CN106248044B - 一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，包括上位机监测PC机、CAN总线和用于连接所述上位机监测PC机、CAN总线的USB转CAN总线接口，所述CAN总线的从节点上连接有倾角仪，其中，所述上位机监测PC机内安装有数据采集系统，数据采集系统通过各倾角仪进行数据采集和显示。具有高精度、多点同步、实时性好等特点，并且具有重要的工程意义和应用价值。

Description

一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统
技术领域
本发明涉及了一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，属于土木结构技术领域。
背景技术
桥梁挠度的检测和监测是评价桥梁性能是否良好的一项重要指标，对长大桥梁建设健康监测系统、对中小桥梁进行定期不定期的安全检测显得尤为重要，因此，如何准确把握桥梁结构本身和挠度测量的差异，针对桥梁跨度、检测监测精度要求、作业条件等因素的差异，合理地选择一种稳定、准确的桥梁挠度检测设备和方法，在桥梁监测与检测、危桥改造以及新桥验收等方面尤为重要，对保证桥梁的正常使用、保障桥梁的安全运营具有十分重要的现实意义
传统的测量方法主要有精密水准仪法、经纬仪法、百分表法、全站仪法等。但是传统的挠度测量方法难以满足动挠度测量的要求，而且传统的测量方法也存在着费时、费力、在线检测困难和操作困难等不足之处。为了解决这些问题，出现了很多常见的现代测量方法，如倾角仪法、激光法、光电成像法、连通管法等。这些现代的测量方法在某些程度或某些方面对传统的测量方法进行了改善。如申请号为201410379770.1、公布号为CN 105320596A、名称为“一种基于倾角仪的桥梁挠度测试方法及其系统”的中国发明专利，其方法理论上具有可行性，但实际操作过程中尤其在桥梁需要测量挠度的各个截面位置不等间距时，由于理论的局限性无法测试。因此，现有桥梁挠度测试方法及系统存在如下缺陷：1、受环境干扰大、测试精度低；2、测试点位置单一(以跨中、四分点、八分店居多)、测试点数量较少(由于技术局限，难以实现多点同步采集)；3、无法实时呈现桥梁全桥变形情况，对于关键位置挠度变化状况的获取存在滞后性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，具有高精度、多点同步、实时性好等特点，并且具有重要的工程意义和应用价值。
一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，包括上位机监测PC机、CAN总线和用于连接所述上位机监测PC机、CAN总线的USB转CAN总线接口，所述CAN总线的从节点上连接有倾角仪，其中，所述上位机监测PC机内安装有数据采集系统，所述数据采集系统通过各倾角仪进行数据采集和显示的步骤如下：
(1)对系统各模块完成初始化，并读取系统配置文件，包括数据库路径、数据保存路径、COM端口等信息，同时发送命令使采集设备进行自检；
(2)从数据库中读取程序所用的传感器信息，包括编码、类型、位置、通道号等相关信息；并以传感器信息中的通道号作为每个传感器的网络地址，依次发送倾角测量命令；
(3)每次发送完采集命令后，对返回的数据进行数据格式判断，即判断返回的校验和是否一致；
(4)如果返回数据格式正确，则解析出当前传感器的X、Y轴角度值，同时将Y轴倾角存入全局变量数组中(实际测量以Y轴角度作为被测点的转角)；
(5)利用算法进行被测点的挠度值计算；
(6)对实测挠度值进行二进制文件保存，判断是否达到一个小时，若是则创建新文件夹，然后进行二进制文件保存，如不是则将数据依然保存在原有文件中；
(7)结束采集，释放资源，同时进行保存退出采集记录信息。
前述的一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，其特征在于：所述步骤(5)中利用算法进行被测点挠度值计算时，采用以下公式：
其中，式(1)中a，b表示两测量点之间的轴向坐标；
并通过一个二次插值多项式来近似表达式中的f(x)；该多项式由三个点上的函数值决定：x1＝a，x2＝a+h1，x3＝a+h1+h2＝b，则可得到
其中，Ak表示第k个插值点对应的求积系数，k表示插值点数；
根据拉格朗日插值积分
其中，Lk表示第K个插值点对应的拉格朗日插值基函数；
其中拉格朗日插值基函数：
通过计算可以求得：
前述的一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，其特征在于：所述CAN总线的末端设置有120Ω匹配阻抗。
本发明的有益效果是：
(1)可多点同步测量；
(2)所依据的优化算法可提高全桥各位置挠度测量精度；
(3)形成了桥梁整体变形的动态可视化方法，实现全桥变形场实时展示。
附图说明
图1是本发明系统结构总图；
图2是本发明数据采集流程图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统包括上位机监测PC机、CAN总线和用于连接所述上位机监测PC机、CAN总线的USB转CAN总线接口，所述CAN总线的从节点上连接有倾角仪。其中信号传输通过CAN(Controller Area Network)总线来实现。控制器局域网CAN属于现场总线范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。系统采用总线式网络拓扑结构，其总体结构如图1所示。
所述上位机监测PC机内安装有数据采集系统，整个采集系统以NI公司的NI-VISA驱动软件为核心，在LabVIEW8.6平台上进行开发。对于其他外部接口，采用LabVIEW自带的互连接口函数直接调用外部动态链接库。首先利用VISA库实现对各个倾角的数据采集然后利用算法求出被测点的实际挠度值，数据采集软件流程图如图2所示。
所述数据采集系统通过各倾角仪进行数据采集和显示的步骤如下：
(1)对系统各模块完成初始化，并读取系统配置文件，包括数据库路径、数据保存路径、COM端口等信息，同时发送命令使采集设备进行自检；
(2)从数据库中读取程序所用的传感器信息，包括编码、类型、位置、通道号等相关信息；并以传感器信息中的通道号作为每个传感器的网络地址，依次发送倾角测量命令；
(3)每次发送完采集命令后，对返回的数据进行数据格式判断，即判断返回的校验和是否一致；
(4)如果返回数据格式正确，则解析出当前传感器的X、Y轴角度值，同时将Y轴倾角存入全局变量数组中(实际测量以Y轴角度作为被测点的转角)；
(5)利用算法进行被测点的挠度值计算；
(6)对实测挠度值进行二进制文件保存，判断是否达到一个小时，若是则创建新文件夹，然后进行二进制文件保存，如不是则将数据依然保存在原有文件中；
(7)结束采集，释放资源，同时进行保存退出采集记录信息。
传统的基于辛普森数值积分法根据倾角求挠度存在一定的局限性，具体表现为：辛普森数值积分法的核心是利用区分二等分的三个点进行积分插值(衍生的辛普森3/8数值积分是利用区分三等分的四个点进行积分插值)。
而本发明中，步骤(5)中利用算法进行被测点挠度值计算时，采用以下公式：
其中，式(1)中a，b表示两测量点之间的轴向坐标；
并通过一个二次插值多项式来近似表达式中的f(x)；该多项式由三个点上的函数值决定：x1＝a，x2＝a+h1，x3＝a+h1+h2＝b，则可得到
根据拉格朗日插值积分
其中拉格朗日插值基函数：
通过计算可以求得：
类似地，该多项式由四个点上的函数值决定：x1＝a，x2＝a+h1，x3＝a+h1+h2，x4＝a+h1+2h2，对应的函数值分别是f1，f2，f3，f4，
本实施例中，所述CAN总线的末端设置有120Ω匹配阻抗，防止反射产生驻波。
综上所述，本发明提供的一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，具有高精度、多点同步、实时性好等特点，并且具有重要的工程意义和应用价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (2)

