CN110440854A - 基于传感网络的预应力渡槽监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能测试领域，具体涉及一种基于传感网络的预应力渡槽监测系统及方法。包括预应力施加模块，用于对渡槽内壁施加预设应力；振动监测模块，用于采集渡槽的振动信号；中央处理装置，用于计算振动信号的总能量E；比较模块，用于将总能量E与施加的预设应力值进行比较，并在总能量E大于预应力施加模块施加的预设应力值时，向报警模块发送报警信号。其利用预应力施加模块施加预应力、振动监测模块监测振动信号、中央处理装置对各个传感器的振动信号进行汇总、比较模块对总能量E和施加的预应力进行比较。其监测结果更高效，更准确。

Description

基于传感网络的预应力渡槽监测系统及方法

技术领域

本发明涉及智能测试领域，具体涉及一种基于传感网络的预应力渡槽监测系统及方法。

背景技术

我国水资源分布极不均衡，跨流域的调水工程已成为我国水利建设的重要内容，渡槽是输水建筑物中跨越河川和交通干线的重要水工建筑物。一般来说，渡槽是桥式结构，但由于渡槽输水的特殊功能，又使得渡槽槽身的结构型式与桥梁有很大不同。渡槽为开口的薄壁结构，以尽可能减小结构自重荷载，增加输水承重能力。预应力矩形薄壳渡槽是众多渡槽结构中较优的一种，南水北调中线工程、湖北省鄂北地区水资源配置工程中的大型渡槽也将其做为备选设计方案之一。

大型渡槽的输水流量大，预应力技术被广泛地应用于渡槽的结构设计中，已有学者对这一类型渡槽的振动反应特点进行了探讨，但现有技术中，在对渡槽可靠性进行测试或对渡槽进行监测时的精度不高，不能有效对渡槽进行高精度监测。

现有技术中，在对渡槽可靠性进行测试或对渡槽进行监测时通常有两种方法，一种是理论分析，另一种是硬件测试。

其中，理论分析中一般忽略渡槽支撑结构的竖向变形影响，将渡槽简化为简支梁或连续梁等梁式结构，在梁的两端作用一对预应力，在渡槽的受力分析中，在梁轴线上还有一个附加力偶，通过预应力渡槽的弯曲振动微分方程对渡槽可靠性进行研究。但是，在理论分析中，由于为了便于计算，往往将渡槽的结构进行简化，然后通过简化后的模型对渡槽可靠性进行计算，简化的模型忽略了渡槽的次要结构特征，不能有效对渡槽进行高精度监测。

硬件测试中，一般使用振动传感器设置在渡槽的内侧，通过采集渡槽的振动信号以对渡槽的可靠性进行测试。但是，各个振动传感器由于布置的位置不同，其采集的数据必然不同，未能有一种有效的方法对各个振动传感器采集的振动信号进行汇总、分析，采集的数据过于片面，从而导致可靠性测试结果不准确。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种准确性高、效率高的基于传感网络的预应力渡槽监测系统及方法。

本发明一种基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其技术方案为：

包括

预应力施加模块：用于对渡槽内壁施加预设应力，并将施加的预设应力值发送至比较模块；

振动监测模块：用于在预应力施加模块施加预设应力时，采集渡槽的振动信号并发送至中央处理装置；

中央处理装置：用于计算振动监测模块发送的振动信号的总能量E，并将所述总能量E发送至比较模块；

比较模块：用于将振动监测模块监测到的总能量E与预应力施加模块施加的预设应力值进行比较，并在总能量E大于预应力施加模块施加的预设应力值时，向报警模块发送报警信号。

较为优选的，还包括

图像采集模块：用于采集渡槽在被施加预设应力时的图像信息，并发送至中央处理装置；

显示模块：用于显示中央处理装置发送的所述图像信息、总能量E和预应力施加模块施加的预设应力值。

较为优选的，还包括远程监测模块，用于接收并监测中央处理装置发送的所述图像信息、总能量E和预应力施加模块施加的预设应力值，所述远程监测模块通过无线传输模块与中央处理装置连接。

