射在平面镜上，激光在平面镜上发生反射形成反射激光，所述反射激光照射在桥梁的底面；第二束激光通过光纤分别发送到多个光电探测器中；所述平面镜能够转动，使得其反射激光在桥梁的底面形成至少覆盖桥梁全部长度的直线；所述光电探测器还接收所述桥梁底面激光的散射信号，并将所述散射信号与从光纤接收到的激光信号一起发送到信号发送模块中。

进一步，所述平面镜为双面镜，其固定在金属框架上并在步进电机控制下可以沿着金属框架的中心线旋转，并通过减速器控制转速。

可优选的是，本发明偏远桥梁的振动监测系统还包括太阳能产生装置用于给系统供电。

可优选的是，所述太阳能产生装置包括电阳能电池板、箱体、蓄电池、过充过放控制器和DC-DC电压转换器，太阳能电池板设置在支架上；所述箱体分成左侧部分和右侧部分，所述左侧部分环绕蓄电池填充有保温材料，箱体的里面为塑料材质，防止蓄电池中酸性物质的腐蚀，并设有进风口和出风口，还设有进线口和出线口分别用于电池板和所述振动监测系统的电线连接；所述右侧部分内设置有过充过放控制器，用于控制蓄电池的充放电，还设置有DC-DC转换器，用于将蓄电池电压转换到合适的数值分别给所述测量装置以及信号处理装置供电。

可优选的是，所述箱体设置在所述电池板与支架之间构成的内部空间中。

可优选的是，在所述桥梁底面的反射激光上均匀的设定五个点，相应设置五个光电探测器，使经过平面镜的反射激光经过桥梁的散射正好被光电探测器接收，每个光电探测器和一个光纤准直镜相连接，由光电探测器传过来的激光都经过光纤准直镜校准。

可优选的是，还包括无线接收模块，用于接收和处理所述信号发送模块发送的信号，所述处理至少包括：降噪，去除掉振动以外的噪声信号；放大，对其微弱信号进行放大，然后对其数据进行存储，当振动幅值超过一定的理论值时，通过Gsm短信模块对指定装置发送信息通知。

可优选的是，所述激光发射器、光纤耦合器、光纤、步进电机、平面镜、光纤准直镜、光电探测器和信号发送模块设置在同一个箱体中，该箱体设置有多个光电探测器的安装孔，光电探测器的接收部分从所述安装孔伸出所述箱体，所述箱体至少具有一条缝隙以允许平面镜的反射激光的射出，该缝隙的长度至少使得所述反射激光能在所述平面镜转动的过程中覆盖全部的桥梁长度，并且所述缝隙的长度是可调节的。

此外，本发明还提供了一种偏远桥梁的振动监测方法，包括以下步骤：

配置振动监测系统使其至少包括用于发射激光的激光发射器，用于将所述激光发射器发射的激光照射到桥梁底面的平面镜，配置所述平面镜使得其能转动从而将反射激光在桥梁底面形成一条直线；配置多个光电探测器，用于接收桥梁底面形成的激光的散射信号以及接收来自激光发射器的信号；

配置太阳能装置，用于给所述振动监测系统供电；

将桥梁底面形成的激光的散射信号以及接收到来自激光发射器的信号发送到信号发送模块并进一步将上述两种信号发送到无线接收模块；

在所述无线接收模块中对信号进行降噪、放大和存储，通过对比上述两者信号获得桥梁振动幅值信息，当振动幅值超过一定的理论值时，通过Gsm短信模块对指定装置发送信息通知。

可优选的是，本发明偏远桥梁的振动监测方法还包括配置步进电机，用于通过减速器控制所述平面镜的转速；在所述桥梁底面上反射的激光线上均匀的设定五个点，相应设置五个光电探测器，使经过平面镜反射的激光经过桥梁的散射正好被光电探测器接收；

