CN111371164A - 一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路、应力传感器模块、信号处理及发送模块和基站，综合环境能量采集器将采集到的能量转化为电能，并存储在能量收集存储电路内，能量收集存储电路电性连接信号处理及发送模块，信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块，应力传感器模块用于监测桥梁的形变状态，并向信号处理及发送模块发送传感器信号，信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将数据发送至基站中，基站通过无线传输将数据发送至移动端设备中。本发明实现了系统的自供电，可以避免在桥梁上通过有线来为系统供电，从而更加便利。
Description
技术领域
本发明涉及微能量收集技术领域，尤其涉及一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置及使用方法。
背景技术
桥梁安全是关系到国家安全，人民生命，财产安全的重点问题。随着经济的发展，桥梁建设变得频繁，建设的规模也变得越来越大型化，而由于种种原因，近些年，桥梁事故发生的频率也变得越来越高，造成桥梁事故的因素也比较复杂，有部分是因为桥梁设计问题和施工问题，还有部分原因是桥梁的使用年限长，桥梁需要长时间承受荷载，桥梁材料不可避免的发生老化和损伤。
由于缺乏必要的桥梁状态监测方法，从而导致维护人员对桥梁结构的工作状态把握不准，这也是导致桥梁事故产生的重要原因，因此监测桥梁的结构状态是十分必要的，检测结构是否安全健康，为桥梁结构的施工、维修、加固和改建做出正确措施和避免桥梁坍塌事故均有重大的现实意义。
由于桥梁结构的特殊性，直接采用有线电源进行供电会比较困难，通过采集环境中的能量来供电则比较合适，不需要线材，施工难度也将大大降低，对后期的维护和升级也有很大的便利。
发明内容
发明目的：针对现有桥梁状态检测不便的问题，本发明提出一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置及使用方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，所述桥梁应力检测装置包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路、应力传感器模块、信号处理及发送模块和基站，所述综合环境能量采集器通过膨胀螺丝固定在桥墩上，并将采集到的能量转化为电能，同时所述综合环境能量采集器电性连接能量收集存储电路，将所述转化的电能存储在能量收集存储电路内，所述能量收集存储电路电性连接信号处理及发送模块，所述信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块，所述应力传感器模块设置在桥墩上，所述应力传感器模块用于监测桥梁的形变状态，同时所述应力传感器模块向信号处理及发送模块发送传感器信号，所述信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将所述数据发送至基站中，所述基站通过无线传输将所述数据发送至移动端设备中。
进一步地讲，所述综合环境能量采集器包括有太阳能收集器、振动能量收集器和风能收集器，所述太阳能收集器设置在振动能量收集器的上端，所述振动能量收集器设置在风能收集器的上端；
所述太阳能收集器用于将太阳能转化为电能，所述振动能量收集器用于将桥梁振动导致的压电悬臂上下振动转化为电能，所述风能收集器用于将风能转化为电能，所述太阳能收集器、振动能量收集器和风能收集器均将转化的电能发送至能量收集存储电路内。
进一步地讲，所述能量收集存储电路包括有电源管理芯片、超级电容C4和超级电容C5，所述电源管理芯片的PZ1端口和PZ2端口均电性连接综合环境能量采集器的输出端，所述电源管理芯片的Vin端口电性连接第一电容C1的输入端、超级电容C4的输入端和第一二极管D1的阴极，所述第一电容C1的输出端电性连接电源管理芯片的CAP端口，所述第一二极管D1的阳极电性连接超级电容C4的输出端、超级电容C5的输入端和第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极电性连接超级电容C5的输出端、第三电容C3的输入端、电源管理芯片的D0端口和GND端口，所述第三电容C3的输出端电性连接电源管理芯片的Vin2端口和D1端口；
