CN111156913A - 基于物联网技术的自感知智能桥梁支座及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁检测与实时在线监测技术领域，旨在提供智能桥梁支座及系统，其包括包括顶板、底板和橡胶垫，顶板和底板相对设置，橡胶垫竖直连接在顶板和底板之间，橡胶垫的侧面套设有钢圈，顶板的底面安装有用于测量桥梁支座变化情况的测量模块。本发明具有监测桥梁支座的数据情况和健康状态的自我感知功能，以此为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，减少桥梁坍塌事故发生的概率。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁检测与实时在线监测技术领域，主要是涉及基于物联网技术的自感知智能桥梁支座及系统。
背景技术
目前，中国的桥梁建设发展迅猛，桥梁对缓解公路交通负荷、保证交通运输作业的顺利发展起到了至关重要的作用。桥梁一般由桥跨结构，也称上部结构；桥墩和桥台，也称下部结构，墩台基础和支座等组成。
其中，桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的、桥梁的重要传力结构部件。桥梁支座位于桥梁和垫石之间，它能将桥梁上部结构承受的荷载和变形可靠的传递给桥梁下部结构，同时保证桥梁上部结构在荷载、温度变化、混凝土收缩等因素作用下的自由变形，以便使结构的实际受力情况符合计算图式，起到缓冲的作用，保护梁端、墩台帽不受损伤。
桥梁支座包括板式橡胶、盆式、球形、高阻尼等等所有应用于桥梁的支座。
然而，近年来桥梁倒塌的事故时有发生，对桥梁的实际情况难以监测，无法及时采取措施防止桥梁倒塌，因此而造成的生命和财产损失不可估量。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：桥梁的实际情况难以监测，桥梁的载重较大使得借助传感器自动监测桥梁实际情况存在很大的难题，对桥梁的健康状态分析尚处于研究阶段，存在很大的提升空间。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供基于物联网技术的自感知智能桥梁支座及系统。
发明目的之一是提供智能桥梁支座，其具有监测桥梁支座的数据情况和健康状态的功能，以此为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生。
发明目的之二是提供智能桥梁支座系统，其具有监测桥梁支座的数据情况和健康状态的功能，且能分析采集的数据并在异常情况下提醒工作人员，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生。
本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：
智能桥梁支座，包括顶板、底板和橡胶垫，所述顶板和所述底板相对设置，所述橡胶垫竖直连接在所述顶板和所述底板之间，所述橡胶垫的侧面套设有钢圈，所述顶板的底面安装有用于测量桥梁支座变化情况的测量模块。
通过采用上述技术方案，竖直连接在顶板和底板之间的橡胶垫将桥梁上部结构承受的荷载和变形可靠地传递给桥梁下部结构，同时保证桥梁上部结构在因荷载、温度变化、混凝土收缩等因素作用下产生自由变形时，即起到缓冲的作用，保护梁端、墩台帽不受损伤；通过设置钢圈，使得橡胶垫在桥梁桥梁支座的压力下发生变化时被压缩并发生横向膨胀，进而使得钢圈受到橡胶垫的膨胀力作用时发生径向变形，以使测量模块通过测量钢圈的变形量间接获取桥梁支座的压力参数及与桥梁支座变化情况有关的其他的参数情况，同时，桥梁的载重间接作用于测量模块，对测量模块有保护的作用，使得智能桥梁支座具有监测桥梁支座的数据情况和健康状态的功能，为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述测量模块包括沿顶板位移的三个正交轴方向设置的三个激光位移传感器，所述底板的上表面在对应三个所述激光位移传感器所在位置区域内设置有用于感受所述顶板的三维位移变化量的反射装置。