较为优选的，所述图像采集模块采集的图像信息经图像处理模块处理后发送至中央处理装置，所述图像处理模块用于对图像信息进行平滑、锐化和增强处理。

较为优选的，所述渡槽的内壁沿长度方向均匀设有多个测试点，所述振动监测模块包括多个同型号的振动传感器，多个所述振动传感分别固定在渡槽的各个测试点上。

较为优选的，所述振动监测模块采集的振动信号经信号处理电路处理后发送至中央处理装置，所述信号处理电路用于对振动信号进行放大和滤波处理。

较为优选的，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置的输入端连接。

较为优选的，信号放大单元包括集成运放A1-A4、电容C1-C6、二极管D1-D3、三极管VT1-VT2、VT4-VT5、场效应管VT3、VT6-VT7和电阻R1-R20。

其中，振动传感器的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端与+1.5V电源连接，电阻R1的另一端与集成运放A2的同相输入端连接，电阻R3的一端接地，电阻R3的另一端与电阻R1的另一端连接，电容C1的一端接地，电容C1的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R1的另一端还与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R4的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R4的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R4的另一端与电容C2的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R4的另一端还与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R6的一端接地，电阻R6的另一端与集成运放A3的同相输入端连接，电阻R5的一端与+1.5V电源连接，电阻R5的另一端与电阻R6的另一端连接，电阻R7的另一端与三极管VT1的基极连接，三极管VT1的发射极接地，电容C2的另一端与三极管VT1的集电极连接，电容C2的另一端还与三极管VT2的发射极连接，电容C3的一端接地，电容C3的另一端与三极管VT4的发射极连接，电容C3的另一端与电阻R12的一端连接，电容C3的另一端还与三极管VT2的集电极连接，电阻R8的一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R8的另一端与三极管VT2的基极连接，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R9的另一端与集成运放A1的输出端连接，集成运放A1的反相输入端与集成运放A1的输出端连接，二极管D1的阳极接地，二极管D1的阴极与电阻R10的一端连接，二极管D1的阴极与场效应管VT3的栅极连接，二极管D1的阴极与电容C4的一端连接，二极管D1的阴极还与三极管VT4的集电极连接，电阻R10的另一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R10的另一端还与场效应管VT3的漏极连接，电阻R12的另一端与三极管VT4的基极连接，电阻R12的另一端还与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与三极管VT4的集电极连接，三极管VT5的发射极与+1.5V电源连接，电阻R14的一端与采样控制端连接，当采样控制端输入电压为1V时，信号放大电路对输入电压V0进行放大作业，否则，则信号放大电路不工作，电阻R14的另一端与电阻R15的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端连接，电阻R14的另一端还与三极管VT5的基极连接，电阻R13的另一端与+1.5V电源连接，电容C5一端接地，电容C5的另一端与场效应管VT3的源极连接，电容C5的另一端与场效应管VT6的栅极连接，电阻R15的另一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极接地，电阻R15的另一端还与电容C4的另一端连接，电阻R17的一端接地，电阻R17的另一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R17的另一端还与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与场效应管VT6的源极连接，场效应管VT6的漏极与+1.5V电源连接，电阻R19的一端接地，电阻R19的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R19的另一端与电容C6的一端连接，电阻R19的另一端还与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与场效应管VT7的源极连接，场效应管VT7的漏极与+1.5V电源连接，电容C6的另一端与集成运放A4的输出端连接，电容C6的另一端还与二极管D3的阳极连接，电阻R20的一端接地，电阻R20的另一端与二极管D3的阴极连接，电阻R20的另一端还与场效应管VT7的栅极连接，场效应管VT7的栅极与信号滤波单元的输入端连接。

较为优选的，信号滤波单元包括电阻R21-R25、电容C7-C9以及集成运放A5。

其中，信号放大单元的输出端与电阻R21的一端连接，电阻R21的一端与电容C8的一端连接，电阻R21的另一端与电容C7的一端连接，电阻R21的另一端还与电阻R22的一端连接，电容C8的另一端与电容C9的一端连接，电阻R23的一端接地，电阻R23的另一端与电容C8的另一端连接，电容C9的另一端与电阻R22的另一端连接，电阻R22的另一端与集成运放A5的同相输入端连接，电容C7的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R25的一端接地，电阻R25的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，是按照R25的另一端还与电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A5的输出端与中央处理装置的输入端连接，信号滤波单元将电压信号V1传输至中央处理装置的ADC端口。