所述电源管理芯片的SW端口电性连接第一电感L1的输入端，所述电源管理芯片的Vout端口电性连接第一电感L1的输出端和第二电容C2的输出端，所述电源管理芯片的GND端口电性连接第二电容C2的输入端，所述第二电容C2的输出端电性连接第一电感L1的输出端，所述第一电感L1的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。
进一步地讲，所述应力传感器模块通过丙烯酸酯胶黏剂固定在桥墩表面，同时所述应力传感器模块采用石墨烯作为敏感栅极，且所述石墨烯采用直角栅格式排布。
进一步地讲，所述应力传感器模块包括有应力传感器和应力传感器信号调理电路，所述应力传感器用于监测桥梁的形变状态，并通过所述应力传感器信号调理电路向信号处理及发送模块发送传感器信号；
所述应力传感器包括有应变片1、应变片2、应变片3和应变片4，所述应变片1和应变片4均采用水平安置方式，所述应变片2和应变片3采用竖直安置方式。
进一步地讲，所述应力传感器信号调理电路包括有偏置电路、滤波器电路和放大电路，所述偏置电路包括有第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一滑动变阻器W1、第一运算放大器A1和第二运算放大器A2，所述第一运算放大器A1的反相输入端电性连接第一电阻R1的输出端和应力传感器的输出端，所述第一电阻R1的输出端电性连接外部电源的正极，所述第一运算放大器A1的同相输入端电性连接第二电阻R2的输入端和应力传感器的输出端，所述第二电阻R2的输出端接地，同时所述第一运算放大器A1的输出端电性连接滤波器电路的输入端，所述第一运算放大器A1的电源端电性连接第二运算放大器A2的反相输入端和输出端；
所述第二运算放大器A2的同相输入端电性连接第一滑动变阻器W1的滑片端，第一滑动变阻器W1的输入端电性连接第三电阻R3的输出端，所述第三电阻R3的输入端电性连接外部电源的正极，所述第一滑动变阻器W1的输出端电性连接第四电阻R4的输入端，所述第四电阻R4的输出端接地。
进一步地讲，所述滤波器电路第三运算放大器A3、第六电容C6和第七电容C7，所述第一运算放大器A1的输出端通过第五电阻R5电性连接第三运算放大器A3的同相输入端、第六电容C6的输入端和第七电阻R7的输入端，所述第三运算放大器A3的反相输入端电性连接第六电阻R6的输入端、第七电容C7的输入端和第八电阻R8的输入端；所述第三运算放大器A3一侧的电源端电性连接第六电容C6的输出端和第九电阻R9的输入端，所述第九电阻R9的输出端电性连接第七电阻R7的输出端和放大电路的输入端，所述第三运算放大器A3另一侧的电源端电性连接第七电容C7的输出端和第十电阻R10的输入端，所述第十电阻R10的输出端电性连接第八电阻R8的输出端和放大电路的输入端。
进一步地讲，所述放大电路包括有第四运算放大器A4，所述第四运算放大器A4的同相输入端电性连接第九电阻R9的输出端和第十一电阻R11的输入端，所述第四运算放大器A4的反相输入端电性连接第十电阻R10的输出端和第十一电阻R11的输出端，所述第四运算放大器A4的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。
进一步地讲，所述信号处理及发送模块包括有单片机和ZigBee无线发射模块，所述第四运算放大器A4的输出端电性连接信号单片机的输入端，所述单片机对应力传感器信号调理电路发送的传感器信号进行A/D转换，并根据表示桥梁位置的数据，将所述A/D转换后的传感器信号通过ZigBee无线发射模块发送至基站中。
一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置的使用方法，所述使用方法具体包括如下步骤：
S1：所述太阳能收集器将太阳能转化为电能，所述振动能量收集器将桥梁振动导致的压电悬臂上下振动转化为电能，所述风能收集器将风能转化为电能，且所述太阳能收集器、振动能量收集器和风能收集器均将转化的电能发送至能量收集存储电路内，所述能量收集存储电路为桥梁应力检测装置进行供电；
S2：对每个所述应变传感器均设置危险阈值；
