CN111323154A

CN111323154A - 一种基于区块链桥梁施工应力检测系统

Info

Publication number: CN111323154A
Application number: CN202010318907.8A
Authority: CN
Inventors: 顾超; 杨建华
Original assignee: Jiangsu Hongkuai Information Technology Co ltd
Current assignee: GANSU JIAODA ENGINEERING TESTING S&T Co.,Ltd.; Li Haowu
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: CN111323154B

Abstract

本发明公开了一种基于区块链桥梁施工应力检测系统，包括超声波测试装置、WIFI模块和后台监控中心，超声波测试装置包括超声波传感器、信号接收处理模块和ARM处理器，信号接收处理模块包括阻抗匹配电路、抗干扰放大电路和选频输出电路，超声波传感器的输出信号经阻抗匹配电路处理后，以差分信号的形式分两路送入抗干扰放大电路中进行增益，抗干扰放大电路采用差动复合运放器的形式对差分信号进行放大，抗干扰放大电路的输出信号送入选频输出电路进行带通滤波选频后，运用电压跟随器原理将处理后的信号送入ARM处理器中，使超声波信号接收处理随应力变化的线性度高，系统应力分辨率强，检测更加精准。

Description

一种基于区块链桥梁施工应力检测系统

技术领域

本发明涉及桥梁施工监测技术领域，特别是涉及一种基于区块链桥梁施工应力检测系统。

背景技术

道桥施工中，桥梁上部结构大量采用预应力设计，准确的按照设计要求施加预应力成为桥梁施工中重要的环节。目前应力的测试大多采用电阻应变片或光折射方法，其中电阻应变片传感器仅能反应被测试件的表面应力，且应力片的粘合剂在长期使用中会产生老化现象，引起许多误差；而光折射方法设备较复杂，只能测试透明的材料。超声波法作为一种新型的无损测定应力的方法，具有检测快速方便，检测信号线性相关度高、离散性好等优点而被广泛推广应用，主要包括对超声波信号的发射与接收，通过超声波传感器将回波信号转换成电脉冲信号后送入ARM处理器中计算实现测量，由于超声波信号在传播过程中会伴随着能量的衰减，接收到的信号也会引入杂波，加之外界温度、电磁等干扰因素的影响，使超声波信号随应力变化的线性关系失调，导致应力分辨率降低，检测存在误差。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种基于区块链桥梁施工应力检测系统。

其解决的技术方案是：一种基于区块链桥梁施工应力检测系统，包括超声波测试装置、WIFI模块和后台监控中心，所述超声波测试装置包括超声波传感器、信号接收处理模块和ARM处理器，所述信号处理模块包括阻抗匹配电路、抗干扰放大电路和选频输出电路，所述超声波传感器的输出信号经所述阻抗匹配电路处理后，以差分信号的形式分两路送入所述抗干扰放大电路中进行增益，所述抗干扰放大电路包括运放器AR1、AR2，运放器AR1、AR2采用差动复合运放器的形式对所述差分信号进行放大，所述抗干扰放大电路的输出信号送入所述选频输出电路进行带通滤波选频后，运用电压跟随器原理将处理后的信号送入所述ARM处理器中，所述ARM处理器通过数据总线连接所述WIFI模块，所述WIFI模块用于将所述ARM处理器计算出的应力数据远程传输到所述后台监控中心；所述运放器AR1、AR2的输出端之间还设置有低通降噪电路，所述低通降噪电路包括电容C6，电容C6的一端连接运放器AR1的输出端，电容C6的另一端连接电阻R9的一端和三极管VT1的集电极，电阻R9的另一端连接三极管VT1的基极和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，三极管VT1的发射极通过并联的电阻R10、电容C7接地，并通过并联的电感L3、电容C8连接电容C9、电阻R11的一端，电容C9的另一端接地，电阻R11的另一端连接电容C10的一端和运放器AR3的同相输入端，运放器AR3的反相输入端连接运放AR4的反相输入端、输出端，运放器AR4的同相输入端连接电阻R12、R13的一端，电阻R12的另一端接地，电阻R13、电容C10的另一端连接运放器AR3的输出端，运放器AR3的输出端通过电阻R7连接运放器AR2的输出端，并通过电阻R8连接所述选频输出电路的输入端。