通过采用上述技术方案，当顶板发生位移运动时，反射装置接收激光位移传感器的激光、将激光反射回三个激光位移传感器，激光位移传感器接收的激光发生了相位变化时，激光位移传感器向后台传输变化的相位信息，后台接收激光位移传感器的信息并获取顶板的三维位移变化量，监测桥梁支座的变化情况，进而获取桥梁支座的微小位移变化量。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述测量模块还包括双轴倾角传感器，所述双轴倾角传感器水平安装于所述顶板的底面。
通过采用上述技术方案，当顶板发生倾斜时，双轴倾角传感器感受到变化并向后台传输变化的倾斜角度，后台接收双轴倾角传感器的信息并获取顶板的倾斜角度值，监测桥梁支座的变化情况，进而获取桥梁支座的位移变化量。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述测量模块还包括应变式力传感器，所述应变式力传感器固定在所述钢圈的外侧面上，所述应变式力传感器与所述测量模块电性连接。
通过采用上述技术方案，应变式力传感器在钢圈发生径向变形时被拉伸或者被压缩，以采集获取钢圈的应变力，并传输至测量模块内，监测桥梁支座的变化情况，进而获取桥梁桥梁支座的变形量。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述应变式力传感器包括应变片，所述应变片的厚度在0.25mm-1.00mm之间。
通过采用上述技术方案，应变式力传感器的应变片的厚度在0.25mm-1.00mm之间，以更好地感受钢圈的径向变形，感受被拉伸或者被压缩的灵敏度更高，进而对钢圈的应变力测量效果更精确。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述测量模块配置有测量模式和休眠模式，所述测量模式和所述休眠模式交叉进行，所述测量模块在测量模式下对桥梁支座进行实时数据采集，所述测量模块在休眠模式下停止采集数据并处于待机状态。
通过采用上述技术方案，测量模块在测量模式下对桥梁支座进行实时数据采集，即智能支持系统的采集工作是定时进行的，节约了测量模块的电能；测量模块在休眠模式下停止采集数据并处于待机状态，使得测量模块低功耗，进一步节约了测量模块的电能。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述测量模块通过内部电池或外部环境能量回收装置对测量模块供电。
通过采用上述技术方案，内部电池或外部环境能量回收装置为测量模块提供工作所需的电压，使得测量模块的待机时间较长。
本发明的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：
智能桥梁支座系统，包括权利要求1-6任一项所述的智能桥梁支座，所述测量模块经微控制器和云平台连接有后台，所述微控制器经基站或者路由器无线连接所述云平台。
通过采用上述技术方案，借助微控制器接入基站或者路由器中，经基站无线连接云平台，云平台无线连接后台，以实现数据的存储和传输，使得测量模块与后台进行远程通讯；或者经路由器连接云平台，云平台无线连接后台，以实现数据的存储和传输，使得测量模块与后台进行近距离通讯，数据能够存储至云平台内，组网方式灵活，联网方式与数据传输距离相匹配，以达到传输成本最优化，进而为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述微控制器经4G模块或者GPRS模块接入所述基站，所述微控制器经WIFI模块或者以太网模块接入所述路由器。
通过采用上述技术方案，微控制器配置4G模块和GPRS模块，同时借助基站，实现微控制器和云平台之间的远距离通讯；微控制器配置WIFI模块和以太网模块，同时借助路由器，实现微控制器和云平台之间的近距离通讯。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述后台具有远程设置所述测量模块的参数，显示、调用所述测量模块采集的数据和异常报警的功能。
通过采用上述技术方案，借助后台远程配置测量模块的参数，以采集所需的数据和配置测量模块工作的模式，操作方便；同时，后台具有显示、调用测量模块数据的功能，为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑；并在分析数据发现异常后具有报警功能，有利于辅助工作人员及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