S3：所述应变传感器的阻值随着桥梁的形变发生变化，导致所述偏置电路的输出电压发生变化，同时所述偏置电路将发生变化的电压通过滤波器电路进行滤波、放大电路进行放大后，发送至所述单片机中进行A/D转化，转换为数字信息，根据所述表示桥梁位置的数据，所述数字信息形成完整的数据，通过所述ZigBee无线发射模块发送至基站中，再发送至所述移动端设备中；
S4：所述移动端设备将接收到的数据进行解析，并绘制出柱状图，同时将所述接收到的数据和预先设置的危险阈值进行比较，并绘制出预设时间内各时间段内超过所述危险阈值的次数的折线图；
当所述接收到的数据超过预先设置的危险阈值时，所述接收到的数据对应位置的柱状图颜色将会发生变化，当所述接收到的数据不超过预先设置的危险阈值时，所述接收到的数据对应位置的柱状图颜色将保持原状不变。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明的桥梁应力检测装置将桥梁振动、太阳照射、风力转换为电能，并通过电路存储到超级电容，实现了系统的自供电，同时当桥梁产生微小应力变化时，传感器的阻值也会产生变化，通过偏置电路采集传感器的变化，然后发送至移动端设备中，从而可以避免在桥梁上通过有线来为系统供电，更加便利；
(2)本发明的应力传感器采用石墨烯为敏感栅极材料，可以增加对桥梁振动变化的感知能力，具有较高的测量灵敏度，且装置与终端软件相连接可以方便维护人员远程监测桥梁的安全状况，当桥梁的应力变化达到可能会对桥梁产生危险的阈值时，终端设备自动进行报警，并显示出桥梁具体哪个位置可能会产生危险，从而可以及时报警提醒维护人员去检修。
附图说明
图1是本发明的桥梁应力检测装置的连线图；
图2是本发明的桥梁应力检测装置的放大图；
图3是本发明的太阳能收集器的结构示意图；
图4是本发明的振动能量收集器的结构示意图；
图5是本发明的风能收集器的结构示意图；
图6是本发明的能量收集存储电路的电路图；
图7是本发明的应力传感器结构的示意图；
图8是本发明的偏置电路的电路图；
图9是本发明的滤波器电路的电路图；
图10是本发明的放大电路的电路图；
图11是本发明的桥梁应力检测装置的总体流程图；
图12是本发明的手机终端数据显示界面图；
图中标号对应的部件名称：
1、太阳能收集器；2、振动能量收集器；3、风能收集器；4、能量收集存储电路；5、应力传感器模块；6、单片机；7、ZigBee无线发射模块；8、基站；9、太阳能收集器装置PE外壳；10、悬臂上的压电材料；11、黄铜支撑臂；12、悬臂下的压电材料；13、悬臂质量块PE外壳；14、电感线圈；15、永磁体；16、铝电极导线；17、铝电极导线；18、膨胀螺丝；19、转动轴体；20、转动叶片；21、铝片；22、PDMS摩擦电材料；23、铝电极导线；24、风能收集器壳；25、膨胀螺丝；26、铝片；27、钢化玻璃；28、EVA粘合剂；29、钙钛矿电池片；30、EVA粘合剂；31、TPT材料；32、铝电极导线；33、膨胀螺丝；34、铝电极导线；35、PE外壳；36、超级电容C4；37、超级电容C5；38、酚醛树脂；39、石墨烯；40、共价键；41、一小部分共价键断裂；42、一大部分共价键断裂；43、水平安置方式；44、竖直安置方式。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
实施例1
参考图1和图2，本实施例提供了一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，该桥梁应力检测装置包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路4、应力传感器模块5、信号处理及发送模块和基站8。其中综合环境能量采集器通过膨胀螺丝固定在桥墩上，并将采集到的能量转化为电能。同时综合环境能量采集器电性连接能量收集存储电路4，并将转化的电能存储在能量收集存储电路4内，能量收集存储电路4电性连接信号处理及发送模块，信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块5，应力传感器模块5设置在桥墩上。具体地讲，应力传感器模块5用于监测桥梁的形变状态，同时应力传感器模块5向信号处理及发送模块发送传感器信号，信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将数据发送至基站8中，基站8通过无线传输将数据发送至移动端设备中。
移动端设备用于显示接收到的数据，并将各个测量系统发送过来的数据，绘制成直观的柱状图，并根据数据来判断桥梁振动是否出现异常，当出现异常情况时，及时进行报警处理，提醒维护人员及时处理。