进一步的，所述阻抗匹配电路包括电感L1、L2和电容C1、C2，电感L1、电容C1的一端连接所述超声波传感器的信号输出端，电容C1的另一端连接电容C2、电感L2的一端，电感L1、电容C2的另一端通过电阻R1接地。

进一步的，所述抗干扰放大电路还包括MOS管Q1、Q2，MOS管Q1的栅极连接电感L1、电容C2的另一端，并通过电容C3连接MOS管Q2的栅极，MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1的漏极通过电容C4连接运放器AR1的反相输入端和电阻R2、R3的一端，运放器AR1的同相输入端通过电阻R5接地，运放器AR1的输出端通过电阻R6连接运放器AR2的同相输入端，电阻R2的另一端连接电感L2的另一端，电阻R3的另一端通过电容C5连接MOS管Q2的漏极，并通过电阻R4连接运放器AR2的反相输入端，MOS管Q2的源极接地，运放器AR2的反相输入端、输出端之间连接变阻器RP1，运放器AR2的同相输入端通过变阻器RP2接地。

进一步的，所述选频输出电路包括运放器AR5、AR6，运放器AR5的反相输入端连接二极管D2的阴极和D3的阳极，并通过电容C11连接电阻R8，运放器AR5的同相输入端依次通过电阻R14、电容C15接地，二极管D2的阳极与D3的阴极并联接地，运放器AR5的输出端通过电阻R18连接电容C13、C16、电阻R17的一端，电阻R17的另一端连接电阻R16的一端，并通过电容C14接地，电阻R16、电容C13的另一端通过并联的电容C12、电阻R15连接运放器AR5的反相输入端，电容C16的另一端连接运放器AR6的同相输入端，并通过电阻R19接地，运放器AR6的反相输入端、输出端连接所述ARM处理器的检测信号输入端。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：

1.超声波传感器将应力测量产生的超声回波信号转换成电脉冲信号输出，阻抗匹配电路形成LC网络对超声波传感器的输出信号进行阻抗匹配，以此提高电脉冲信号的传递能力，降低系统对噪声敏感的问题；

2.抗干扰放大电路运用差动复合运放器原理对阻抗匹配电路的两路输入信号进行运放处理，并加入MOS管Q1、Q2可作为运放器AR1的反馈回路中的纯增益控制设备，对高频电脉冲信号具有很好的放大增益调控作用，有效降低量化温度对应力测量结果带来的误差影响；

3.设置低通降噪电路对抗干扰放大电路的滤波参数进行调整控制，保证滤波调节持续稳定，提高了输出信号的信噪比，抗干扰放大电路的输出信号送入选频输出电路进行带通滤波选频后，运用电压跟随器原理将处理后的信号送入ARM处理器中，使超声波信号接收处理随应力变化的线性度高，系统应力分辨率强，检测更加精准。

附图说明

图1为本发明阻抗匹配电路、抗干扰放大电路和低通降噪电路连接原理图。

图2为本发明选频输出电路原理图。

图3为本发明的系统原理框图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图3对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

一种基于区块链桥梁施工应力检测系统，包括超声波测试装置、WIFI模块和后台监控中心。超声波测试装置包括超声波传感器、信号接收处理模块和ARM处理器，信号处理模块包括阻抗匹配电路、抗干扰放大电路和选频输出电路，超声波传感器的输出信号经阻抗匹配电路处理后，以差分信号的形式分两路送入抗干扰放大电路中进行增益，抗干扰放大电路包括运放器AR1、AR2，运放器AR1、AR2采用差动复合运放器的形式对差分信号进行放大，抗干扰放大电路的输出信号送入选频输出电路进行带通滤波选频后，运用电压跟随器原理将处理后的信号送入ARM处理器中，ARM处理器通过数据总线连接WIFI模块，WIFI模块用于将ARM处理器计算出的应力数据远程传输到后台监控中心。