激光位移传感器监测采集顶板的三维位移变化量，以监测桥梁支座的变化情况，获取桥梁支座的微小位移变化量，以为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生；双轴倾角传感器监测采集顶板的倾斜角度值，以监测桥梁支座的变化情况，获取桥梁支座的位移变化量，以为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生；应变式力传感器监测采集钢圈的应变力，以监测桥梁支座的变化情况，获取桥梁支座的变形量，以为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生；测量模块间接获取与桥梁有关的参数情况，使得桥梁的载重间接作用于测量模块，对测量模块有保护的作用，以实现监测桥梁实际情况和健康状态的功能；测量模块与后台之间通过不同的组网方式进行远距离或者近距离通讯，并将数据存储至云平台内，以达到传输成本最优化，为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑；测量模块通过内部电池或外部环境能量回收装置保持续航能力，以保证测量模块的正常工作；测量模块配置有交叉进行的测量模式和休眠模式，以提高测量模块的续航能力；借助后台管理和监测测量模块，提醒工作人员在异常情况下及时采取措施，操作方便。
附图说明
图1是智能桥梁支座的结构示意图；图2是智能桥梁支座系统的模块示意图。
图中，1、顶板；2、底板；3、钢圈；4、应变片；5、测量模块；6、反射装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，为本发明公开的智能桥梁支座，包括顶板1、底板2和橡胶垫(图中未示出)，顶板1和底板2相对设置，橡胶垫竖直连接在顶板1和底板2之间，橡胶垫的侧面套设有钢圈3，顶板的底面安装有用于测量桥梁支座变化情况的测量模块5，测量模块5监测桥梁支座的三维平移位移量、倾斜角度和压力大小变化。
测量模块5包括沿顶板1位移的三个正交轴方向设置的三个激光位移传感器(图中未示出)，三个激光位移传感器位于顶板1的底面，底板2的上表面对应三个激光位移传感器所在位置区域内设置有用于感受顶板1的三维位移变化量的反射装置6。激光位移传感器的型号为TOF102。反射装置6包括反射板，反射板固定在底板2的上表面且与测量模块5的位置相对应，以反射从三个激光位移传感器接收的激光。
通过三个激光位移传感器来进行组合式的测量，将三个激光位移传感器分别安装在顶板底面沿三个正交轴方向的三条直线上，并根据1mm测量精度来确定三个激光位移传感器之间的间距。
测量时，顶板1发生位移会导致激光位移传感器与反射装置6之间的距离发生改变，通过采集激光位移传感器的数值并处理分析，对顶板1沿三个正交轴方向的位移实施测量。
测量模块5还包括双轴倾角传感器(图中未示出)，双轴倾角传感器的型号为SDIT，双轴倾角传感器水平安装于顶板1的底面，双轴倾角传感器的测量角度范围为±90°，角度测量精度为 0.1°，分辨率为 0.01°。
测量模块5还包括应变式力传感器(图中未示出)，应变式力传感器包括应变片4(见图1)，测量模块5通过电缆与其连接，应变片4粘贴固定在钢圈3的外侧面的下方位置，应变片4与钢圈3之间填充有环氧树脂胶层(图中未示出)，应变片4的厚度在0.25mm-1.00mm之间，本实施例中应变片4的厚度为0.3mm，应变式力传感器的应变测量精度可达±10με，量程为20000με。
参照图2，为本发明公开的智能桥梁支座系统，包括智能桥梁支座，智能桥梁支座的测量模块5通讯连接有后台。
测量模块5经微控制器与后台进行通讯。微控制器为ARM低功耗单片机，其型号为80c51，微控制器内置于测量模块5内部，三个激光位移传感器、双轴倾角传感器和应变片4与微控制器的输入端电性连接。
微控制器的串口通讯连接有4G模块和GPRS模块，4G模块和GPRS模块与基站进行通讯连接，基站无线连接有云平台。
微控制器的串口通讯连接有WIFI模块和以太网模块，WIFI模块和以太网模块经路由器与云平台无线连接。
基站属于广域网,传输距离在上百公里以上；路由器属于局域网，覆盖范围小于广域网，传输距离较短。
测量模块5配置有测量模式和休眠模式，测量模式和休眠模式交叉进行，测量模块5在测量模式下对桥梁支座进行实时数据采集，测量模块5在休眠模式下停止采集数据并处于待机状态，测量模式和休眠模式由后台配置。