在本实施例中，综合环境能量采集器包括有太阳能收集器1、振动能量收集器2和风能收集器3，太阳能收集器1设置在振动能量收集器2的上端，振动能量收集器2设置在风能收集器3的上端。
参考图3，太阳能收集器1用于将太阳能转化为电能，并将转化的电能发送至能量收集存储电路4内进行存储。在本实施例中，太阳能收集器1的外部为PE外壳35，在PE外壳35的下端安装有膨胀螺丝33，用于将太阳能收集器1进行固定。太阳能收集器1的内部材料从上到下依次为钢化玻璃27、EVA粘合剂28、钙钛矿电池片29、EVA粘合剂30和TPT材料31，同时钙钛矿电池片29的两侧还分别连接有铝电极导线32和铝电极导线34。
该太阳能收集器1采用了特殊材料的光电转换原理，当太阳光照射在钙钛矿电池片29的PN结上时，会导致空穴，电子在PN结电场的作用下发生偏移，光生空穴流向N区，光生电子流向N区，从而引出两端就会形成电流，进而将光能转换为电能。
参考图4，振动能量收集器2用于将桥梁振动导致的压电悬臂上下振动转化为电能，并将转化的电能发送至能量收集存储电路4内进行存储。在本实施例中，振动能量收集器2包括有太阳能收集器装置PE外壳9、铝电极导线16和铝电极导线17，在太阳能收集器装置PE外壳9一侧的外端还安装有两个膨胀螺丝18。
同时振动能量收集器2采用5个独立收集器叠加而成，且每个独立收集器均采用压电悬臂式。其中悬臂上的压电材料10和悬臂下的压电材料12均采用PZT-52材料，基板材料采用黄铜材料，构成黄铜支撑臂11，末端质量块采用电磁发电模块，在悬臂质量块PE外壳13的内部包含有永磁体15和电感线圈14。
具体地讲，振动能量收集器2包含压电和电磁两种方式，当悬臂上下振动时，悬臂上的压电材料10和悬臂下的压电材料12就会收到挤压拉伸的作用力，从而导致压电材料内部产生极化现象，从而会在压电薄膜的表面产生表面电荷，进而在上下两个表面之间会产生电势差。同时悬臂上下振动时，还会带动悬臂质量块上下振动，从而带动内部的永磁体15在电感线圈14内上下运动，根据电磁感应定律，电感线圈中14中会产生电流，收集这些能量经过整流、滤波，即可存储到超级电容C436和超级电容C537内。
参考图5，风能收集器3用于将风能转化为电能，并将转化的电能发送至能量收集存储电路4内进行存储。在本实施例中，风能收集器3的摩擦材料采用PDMS摩擦电材料22和铝片21、铝片26，其转动叶片20和转动轴体19均采用ABS材料，风能收集器壳24采用PE材料，且连接有两个膨胀螺丝25，同时PDMS摩擦电材料22的两端分别连接有铝电极导线23。
具体地讲，风能收集器3采用了摩擦发电的方式，将风吹动采集器的扇叶转动转化为电能。即当转动叶片20静止时，由于铝片21、铝片26和PDMS摩擦电材料22两种材料得失电子能力的差别，PDMS摩擦电材料22表面会带有负电荷，铝片21和铝片26会带有正电荷。当风吹动转动叶片20带动转动轴体19转动，从而带动PDMS摩擦电材料22转动，摩擦两边的铝片21和铝片26，铝片21和铝片26之间会通过PDMS摩擦电材料22形成电荷转移，从而形成电流。也就是说，PDMS摩擦电材料22在转动叶片20的作用下，在铝片21和铝片26之间周期的转动摩擦，会在外接电路中产生电流，从而将风能转换为电能。
参考图6，能量收集存储电路4将收集综合能量采集器收集到的能量，并存储到超级电容C436和超级电容C537里。该能量收集存储电路4包括有电源管理芯片、超级电容C436和超级电容C537。其中电源管理芯片的PZ1端口电性连接综合环境能量采集器的输出端，电源管理芯片的PZ2端口也电性连接综合环境能量采集器的输出端。电源管理芯片的Vin端口电性连接第一电容C1的输入端、超级电容C436的输入端和第一二极管D1的阴极，第一电容C1的输出端电性连接电源管理芯片的CAP端口，第一二极管D1的阳极电性连接超级电容C436的输出端、超级电容C537的输入端和第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极电性连接超级电容C537的输出端、第三电容C3的输入端、电源管理芯片的D0端口和GND端口，第三电容C3的输出端电性连接电源管理芯片的Vin2端口和D1端口。