配置太阳能装置使其包括，电阳能电池板、箱体、蓄电池、过充过放控制器和DC-DC电压转换器，其中蓄电池、过充过放控制器和DC-DC电压转换器配置在所述箱体中，所述箱体进一步设置在电阳能电池板和支架之间形成的空间中。

本发明的测量装置通过激光发射器产生第一束激光打在光纤耦合器上，激光通过光纤耦合器后分成多束激光，其中一束打在平面镜上，通过平面镜的反射照在桥梁的下方，由于桥梁的振动使照在桥梁上的光波发生频移，发生频移的光波被安放在特定位置的光电探测器接收，并且和通过光纤耦合器发来的参考光形成对比，进而分析计算出桥梁的振动情况。由于平面镜被步进电机控制，可以实现平面镜的旋转，由于平面镜角度的变化，使得照在桥梁上光斑的位置发生改变，通过多安放几个光电探测器，可以实现对桥梁多点位置振动的测量，进而能够更加全面的了解掌握桥梁的整体振动情况。

信息的传输通过信号的无线发送模块和无线接收模块实现。通过单片机实现桥梁振动信息的处理和存储，并且通过Gsm短信模块，当桥梁的振动幅值超过设定的理论值时能够实现警报功能

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、通过一套装置就可以实现多点的测量。

2、通过太阳能电池板的供电可以实现电能的自给自足，可以减少环境和地理位置的限制，即使在非常偏远的地区，周边没有可以直接利用的电源依然能够实现对桥梁的监测，增加本系统的可应用范围。

3、本系统通过平面镜的旋转，可以很容易实现对桥梁多点位置的测量，并且结构简单、安装容易。

4、本系统采用无线发送接收模块实现信息的远距离传输，能够有效避免有线传输容易受到环境影响的弊端。

5、本系统通过采用Gsm短信模块，当桥梁的振动幅值超过设定的理论值时，通过该模块可以向指定的号码发送短信，实现桥梁远距离警报的功能。

附图说明

图1为本发明偏远桥梁多点振动监测系统的激光多点振动测量装置示意图；

图2为本发明偏远桥梁多点振动监测系统的可旋转的平面镜装置的结构示意图；

图3为本发明偏远桥梁多点振动监测系统的太阳能电池板供电装置连接图；

图4为本发明本发明偏远桥梁多点振动监测系统的带有支架的太阳能电池板结构示意图；

图5为本发明本发明偏远桥梁多点振动监测系统的箱体结构示意图；以及

图6为本发明偏远桥梁多点振动监测系统的信号处理流程图。

【部分附图标记说明】

1激光发射器；2光纤耦合器；3光纤；4光纤准直镜；5步进电机；6平面镜；7光电探测器；8信号发送模块

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的偏远桥梁多点振动监测系统的激光测量装置包括激光发射器1、光纤耦合器2、光纤3、步进电机5、平面镜6、光纤准直镜4、光电探测器7和信号发送模块8。

激光发射器1发射第一束激光，打在光纤耦合器2上，然后分散成多束激光，其中第一束激光通过光纤3照射在平面镜6上，激光在平面镜6上发生反射，反射激光正好照射在桥梁17的底面。

如图2所示，平面镜6由步进电机5控制，平面镜6固定在金属框架16上，金属框架16可以沿着框架的中心线旋转，并通过减速器得到合适的转速。所述平面镜为双面镜，两面平面镜背靠背的固定在金属框架16上，因此旋转180度就是一个周期。如图1所示，由于平面镜6的旋转，使得显示在桥梁17的底面上的是一条激光线，在这条线上均匀的设定五个点，然后在特定的位置放置五个光电探测器7，使经过平面镜6反射的激光经过桥梁17的散射正好被光电探测器7接收。每个光电探测器7和一个光纤准直镜4相连接，由光纤3传过来的激光经过光纤准直镜4，照射到光电探测器中作为参考光，和经桥梁散射的激光形成对比，进而分析桥梁的振动情况。这种设置，使得仅需要一个激光发生器1就能实现所述监测，并且该激光发生器不需要设置在桥梁上，因此不会影响桥梁的通行。