本发明一种基于传感网络的预应力渡槽监测方法，其技术方案为：在渡槽内壁沿长度方向均匀设置多个振动传感器；

对渡槽内壁施加预设应力，并利用所述振动传感器采集施加预设应力时的渡槽振动信号；

计算多个振动传感器采集到的振动信号总能量E，并与施加的所述预设应力值进行比较，当总能量E大于所述预设应力值时，进行报警。

较为优选的，计算多个振动传感器采集到的振动信号总能量E方法为：

步骤1：在采样时间t内以同一采样频率向n个振动传感器采集h次振动信号，并根据公式

计算第i个振动传感器的第j个数据的有效率K_ij；

步骤2：根据公式计算第i个振动传感器的第j个数据的权值a_ij；

步骤3：根据公式计算总能量E；

其中，h为大于1的整数，第i个振动传感器的第j个数据为S_ij，i为大于等于1且小于等于n的整数，j为大于等于1且小于等于n的整数。

较为优选的，还包括采集渡槽在被施加预设应力时的图像信息，所述图像信息经平滑、锐化和增强处理后，与总能量E和预设应力值一起显示输出，同时上传至远程端进行实时监测。

较为优选的，对所述图像信息进行平滑处理的方法如下：

根据公式

和

g(x，y)＝q(x，y)*f(x，y)

对图像信息进行平滑处理；

其中，f(x,y)为平滑处理前的图像信息二维函数，q(x,y)为平滑函数，﹡为卷积符号，σ为自定义可调常数，x、y为空间坐标。

较为优选的，图像锐化单元对图像g(x,y)进行图像锐化处理，经过图像锐化处理后的图像二维函数为h(x,y)，其中，

较为优选的，图像增强单元对图像h(x,y)进行图像清晰度增强处理，经过图像清晰度增强处理后的图像二维函数为k(x,y)，其中，

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其利用预应力施加模块施加预应力、振动监测模块监测振动信号、中央处理装置对各个传感器的振动信号进行汇总、比较模块对总能量E和施加的预应力进行比较。其监测结果更高效，更准确。

(2)利用图像显示模块和远程监测模块对总能量数据、施加的预应力数据和施加预应力的图像画面进行显示和实时监测，实时性好，响应更快速。

(3)将振动传感器采集的微弱电压信号，在信号放大单元内通过集成运放A1-A4、电容C1-C6、二极管D1-D3、三极管VT1-VT2、VT4-VT5、场效应管VT3、VT6-VT7和电阻R1-R20放大处理。而由集成运放A1-A4、电容C1-C6、二极管D1-D3、三极管VT1-VT2、VT4-VT5、场效应管VT3、VT6-VT7和电阻R1-R20构成的信号放大单元只有1.35μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内3.25nV的噪声。同时，进入信号滤波单元使用电阻R21-R25、电容C7-C9以及集成运放A5对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度，并降低干扰。

(4)采集的图像信息依次进行图像平滑、图像锐化、图像增强处理，可高效、快速的提取图像采集模块的图像信息，可提高对渡槽图像的辨识精度，有效地减少误判情况发生。

附图说明

图1为本发明的基于传感网络的预应力渡槽监测系统的模块连接示意图；

图2为本发明的图像处理模块的连接示意图；

图3为本发明的信号处理电路的电路图；

图4为本发明的基于传感网络的预应力渡槽监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供的基于传感网络的预应力渡槽监测系统包括振动监测模块、电源模块、信号处理电路、图像采集模块、图像处理模块、中央处理装置、预应力施加模块、比较模块、报警模块、显示模块、无线传输模块以及远程监测模块。

其中，预应力施加模块对渡槽内壁施加预设应力，振动监测模块用于监测渡槽在被施加预设应力时的振动信号；图像采集模块用于采集渡槽在被施加预设应力时的图像信息；振动监测模块的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端与中央处理装置的输入端连接，图像采集模块的输出端与图像处理模块的输入端连接，图像处理模块的输出端与中央处理装置的输入端连接，预应力施加模块将对渡槽内壁施加预设应力值传输至中央处理装置和比较模块，比较模块的输出端与报警模块的输入端连接，中央处理装置的输出端与显示模块的输入端连接，中央处理装置通过无线传输模块与远程监测模块连接，电源模块为基于传感网络的预应力渡槽监测系统提供电力支持。