在超声波应力检测操作时，将超声波传感器的晶片置于待测道路桥梁的指定部位，具体可采用型号为NUNU40C12TR-1的超声波传感器，收发一体标称频率为40.0±1.0KHz。超声波传感器用电信号激励晶片产生超声波，并对超声回波信号接收后转换成电脉冲信号输出，由于ARM处理器无法直接采集该信号，因此需要送入信号接收处理模块中进行信号调理。

超声波传感器输出的电脉冲信号受阻抗不匹配而引起电压损耗，使其能量效率变低，因此首先采用阻抗匹配电路进行输入信号阻抗匹配。如图1所示，阻抗匹配电路包括电感L1、L2和电容C1、C2，电感L1、电容C1的一端连接超声波传感器的信号输出端，电容C1的另一端连接电容C2、电感L2的一端，电感L1、电容C2的另一端通过电阻R1接地。其中，电感L1、L2与电容C1、C2形成LC网络对超声波传感器的输出信号进行阻抗匹配，以此提高电脉冲信号的传递能力，降低系统对噪声敏感的问题。

阻抗匹配电路的输出信号分两路送入抗干扰放大电路中进行信号放大处理，抗干扰放大电路的具体结构还包括MOS管Q1、Q2，MOS管Q1的栅极连接电感L1、电容C2的另一端，并通过电容C3连接MOS管Q2的栅极，MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1的漏极通过电容C4连接运放器AR1的反相输入端和电阻R2、R3的一端，运放器AR1的同相输入端通过电阻R5接地，运放器AR1的输出端通过电阻R6连接运放器AR2的同相输入端，电阻R2的另一端连接电感L2的另一端，电阻R3的另一端通过电容C5连接MOS管Q2的漏极，并通过电阻R4连接运放器AR2的反相输入端，MOS管Q2的源极接地，运放器AR2的反相输入端、输出端之间连接变阻器RP1，运放器AR2的同相输入端通过变阻器RP2接地。

在抗干扰放大电路对信号处理过程中，加入MOS管Q1、Q2可作为运放器AR1的反馈回路中的纯增益控制设备，其中，MOS管Q1选用型号为2N5457场效应晶体管用作为变压电阻，其电阻的参数变化与电压成线性关系，这样可提供良好的电子增益控制，对高频电脉冲信号具有很好的放大增益调控作用。然后运放器AR1、AR2运用差动复合运放器原理对两路输入信号进行运放处理，在信号放大过程中具有很好的共模抑制比，并且加入变阻器RP1、RP2双变阻器可始终保持运放器AR2的两个输入端对外的电阻相等，从而有效抑制温度漂移，稳定静态工作点，可有效降低量化温度对应力测量结果带来的误差影响。