1.一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，其特征在于：包括上位机监测PC机、CAN总线和用于连接所述上位机监测PC机、CAN总线的USB转CAN总线接口，所述CAN总线的从节点上连接有倾角仪，其中，所述上位机监测PC机内安装有数据采集系统，所述数据采集系统通过各倾角仪进行数据采集和显示的步骤如下：
（1）对系统各模块完成初始化，并读取系统配置文件，包括数据库路径、数据保存路径、COM端口等信息，同时发送命令使采集设备进行自检；
（2）从数据库中读取程序所用的传感器信息，包括编码、类型、位置、通道号相关信息；并以传感器信息中的通道号作为每个传感器的网络地址，依次发送倾角测量命令；
（3）每次发送完采集命令后，对返回的数据进行数据格式判断，即判断返回的校验和是否一致；
（4）如果返回数据格式正确，则解析出当前传感器的X、Y轴角度值，同时将Y轴倾角存入全局变量数组中；
（5）利用算法进行被测点的挠度值计算，利用算法进行被测点挠度值计算时，采用以下公式：
（1）
其中，式（1）中a，b表示两测量点之间的轴向坐标；
并通过一个二次插值多项式来近似表达式中的f(x)；该多项式由三个点上的函数值决定：x1=a，x2=a+h1，x3=a+h1+h2=b，则可得到
（2）
其中，Ak表示第k个插值点对应的求积系数，k表示插值点数，h1表示x2到x1的距离，h2表示x3到x2的距离；
根据拉格朗日插值积分
（3）
其中，Lk表示第K个插值点对应的拉格朗日插值基函数；
其中拉格朗日插值基函数：
（4）
通过计算可以求得：
（5）
（6）
（7）；
（6）对实测挠度值进行二进制文件保存，判断是否达到一个小时，若是则创建新文件夹，然后进行二进制文件保存，如不是则将数据依然保存在原有文件中；
（7）结束采集，释放资源，同时进行保存退出采集记录信息。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁全桥多点挠度实时采集与显示系统，其特征在于：所述CAN总线的末端设置有120Ω匹配阻抗。
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