如图4所示，基于传感网络的预应力渡槽监测方法的流程如下：

在渡槽内壁沿长度方向均匀设置多个振动传感器；对渡槽内壁施加预设应力，并利用所述振动传感器采集施加预设应力时的渡槽振动信号；计算多个振动传感器采集到的振动信号总能量E，并与施加的所述预设应力值进行比较，当总能量E大于所述预设应力值时，进行报警。

具体的，振动监测模块包括n个同型号的振动传感器，n为大于1的自然数，n个同型号的振动传感器采集的振动信号均传输至信号处理电路，信号处理电路对采集到的振动信号进行信号处理后传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的振动信号转换为离散信号后进行数据分析计算n个同型号的振动传感器采集的振动信号的总能量E，并将总能量E和预应力施加模块将对渡槽内壁施加预设应力值传输至显示模块进行显示，同时，中央处理装置将总能量E和预应力施加模块将对渡槽内壁施加预设应力值通过无线传输模块传输至远程监测模块，比较模块内存储有与预应力施加模块将对渡槽内壁施加预设应力值相对应的能量阈值，中央处理装置将总能量E传输至比较模块，比较模块将总能量E与预应力施加模块将对渡槽内壁施加预设应力值相对应的能量阈值进行比较，若总能量E大于预应力施加模块将对渡槽内壁施加预设应力值相对应的能量阈值，则比较模块发送第一控制信号至报警模块，报警模块接收到第一控制信号后进行报警作业，否则，报警模块不作业。

图像采集模块用于采集渡槽在被施加预设应力时的图像信息，图像采集模块将采集到的图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块对接收到的图像进行图像处理后传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的图像信息传输至显示模块进行显示，中央处理装置将接收到的图像信息通过无线传输模块传输至远程监测模块。

上述实施方式中，利用振动监测模块、电源模块、信号处理电路、图像采集模块、图像处理模块、中央处理装置、预应力施加模块、比较模块、报警模块、显示模块、无线传输模块以及远程监测模块对渡槽进行高精度监测，其中，使用振动监测模块和信号处理模块对在施加预设应力后的渡槽的振动情况进行有效且高精度的监测，同时，使用图像采集模块和图像处理模块对渡槽在被施加预设应力后的图像信息进行有效监测，将上述监测结果传输至显示装置进行显示，以及通过无线传输模块传输至远程监测模块进行远程监测，大大提高了对渡槽的在施加预设应力后的监测效率和精度。

工作人员还能通过远程监测模块和显示模块实时观察到清晰的渡槽图像信息，如此，工作人员能够结合渡槽振动数据和渡槽图像信息对渡槽在施加预应力后的状态进行高效、精确监测。

具体地，中央处理装置将接收到的振动信号转换为离散信号后进行数据分析计算n个同型号的振动传感器采集的振动信号的总能量E，其中，计算总能量E的方法如下：

步骤1：中央处理装置将n个同型号的振动传感器在同一采样频率下，在采样时间t内各采集h个振动信号，h为大于1的整数，其中，第i个振动传感器的第j个数据为S_ij，i为大于等于1且小于等于n的整数，j为大于等于1且小于等于n的整数，计算第i个振动传感器的第j个数据的有效率K_ij为：

其中，

步骤2：计算第i个振动传感器的第j个数据的权值a_ij，其中，

步骤3：计算总能量E，其中，

如图2所示，图像处理模块包括图像平滑单元、图像锐化单元以及图像增强单元。

其中，图像采集模块用于采集渡槽在被施加预设应力时的图像信息，图像采集模块的输出端与图像平滑单元的输入端连接，图像平滑单元的输出端与图像锐化单元的输入端连接，图像锐化单元的输出端与图像增强单元的输入端连接，图像增强单元的输出端与中央处理装置的输入端连接。

具体地，n个同型号的振动传感器设置于均匀布置在渡槽内壁的测试点上，振动传感器用于监测渡槽在被施加预设应力时各个测试点的振动信号，并将采集到的振动信号转换传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的振动信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至中央处理装置。