电源管理芯片的SW端口电性连接第一电感L1的输入端，电源管理芯片的Vout端口电性连接第一电感L1的输出端和第二电容C2的输出端，电源管理芯片的GND端口电性连接第二电容C2的输入端，第二电容C2的输出端电性连接第一电感L1的输出端，第一电感L1的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。
同时第二二极管D2的阳极、超级电容C537的输出端、第三电容C3的输入端、电源管理芯片的D0端口和GND端口以及第二电容C2的输入端均接地。
具体地讲，能量收集存储电路4是基于电源管理芯片、超级电容C436和超级电容C537进行构建的，综合环境能量收集器将收集到能量接到电路中电源管理芯片的PZ1端口和PZ2端口上，该电源管理芯片带有的超低静态电流欠压锁定模式能够把电荷先存储累积在输入超级电容C436和超级电容C537上，直到内部的BUCK型电压转换器能够有效地将存储在超级电容C436和超级电容C537的电荷的一部分转换为稳定的直流输出，同时电源管理芯片的Vin端口与电源管理芯片的CAP端口之间的第一电容C1设置为1μF，可用来去除电压轨之间的耦合。
电源管理芯片的Vin2端口用电容4.7μF的第三电容C3接地，为电压选择位端口提供高电平，且电源管理芯片的D0端口接地。第一二极管D1的接到电源管理芯片的Vin2端口上，可用来选择输出电压。第二电容C2采用10μF的规格，用作输出电容。第一二极管D1和第二二极管D2用来防止超级电容C436和超级电容C537过压，电源管理芯片的SW端口接入10μH的第一电感L1，用来增加PMOS开关的导通时间并通过减少栅极电荷损失来提高效率。
参考图7、图8、图9和图10，应力传感器模块5包括有应力传感器和应力传感器信号调理电路，应力传感器用于监测桥梁的形变状态，并通过应力传感器信号调理电路向信号处理及发送模块发送传感器信号。其中应力传感器模块5通过丙烯酸酯胶黏剂固定在桥墩表面上，同时应力传感器模块5采用石墨烯39作为敏感栅极，酚醛树脂38作为绝缘基片材料，其中石墨烯39采用直角栅格式排布。
应力传感器包括有应变片1、应变片2、应变片3和应变片4，当应变片1、应变片2、应变片3和应变片4的阻值发生变化时，应力传感器信号调理电路就会产生输出电压。值得注意的是，应变片1、应变片2、应变片3和应变片4在放置的过程中，需要注意放置位置。在本实施例中，应变片1和应变片4采用水平安置方式43，应变片2和应变片3采用竖直安置方式44。
具体地讲，当作用在应力传感器上的应力逐渐增大时，石墨烯39之间的共价键40会渐渐发生断裂，从而石墨烯39构成应力传感器的电阻值会逐渐增大，当共价键40处于一小部分共价键断裂41时，应变片1、应变片2、应变片3和应变片4的电阻值就会增大一部分。当共价键40处于一大部分共价键断裂42时，应变片1、应变片2、应变片3和应变片4的电阻值就会相应的增大更大一部分，从而可用来检测作用在应力传感器上面的应力变化。
应力传感器信号调理电路包括有偏置电路、滤波器电路和放大电路。其中偏置电路包括有第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一滑动变阻器W1、第一运算放大器A1和第二运算放大器A2，第一运算放大器A1的反相输入端电性连接第一电阻R1的输出端和应力传感器的输出端，第一电阻R1的输出端电性连接外部电源的正极，第一运算放大器A1的同相输入端电性连接第二电阻R2的输入端和应力传感器的输出端，第二电阻R2的输出端接地，同时第一运算放大器A1的输出端电性连接滤波器电路的输入端，第一运算放大器A1的电源端电性连接第二运算放大器A2的反相输入端和输出端。
第二运算放大器A2的同相输入端电性连接第一滑动变阻器W1的滑片端，第一滑动变阻器W1的输入端电性连接第三电阻R3的输出端，第三电阻R3的输入端电性连接外部电源的正极，第一滑动变阻器W1的输出端电性连接第四电阻R4的输入端，第四电阻R4的输出端接地。
滤波器电路第三运算放大器A3、第六电容C6和第七电容C7，第一运算放大器A1的输出端通过第五电阻R5电性连接第三运算放大器A3的同相输入端、第六电容C6的输入端和第七电阻R7的输入端，第三运算放大器A3的反相输入端电性连接第六电阻R6的输入端、第七电容C7的输入端和第八电阻R8的输入端；第三运算放大器A3一侧的电源端电性连接第六电容C6的输出端和第九电阻R9的输入端，第九电阻R9的输出端电性连接第七电阻R7的输出端和放大电路的输入端，第三运算放大器A3另一侧的电源端电性连接第七电容C7的输出端和第十电阻R10的输入端，第十电阻R10的输出端电性连接第八电阻R8的输出端和放大电路的输入端。