在一个实施例中，所述激光发射器1、光纤耦合器2、光纤3、步进电机5、平面镜6、光纤准直镜4、光电探测器7和信号发送模块8设置在同一个箱体中，该箱体设置有多个光电探测器7的安装孔，光电探测器7的接收部分从所述安装孔伸出所述箱体。所述平面镜6也设置在箱体内部，并且所述箱体至少具有一条缝隙以允许平面镜反射的激光的射出，该缝隙的长度至少使得所述反射的激光能在所述平面镜转动的过程中全部覆盖桥梁的长度。在一个优选的实施例中，所述缝隙的长度是可调节的，这样可以根据桥梁的长度和所述测量装置的位置来合理确定缝隙的长度，确保桥的长度被旋转镜面反射的激光完全覆盖。

光电探测器7接收到的信号全部由信号发送模块8，发送到无线接收模块中。信号处理的流程图如图6所示，无线接收模块接收的光电信号经过降噪，去除掉振动以外的噪声信号，然后对其微弱信号进行放大，然后对其数据进行存储，当振动幅值超过一定的理论值时，通过Gsm短信模块对特定的号码发送短信进行通知，实现对桥梁的预判和检修，保证桥梁的可靠性，保障行人的安全。

参考光和带有多普勒频移的散射光在光电探测器上相干后，形成的电场强度的平方与光电探测器接收到的光强度成正比。两光相干后的电场强度只与两光的初始相位、振幅和两束光的频移差相关。通过散射体多普勒频移的计算推导，桥梁的振动速度和频移差成一定的正比关系，通过测量出频移差，进一步计算出桥梁的振动速度、位移以及桥梁的振动情况。

特别的，该无线接收模块也可以是远程无线接收模块。这将便于远程中心控制，同时监测多个桥梁。

如图3、图5所示，为本发明系统的电能供应装置。本发明的另一个目的在于提供一种自备能源的桥梁监测系统，包括电阳能电池板18、箱体19、蓄电池、过充过放控制器和DC-DC电压转换器。如图4所示，太阳能电池板18设置在支架15上，该支架可以是固定式支架也可以是追光式支架。当采用追光式支架时可以全天候追踪太阳位置，实现最大限度的接收太阳能。

在一个实施例中，如图4、图5所示，太阳能电池板18放在成45度的支架15上。箱体19分成两部分，左面的部分填充保温材料10，箱体19的里面为塑料材质，防止蓄电池中酸性物质的腐蚀，并设有进风口11和出风口9，有利于酸性物质的挥发。圆孔13为进线口，圆孔14为出线口。电池板将太阳能转化为电能，然后将电能存储在蓄电池中，蓄电池连接过充过放控制器，控制蓄电池的充放电，增加蓄电池的使用寿命，通过DC-DC转换器，将电压转换到合适的数值分别给测量装置以及信号处理装置供电。特别的，所述箱体19可以设置在电池板与支架15之间构成的内部空间中，由此可以充分利用空间，并且遮风避雨、遮阳，有利于保护电池不受损坏。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种偏远桥梁的振动监测系统，包括激光发射器、光纤耦合器、光纤、步进电机、平面镜、光纤准直镜、光电探测器和信号发送模块，其特征在于：所述激光发射器发射的激光经过光纤耦合器后分散成多束激光，其中第一束激光通过光纤照射在平面镜上，激光在平面镜上发生反射形成反射激光，所述反射激光照射在桥梁的底面；第二束激光通过光纤分别发送到多个光电探测器中；所述平面镜能够转动，使得其反射激光在桥梁的底面形成至少覆盖桥梁全部长度的直线；所述光电探测器还接收所述桥梁底面激光的散射信号，并将所述散射信号与从光纤接收到的激光信号一起发送到信号发送模块中。

2.根据权利要求1所述的偏远桥梁的振动监测系统，其特征在于：所述平面镜为双面镜，其固定在金属框架上并在步进电机控制下可以沿着金属框架的中心线旋转，并通过减速器控制转速。