由于超声波信号在传播过程中会伴随着能量的衰减，造成超声波传感器的输出的电脉冲信号存在杂波信号，为了避免信号放大过程中杂波引入影响测量信号的精准度，因此在运放器AR1、AR2的输出端之间还设置有低通降噪电路。低通降噪电路包括电容C6，电容C6的一端连接运放器AR1的输出端，电容C6的另一端连接电阻R9的一端和三极管VT1的集电极，电阻R9的另一端连接三极管VT1的基极和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，三极管VT1的发射极通过并联的电阻R10、电容C7接地，并通过并联的电感L3、电容C8连接电容C9、电阻R11的一端，电容C9的另一端接地，电阻R11的另一端连接电容C10的一端和运放器AR3的同相输入端，运放器AR3的反相输入端连接运放AR4的反相输入端、输出端，运放器AR4的同相输入端连接电阻R12、R13的一端，电阻R12的另一端接地，电阻R13、电容C10的另一端连接运放器AR3的输出端，运放器AR3的输出端通过电阻R7连接运放器AR2的输出端，并通过电阻R8连接选频输出电路的输入端。其中，由三极管VT1、电阻R9与二极管D1形成的控制电路针对运放器AR1的输出量，对抗干扰放大电路的滤波参数进行调整控制。运放器AR1的输出信号经电容C6耦合后使三极管VT1导通，然后送入由电容C7-C9与电感L3形成的LC低通滤波器中进行降噪处理，从而提高了整个电路对杂波信号的过滤效果。运放器AR3对LC滤波后的信号进行跟随输出，为了避免信号出现失调，运放器AR4将运放器AR3的输出信号进行分流后输入到运放器AR3的反相输入端，从而使反相输入电压抵消运放失调电压，保证滤波调节持续稳定，提高了输出信号的信噪比。

如图2所示，抗干扰放大电路的输出信号送入选频输出电路中进行进一步滤波处理，选频输出电路的具体结构包括运放器AR5、AR6，运放器AR5的反相输入端连接二极管D2的阴极和D3的阳极，并通过电容C11连接电阻R8，运放器AR5的同相输入端依次通过电阻R14、电容C15接地，二极管D2的阳极与D3的阴极并联接地，运放器AR5的输出端通过电阻R18连接电容C13、C16、电阻R17的一端，电阻R17的另一端连接电阻R16的一端，并通过电容C14接地，电阻R16、电容C13的另一端通过并联的电容C12、电阻R15连接运放器AR5的反相输入端，电容C16的另一端连接运放器AR6的同相输入端，并通过电阻R19接地，运放器AR6的反相输入端、输出端连接ARM处理器的检测信号输入端。其中，抗干扰放大电路的输出信号经电容C11耦合后，由二极管D2、D3进行限幅后送入运放器AR5中进行处理，电阻R15-R17与电容C12-C14在运放过程中形成RC带通滤波网络有效滤除如外界电磁信号等高频杂波干扰和随机脉冲干扰，从而提升系统的抗干扰能力。最后运放器AR6运用电压跟随器原理将运放器AR5的输出信号进行隔离输出，使ARM处理器接收到检测信号时与前级电路形成电气隔离，保证信号采集过程的稳定性。

本发明的具体工作原理为：超声波测试装置采用超声波传感器将应力测量产生的超声回波信号转换成电脉冲信号输出，阻抗匹配电路形成LC网络对超声波传感器的输出信号进行阻抗匹配，以此提高电脉冲信号的传递能力，降低系统对噪声敏感的问题。抗干扰放大电路运用差动复合运放器原理对阻抗匹配电路的两路输入信号进行运放处理，并加入MOS管Q1、Q2可作为运放器AR1的反馈回路中的纯增益控制设备，对高频电脉冲信号具有很好的放大增益调控作用，有效降低量化温度对应力测量结果带来的误差影响。设置低通降噪电路对抗干扰放大电路的滤波参数进行调整控制，保证滤波调节持续稳定，提高了输出信号的信噪比。抗干扰放大电路的输出信号送入选频输出电路进行带通滤波选频后，运用电压跟随器原理将处理后的信号送入ARM处理器中，使超声波信号接收处理随应力变化的线性度高，系统应力分辨率强，检测更加精准。