具体地，将图像采集模块传输至图像处理模块的渡槽图像定义为二维函数f(x,y)，其中x、y是空间坐标，图像平滑单元对图像f(x,y)进行图像平滑处理，经过图像平滑处理后的图像二维函数为g(x,y)，平滑函数为q(x,y)，

和

g(x，y)＝q(x，y)*f(x,y)；

其中，﹡为卷积符号，σ为自定义可调常数，平滑的作用是通过σ来控制的。

上述实施方式中，图像平滑单元将图像采集模块采集的图像亮度进行平缓渐变，减小突变梯度，从而改善图像质量。

具体地，图像锐化单元对图像g(x,y)进行图像锐化处理，经过图像锐化处理后的图像二维函数为h(x,y)，其中，

上述实施方式中，图像锐化单元补偿图像平滑单元处理后的图像的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得更加清晰。

具体地，图像增强单元对图像h(x,y)进行图像清晰度增强处理，经过图像清晰度增强处理后的图像二维函数为k(x,y)，其中，

上述实施方式中，图象增强单元的目的是为了改进经过图像锐化单元处理后的图像的质量，除去图象中的噪声，使边缘清晰，提高图象的可判读性。

图像处理模块对采集的图像依次进行图像平滑、图像锐化、图像增强处理，可高效、快速的提取图像采集模块的图像信息，可提高对渡槽图像的辨识精度，有效地减少误判情况发生。

如图3所示，振动传感器用于采集渡槽在被施加预设应力时各个测试点的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置的输入端连接。

具体地，信号放大单元包括集成运放A1-A4、电容C1-C6、二极管D1-D3、三极管VT1-VT2、VT4-VT5、场效应管VT3、VT6-VT7和电阻R1-R20。

其中，振动传感器的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端与+1.5V电源连接，电阻R1的另一端与集成运放A2的同相输入端连接，电阻R3的一端接地，电阻R3的另一端与电阻R1的另一端连接，电容C1的一端接地，电容C1的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R1的另一端还与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R4的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R4的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R4的另一端与电容C2的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R4的另一端还与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R6的一端接地，电阻R6的另一端与集成运放A3的同相输入端连接，电阻R5的一端与+1.5V电源连接，电阻R5的另一端与电阻R6的另一端连接，电阻R7的另一端与三极管VT1的基极连接，三极管VT1的发射极接地，电容C2的另一端与三极管VT1的集电极连接，电容C2的另一端还与三极管VT2的发射极连接，电容C3的一端接地，电容C3的另一端与三极管VT4的发射极连接，电容C3的另一端与电阻R12的一端连接，电容C3的另一端还与三极管VT2的集电极连接，电阻R8的一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R8的另一端与三极管VT2的基极连接，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R9的另一端与集成运放A1的输出端连接，集成运放A1的反相输入端与集成运放A1的输出端连接，二极管D1的阳极接地，二极管D1的阴极与电阻R10的一端连接，二极管D1的阴极与场效应管VT3的栅极连接，二极管D1的阴极与电容C4的一端连接，二极管D1的阴极还与三极管VT4的集电极连接，电阻R10的另一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R10的另一端还与场效应管VT3的漏极连接，电阻R12的另一端与三极管VT4的基极连接，电阻R12的另一端还与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与三极管VT4的集电极连接，三极管VT5的发射极与+1.5V电源连接，电阻R14的一端与采样控制端连接，当采样控制端输入电压为1V时，信号放大电路对输入电压V0进行放大作业，否则，则信号放大电路不工作，电阻R14的另一端与电阻R15的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端连接，电阻R14的另一端还与三极管VT5的基极连接，电阻R13的另一端与+1.5V电源连接，电容C5一端接地，电容C5的另一端与场效应管VT3的源极连接，电容C5的另一端与场效应管VT6的栅极连接，电阻R15的另一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极接地，电阻R15的另一端还与电容C4的另一端连接，电阻R17的一端接地，电阻R17的另一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R17的另一端还与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与场效应管VT6的源极连接，场效应管VT6的漏极与+1.5V电源连接，电阻R19的一端接地，电阻R19的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R19的另一端与电容C6的一端连接，电阻R19的另一端还与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与场效应管VT7的源极连接，场效应管VT7的漏极与+1.5V电源连接，电容C6的另一端与集成运放A4的输出端连接，电容C6的另一端还与二极管D3的阳极连接，电阻R20的一端接地，电阻R20的另一端与二极管D3的阴极连接，电阻R20的另一端还与场效应管VT7的栅极连接，场效应管VT7的栅极与信号滤波单元的输入端连接。