同时，测量模块5内置大容量锂电池或连接有外部环境能量回收装置，外部环境能量回收装置为将外部能量转换为电能的装置，外部能量包括太阳能、热电势、风能，本实施例中为光伏板。
内置锂电池使得配置测量模式和休眠模式的测量模块5通常待机的时间在三年以上，也可根据长时间监测需求更换更大容量的锂电池。
借助后台，远程设置测量模块5的参数，显示、调用测量模块5的传输数据和异常报警。
后台、云平台和安装于智能桥梁支座上的微控制器和传感器组成一个物联网。
本实施例的实施原理为：
安装于智能桥梁支座上的测量模块5在后台的远程控制下，进入测量模式，激光位移传感器、双轴倾角传感器和应变式力传感器对桥梁支座的三维平移位移量、倾斜角度和应变大小情况进行实时数据采集，以实时采集获取桥梁支座的数据信息，定时监测桥梁支座的数据情况和健康状态。
基于TCP/IP协议，采集的数据经智能桥梁支座上微控制器的4G模块或者GPRS模块与基站通讯，通过2G/3G/4G网络传输存储至云平台内，或者，经智能桥梁支座上微控制器的WIFI模块或者以太网模块与路由器通讯，通过无线传输网络传输存储至云平台内。智能桥梁支座系统支持智能桥梁支座在广域网的蜂窝数据连接，使得智能桥梁支座的待机时间长，同时，对网络连接要求较高设备能高效连接，降低智能桥梁支座系统的部署成本。
后台调用、显示云平台内的数据，分析数据并在异常情况下报警，以此为桥梁的寿命评估和日常维护提供数据和理论支撑，同时，有利于及时采取措施进行桥梁的维护工作，进而减少桥梁坍塌事故的发生。
通过窄带物联网技术，后台与智能桥梁支座定时通讯，使得后台对桥梁支座进行智能化的感知、识别和管理。
安装于智能桥梁支座上的测量模块5内置锂电池或电性连接光伏板，同时，在后台的远程控制下进入休眠模式，停止采集数据并处于待机状态，处于低功耗状态，以节省测量模块5的电能，待机时间长。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.智能桥梁支座，包括顶板(1)、底板(2)和橡胶垫，所述顶板(1)和所述底板(2)相对设置，所述橡胶垫竖直连接在所述顶板(1)和所述底板(2)之间，其特征在于：所述橡胶垫的侧面套设有钢圈(3)，所述顶板(1)的底面安装有用于测量桥梁支座变化情况的测量模块(5)。
2.根据权利要求1所述的智能桥梁支座，其特征在于：所述测量模块(5)包括沿顶板(1)位移的三个正交轴方向设置的三个激光位移传感器，所述底板(2)的上表面在对应三个所述激光位移传感器所在位置区域内设置有用于感受所述顶板(1)的三维位移变化量的反射装置(6)。
3.根据权利要求1所述的智能桥梁支座，其特征在于：所述测量模块(5)还包括双轴倾角传感器，所述双轴倾角传感器水平安装于所述顶板(1)的底面。
4.根据权利要求1所述的智能桥梁支座，其特征在于：所述测量模块(5)还包括应变式力传感器，所述应变式力传感器固定在所述钢圈(3)的外侧面上，所述应变式力传感器与所述测量模块(5)电性连接。
5.根据权利要求4所述的智能桥梁支座，其特征在于：所述应变式力传感器包括应变片(4)，所述应变片(4)的厚度在0.25mm-1.00mm之间。
6.根据权利要求1所述的智能桥梁支座，其特征在于：所述测量模块(5)配置有测量模式和休眠模式，所述测量模式和所述休眠模式交叉进行，所述测量模块(5)在测量模式下对桥梁支座进行实时数据采集，所述测量模块(5)在休眠模式下停止采集数据并处于待机状态。
7.根据权利要求1所述的智能桥梁支座，其特征在于：所述测量模块(5)通过内部电池或外部环境能量回收装置对测量模块(5)供电。
8.智能桥梁支座系统，其特征在于：包括权利要求1-7任一项所述的智能桥梁支座，所述测量模块(5)经微控制器和云平台连接有后台，所述微控制器经基站或者路由器无线连接所述云平台。
9.根据权利要求8所述的智能桥梁支座系统，其特征在于：所述微控制器经4G模块或者GPRS模块接入所述基站，所述微控制器经WIFI模块或者以太网模块接入所述路由器。
10.根据权利要求8所述的智能桥梁支座系统，其特征在于：所述后台具有远程设置所述测量模块(5)的参数，显示、调用所述测量模块(5)采集的数据和异常报警的功能。
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