3.根据权利要求1所述的偏远桥梁的振动监测系统，其特征在于：还包括太阳能产生装置用于给系统供电。

4.根据权利要求3所述的偏远桥梁的振动监测系统，其特征在于：所述太阳能产生装置包括电阳能电池板、箱体、蓄电池、过充过放控制器和DC-DC电压转换器，太阳能电池板设置在支架上；所述箱体分成左侧部分和右侧部分，所述左侧部分环绕蓄电池填充有保温材料，箱体的里面为塑料材质，防止蓄电池中酸性物质的腐蚀，并设有进风口和出风口，还设有进线口和出线口分别用于电池板和所述振动监测系统的电线连接；所述右侧部分内设置有过充过放控制器，用于控制蓄电池的充放电，还设置有DC-DC转换器，用于将蓄电池电压转换到合适的数值分别给所述测量装置以及信号处理装置供电。

5.根据权利要求4所述的偏远桥梁的振动监测系统，其特征在于：所述箱体设置在所述电池板与支架之间构成的内部空间中。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的偏远桥梁的振动监测系统，其特征在于：在所述桥梁底面的反射激光上均匀的设定五个点，相应设置五个光电探测器，使经过平面镜的反射激光经过桥梁的散射正好被光电探测器接收，每个光电探测器和一个光纤准直镜相连接，由光电探测器传过来的激光都经过光纤准直镜校准。

7.根据权利要求6所述的偏远桥梁的振动监测系统，其特征在于：还包括无线接收模块，用于接收和处理所述信号发送模块发送的信号，所述处理至少包括：降噪，去除掉振动以外的噪声信号；放大，对其微弱信号进行放大，然后对其数据进行存储，当振动幅值超过一定的理论值时，通过Gsm短信模块对指定装置发送信息通知。

8.根据权利要求1-5和7中任意一项所述的偏远桥梁的振动监测系统，其特征在于：所述激光发射器、光纤耦合器、光纤、步进电机、平面镜、光纤准直镜、光电探测器和信号发送模块设置在同一个箱体中，该箱体设置有多个光电探测器的安装孔，光电探测器的接收部分从所述安装孔伸出所述箱体，所述箱体至少具有一条缝隙以允许平面镜的反射激光的射出，该缝隙的长度至少使得所述反射激光能在所述平面镜转动的过程中覆盖全部的桥梁长度，并且所述缝隙的长度是可调节的。

9.一种偏远桥梁的振动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

配置振动监测系统使其至少包括用于发射激光的激光发射器，用于将所述激光发射器发射的激光照射到桥梁底面的平面镜，配置所述平面镜使得其能转动从而将反射激光在桥梁底面形成一条直线；配置多个光电探测器，用于接收桥梁底面形成的激光的散射信号以及接收来自激光发射器的信号；

配置太阳能装置，用于给所述振动监测系统供电；

将桥梁底面形成的激光的散射信号以及接收到来自激光发射器的信号发送到信号发送模块并进一步将上述两种信号发送到无线接收模块；

在所述无线接收模块中对信号进行降噪、放大和存储，通过对比上述两者信号获得桥梁振动幅值信息，当振动幅值超过一定的理论值时，通过Gsm短信模块对指定装置发送信息通知。

10.根据权利要求9所述的偏远桥梁的振动监测方法，其特征在于，还包括配置步进电机，用于通过减速器控制所述平面镜的转速；在所述桥梁底面上反射的激光线上均匀的设定五个点，相应设置五个光电探测器，使经过平面镜反射的激光经过桥梁的散射正好被光电探测器接收；

配置太阳能装置使其包括，电阳能电池板、箱体、蓄电池、过充过放控制器和DC-DC电压转换器，其中蓄电池、过充过放控制器和DC-DC电压转换器配置在所述箱体中，所述箱体进一步设置在电阳能电池板和支架之间形成的空间中。