放大电路包括有第四运算放大器A4，第四运算放大器A4的同相输入端电性连接第九电阻R9的输出端和第十一电阻R11的输入端，第四运算放大器A4的反相输入端电性连接第十电阻R10的输出端和第十一电阻R11的输出端，第四运算放大器A4的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。
在检测桥梁形变的过程中，水平安置方式43和竖直安置方式44产生的阻值变化范围会有较大差异，以此可用来保证应力传感器信号调理电路的输出，第一电阻R1和第二电阻R2采用分压的方式提取有效信号，可保证输出信号对与磁场和电场产生的共模干扰耦合关系相互对称，从而保证第一运算放大器A1的差分放大、共模抑制作用，并实现偏置功能。
参考图11，信号处理及发送模块包括有单片机6和ZigBee无线发射模块7，具体地讲，第四运算放大器A4的输出端电性连接信号单片机6的输入端，单片机6对应力传感器信号调理电路发送的传感器信号进行A/D转换，将传感器信号转换为数字量，并根据表示桥梁位置的数据，将A/D转换后的传感器信号，形成完整的一帧数据，通过ZigBee无线发射模块7发送至基站8中，再发送给移动端设备中。
本实施例还提供了一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置的使用方法，该使用方法具体包括如下步骤：
步骤S1：太阳光照射到太阳能收集器1上时，器件会通过光电效应产生电能，桥梁振动时，桥墩上的振动能量收集器2就会通过压电和电磁材料产生电能，风吹动风能收集器3时，转动叶片20转动，器件会通过摩擦生电产生能量。
将太阳能收集器1、振动能量收集器2和风能收集器3的输出端电性连接电源管理芯片的PZ1端口和PZ2端口，然后进行整流、滤波、稳压存储到外部两个超级电容C436和超级电容C537内，为桥梁应力检测装置进行供电。
步骤S2：根据每个位置的应变传感器，对每个应变传感器均设置危险阈值，即预先设置好桥梁振动会产生危险的阈值。
步骤S3：当桥梁发生形变时，应变传感器的阻值随着桥梁的形变发生变化，从而导致偏置电路的输出电压发生变化，同时偏置电路将发生变化的电压通过滤波器电路进行滤波、放大电路进行放大后，发送至单片机6中进行A/D转化，从而可转换为数字信息，通过表示桥梁位置的数据，转换的数字信息科形成完整的一帧数据，通过ZigBee无线发射模块7发送至基站8中，再发送至移动端设备中。
步骤S4：终端设备接收到数据之后，会先进行数据解析，将数据解析为位置数据和桥梁振动数据，并绘制柱状图，同时会将接收到的数据和预先设置的危险阈值进行比较，绘制出预设时间内各时间段内超过危险阈值的次数的折线图。在本实施例中，绘制24小时内各个时间段超过阈值的次数的折线图。
值得注意的是，当接收到的数据超过预先设置的危险阈值时，接收到的数据对应位置的柱状图颜色将会发生变化，当接收到的数据不超过预先设置的危险阈值时，接收到的数据对应位置的柱状图颜色将保持原状不变。即将各个位置的传感器数据与预先设置的危险阈值进行比较，当超过预先设置的危险阈值时，就报警这个位置的振动发生异常，这个位置的柱状图显示颜色改为蓝色，当数据不再超过预先设置的危险阈值时，不再报警，柱状图颜色显示正常，并写入软件日志内，
具体地讲，当在10分钟内数据多次超过预先设置的危险阈值时，报警时间将会增加，屏幕显示为绿色，直到维护人员取消报警，并写入日志内，当在1分钟内数据一直超过预先设置的危险阈值时，屏幕将会一直显示为红色，并提醒维护人员及时查看桥梁状态，直到维护人员取消报警，并写入日志内。
参考图9，该图为手机终端显示界面，从上而下为：振动强度显示柱状图，报警次数显示曲线图，取消报警按钮和查看日志按钮。当桥梁振动动时，会在桥梁的桥墩上产生形变的应力，应力传感器能非常敏锐的检测的这个应力的变化，当可能会导致危险的桥梁振动产生前，应力传感器就能够检测到这个趋势，从而提前修理。