本发明在具体使用时，如图3所示，采用多个超声波测试装置同时工作对待测道路桥梁的不同检测处实现同步测量，测量出的应力数据均通过WIFI无线通讯网络远程传输到后台监控中心集中存储管理。后台监控中心将测量数据打包处理后发送到管理人员的智能终端设备，其数据传输过程均为成熟的无线通信传输技术，从而方便管理人员对待测道路桥梁应力检测的整体情况进行分析判断，实现监测更加方便、功能更加完备的区块链桥梁施工应力检测系统。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于区块链桥梁施工应力检测系统，包括超声波测试装置、WIFI模块和后台监控中心，其特征在于：所述超声波测试装置包括超声波传感器、信号接收处理模块和ARM处理器，所述信号处理模块包括阻抗匹配电路、抗干扰放大电路和选频输出电路，所述超声波传感器的输出信号经所述阻抗匹配电路处理后，以差分信号的形式分两路送入所述抗干扰放大电路中进行增益，所述抗干扰放大电路包括运放器AR1、AR2，运放器AR1、AR2采用差动复合运放器的形式对所述差分信号进行放大，所述抗干扰放大电路的输出信号送入所述选频输出电路进行带通滤波选频后，运用电压跟随器原理将处理后的信号送入所述ARM处理器中，所述ARM处理器通过数据总线连接所述WIFI模块，所述WIFI模块用于将所述ARM处理器计算出的应力数据远程传输到所述后台监控中心；

所述运放器AR1、AR2的输出端之间还设置有低通降噪电路，所述低通降噪电路包括电容C6，电容C6的一端连接运放器AR1的输出端，电容C6的另一端连接电阻R9的一端和三极管VT1的集电极，电阻R9的另一端连接三极管VT1的基极和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，三极管VT1的发射极通过并联的电阻R10、电容C7接地，并通过并联的电感L3、电容C8连接电容C9、电阻R11的一端，电容C9的另一端接地，电阻R11的另一端连接电容C10的一端和运放器AR3的同相输入端，运放器AR3的反相输入端连接运放AR4的反相输入端、输出端，运放器AR4的同相输入端连接电阻R12、R13的一端，电阻R12的另一端接地，电阻R13、电容C10的另一端连接运放器AR3的输出端，运放器AR3的输出端通过电阻R7连接运放器AR2的输出端，并通过电阻R8连接所述选频输出电路的输入端。

2.根据权利要求1所述一种基于区块链桥梁施工应力检测系统，其特征在于：所述阻抗匹配电路包括电感L1、L2和电容C1、C2，电感L1、电容C1的一端连接所述超声波传感器的信号输出端，电容C1的另一端连接电容C2、电感L2的一端，电感L1、电容C2的另一端通过电阻R1接地。

3.根据权利要求2所述一种基于区块链桥梁施工应力检测系统，其特征在于：所述抗干扰放大电路还包括MOS管Q1、Q2，MOS管Q1的栅极连接电感L1、电容C2的另一端，并通过电容C3连接MOS管Q2的栅极，MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1的漏极通过电容C4连接运放器AR1的反相输入端和电阻R2、R3的一端，运放器AR1的同相输入端通过电阻R5接地，运放器AR1的输出端通过电阻R6连接运放器AR2的同相输入端，电阻R2的另一端连接电感L2的另一端，电阻R3的另一端通过电容C5连接MOS管Q2的漏极，并通过电阻R4连接运放器AR2的反相输入端，MOS管Q2的源极接地，运放器AR2的反相输入端、输出端之间连接变阻器RP1，运放器AR2的同相输入端通过变阻器RP2接地。

4.根据权利要求2和3所述一种基于区块链桥梁施工应力检测系统，其特征在于：所述选频输出电路包括运放器AR5、AR6，运放器AR5的反相输入端连接二极管D2的阴极和D3的阳极，并通过电容C11连接电阻R8，运放器AR5的同相输入端依次通过电阻R14、电容C15接地，二极管D2的阳极与D3的阴极并联接地，运放器AR5的输出端通过电阻R18连接电容C13、C16、电阻R17的一端，电阻R17的另一端连接电阻R16的一端，并通过电容C14接地，电阻R16、电容C13的另一端通过并联的电容C12、电阻R15连接运放器AR5的反相输入端，电容C16的另一端连接运放器AR6的同相输入端，并通过电阻R19接地，运放器AR6的反相输入端、输出端连接所述ARM处理器的检测信号输入端。