具体地，信号滤波单元包括电阻R21-R25、电容C7-C9以及集成运放A5。

其中，信号放大单元的输出端与电阻R21的一端连接，电阻R21的一端与电容C8的一端连接，电阻R21的另一端与电容C7的一端连接，电阻R21的另一端还与电阻R22的一端连接，电容C8的另一端与电容C9的一端连接，电阻R23的一端接地，电阻R23的另一端与电容C8的另一端连接，电容C9的另一端与电阻R22的另一端连接，电阻R22的另一端与集成运放A5的同相输入端连接，电容C7的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R25的一端接地，电阻R25的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，是按照R25的另一端还与电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A5的输出端与中央处理装置的输入端连接，信号滤波单元将电压信号V1传输至中央处理装置的ADC端口。

上述实施方式中，信号处理电路的噪声在3.25nV以内，漂移为1.35μV/℃，集成运放A1、A4的型号均为LM10，集成运放A2的型号为C1A1/2LT1018，集成运放A3的型号为C1B1/2LT1018，集成运放A5的型号为LT1192，场效应管VT3、VT6-VT7的型号均为2N4338，三极管VT1-VT2、VT4-VT5的型号均为2N3904，二极管D1-D3的型号均为1N914。

在信号放大单元中，电阻R1的阻值为1MΩ，电阻R2的阻值为1MΩ，电阻R3的阻值为330Ω，电阻R4的阻值为330kΩ，电阻R5的阻值为1MΩ，电阻R6的阻值为100kΩ，电阻R7的阻值为20kΩ，电阻R8的阻值为20kΩ，电阻R9的阻值10kΩ，电阻R10的阻值为300kΩ，电阻R11的阻值为180kΩ，电阻R12的阻值为100kΩ，电阻R13的阻值为1MΩ，电阻R14的阻值为100kΩ，电阻R15的阻值为3.3kΩ，电阻R16的阻值为49.9kΩ，电阻R17的阻值为49.9kΩ，电阻R18的阻值为49.9kΩ，电阻R19的阻值为49.9kΩ，电阻R20的阻值为33kΩ，电容C1的电容值为1000pF，电容C2的电容值为2.2μF，电容C3的电容值为2.2μF，电容C4的电容值为1500pF，电容C5的电容值为0.0068μF，电容C6的电容值为180pF。

本实施例中的信号放大单元对传感器输出的电压信号响应速度快，其中，场效应管VT3作为采样保持开关，三极管VT4和VT5提供一种电平平移来驱动场效应管VT3的栅极，在本实施例中的信号放大单元中，为了降低电路的功耗，使用电容C4的前馈电路用于加快场效应管VT3快速开关其栅极，而不仅仅依靠三极管VT4和VT5的工作电流，集成运放A1用于驱动三极管VT1，集成运放A3反转集成运放A1的输出，并偏置三极管VT2，晶体管作为同步开关且电荷被传输至三极管VT2端的电容C3处，并在电容C3处产生一个负电位。

信号放大单元中场效应管VT6-VT7设置为源极跟随器，所接电阻作为电平转换器以保持集成运放的输入在集成运放A1的共模范围内，因此，信号放大单元不仅能够对传感器采集的信号进行有效放大，并且放大后的信号平滑不失真。

在信号滤波单元中，电阻R21-R25的阻值、电容C7-C9的电容值为根据滤波需求进行设置。

本实施例中优选一组电阻R21-R25的阻值、电容C7-C9的电容值的值，其中，电阻R21的阻值为26.7kΩ，电阻R22的阻值为26.7kΩ，电阻R23的阻值为13.3kΩ，电阻R24的阻值为9.53kΩ，电阻R25的阻值为10kΩ，电容C7的电容值为200nF，电容C8的电容值为100nF，电容C9的电容值为100nF。

以上实施例中，中心频率f0＝59.665Hz。

由于振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放A1-A4、电容C1-C6、二极管D1-D3、三极管VT1-VT2、VT4-VT5、场效应管VT3、VT6-VT7和电阻R1-R20对振动传感器输出的电压信号V0进行放大处理，由集成运放A1-A4、电容C1-C6、二极管D1-D3、三极管VT1-VT2、VT4-VT5、场效应管VT3、VT6-VT7和电阻R1-R20构成的信号放大单元只有1.35μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内3.25nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R21-R25、电容C7-C9以及集成运放A5对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其特征在于，包括

预应力施加模块：用于对渡槽内壁施加预设应力，并将施加的预设应力值发送至比较模块；

振动监测模块：用于在预应力施加模块施加预设应力时，采集渡槽的振动信号并发送至中央处理装置；

中央处理装置：用于计算振动监测模块发送的振动信号的总能量E，并将所述总能量E发送至比较模块；

比较模块：用于将振动监测模块监测到的总能量E与预应力施加模块施加的预设应力值进行比较，并在总能量E大于预应力施加模块施加的预设应力值时，向报警模块发送报警信号。

2.根据权利要求1所述的基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其特征在于，还包括

图像采集模块：用于采集渡槽在被施加预设应力时的图像信息，并发送至中央处理装置；

显示模块：用于显示中央处理装置发送的所述图像信息、总能量E和预应力施加模块施加的预设应力值。

3.根据权利要求2所述的基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其特征在于，还包括远程监测模块，用于接收并监测中央处理装置发送的所述图像信息、总能量E和预应力施加模块施加的预设应力值，所述远程监测模块通过无线传输模块与中央处理装置连接。

4.根据权利要求2所述的基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其特征在于，所述图像采集模块采集的图像信息经图像处理模块处理后发送至中央处理装置，所述图像处理模块用于对图像信息进行平滑、锐化和增强处理。

5.根据权利要求1所述的基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其特征在于：所述渡槽的内壁沿长度方向均匀设有多个测试点，所述振动监测模块包括多个同型号的振动传感器，多个所述振动传感分别固定在渡槽的各个测试点上。

6.根据权利要求5所述的基于传感网络的预应力渡槽监测系统，其特征在于：所述振动监测模块采集的振动信号经信号处理电路处理后发送至中央处理装置，所述信号处理电路用于对振动信号进行放大和滤波处理。

7.一种基于传感网络的预应力渡槽监测方法，其特征在于：

在渡槽内壁沿长度方向均匀设置多个振动传感器；

对渡槽内壁施加预设应力，并利用所述振动传感器采集施加预设应力时的渡槽振动信号；

计算多个振动传感器采集到的振动信号总能量E，并与施加的所述预设应力值进行比较，当总能量E大于所述预设应力值时，进行报警。

8.根据权利要求7所述的基于传感网络的预应力渡槽监测方法，其特征在于，计算多个振动传感器采集到的振动信号总能量E方法为：

步骤1：在采样时间t内以同一采样频率向n个振动传感器采集h次振动信号，并根据公式

计算第i个振动传感器的第j个数据的有效率K_ij；

步骤2：根据公式计算第i个振动传感器的第j个数据的权值a_ij；

步骤3：根据公式计算总能量E；

其中，h为大于1的整数，第i个振动传感器的第j个数据为S_ij，i为大于等于1且小于等于n的整数，j为大于等于1且小于等于n的整数。

9.根据权利要求7所述的基于传感网络的预应力渡槽监测方法，其特征在于，还包括采集渡槽在被施加预设应力时的图像信息，所述图像信息经平滑、锐化和增强处理后，与总能量E和预设应力值一起显示输出，同时上传至远程端进行实时监测。

10.根据权利要求9所述的基于传感网络的预应力渡槽监测方法，其特征在于，对所述图像信息进行平滑处理的方法如下：

根据公式

和

g(x，y)＝q(x，y)*f(x，y)

对图像信息进行平滑处理；

其中，f(x，y)为平滑处理前的图像信息二维函数，q(x，y)为平滑函数，﹡为卷积符号，σ为自定义可调常数，x、y为空间坐标。