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述桥梁应力检测装置包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路(4)、应力传感器模块(5)、信号处理及发送模块和基站(8)，所述综合环境能量采集器通过膨胀螺丝固定在桥墩上，并将采集到的能量转化为电能，同时所述综合环境能量采集器电性连接能量收集存储电路(4)，将所述转化的电能存储在能量收集存储电路(4)内，所述能量收集存储电路(4)电性连接信号处理及发送模块，所述信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块(5)，所述应力传感器模块(5)设置在桥墩上，所述应力传感器模块(5)用于监测桥梁的形变状态，同时所述应力传感器模块(5)向信号处理及发送模块发送传感器信号，所述信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将所述数据发送至基站(8)中，所述基站(8)通过无线传输将所述数据发送至移动端设备中。
2.根据权利要求1所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述综合环境能量采集器包括有太阳能收集器(1)、振动能量收集器(2)和风能收集器(3)，所述太阳能收集器(1)设置在振动能量收集器(2)的上端，所述振动能量收集器(2)设置在风能收集器(3)的上端；
所述太阳能收集器(1)用于将太阳能转化为电能，所述振动能量收集器(2)用于将桥梁振动导致的压电悬臂上下振动转化为电能，所述风能收集器(3)用于将风能转化为电能，所述太阳能收集器(1)、振动能量收集器(2)和风能收集器(3)均将转化的电能发送至能量收集存储电路(4)内。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述能量收集存储电路(4)包括有电源管理芯片、超级电容C4(36)和超级电容C5(37)，所述电源管理芯片的PZ1端口和PZ2端口均电性连接综合环境能量采集器的输出端，所述电源管理芯片的Vin端口电性连接第一电容C1的输入端、超级电容C4(36)的输入端和第一二极管D1的阴极，所述第一电容C1的输出端电性连接电源管理芯片的CAP端口，所述第一二极管D1的阳极电性连接超级电容C4(36)的输出端、超级电容C5(37)的输入端和第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极电性连接超级电容C5(37)的输出端、第三电容C3的输入端、电源管理芯片的D0端口和GND端口，所述第三电容C3的输出端电性连接电源管理芯片的Vin2端口和D1端口；
所述电源管理芯片的SW端口电性连接第一电感L1的输入端，所述电源管理芯片的Vout端口电性连接第一电感L1的输出端和第二电容C2的输出端，所述电源管理芯片的GND端口电性连接第二电容C2的输入端，所述第二电容C2的输出端电性连接第一电感L1的输出端，所述第一电感L1的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。
4.根据权利要求3所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述应力传感器模块(5)通过丙烯酸酯胶黏剂固定在桥墩表面，同时所述应力传感器模块(5)采用石墨烯(39)作为敏感栅极，且所述石墨烯(39)采用直角栅格式排布。
5.根据权利要求3所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述应力传感器模块(5)包括有应力传感器和应力传感器信号调理电路，所述应力传感器用于监测桥梁的形变状态，并通过所述应力传感器信号调理电路向信号处理及发送模块发送传感器信号；
所述应力传感器包括有应变片1、应变片2、应变片3和应变片4，所述应变片1和应变片4均采用水平安置方式(43)，所述应变片2和应变片3采用竖直安置方式(44)。
6.根据权利要求5所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述应力传感器信号调理电路包括有偏置电路、滤波器电路和放大电路，所述偏置电路包括有第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一滑动变阻器W1、第一运算放大器A1和第二运算放大器A2，所述第一运算放大器A1的反相输入端电性连接第一电阻R1的输出端和应力传感器的输出端，所述第一电阻R1的输出端电性连接外部电源的正极，所述第一运算放大器A1的同相输入端电性连接第二电阻R2的输入端和应力传感器的输出端，所述第二电阻R2的输出端接地，同时所述第一运算放大器A1的输出端电性连接滤波器电路的输入端，所述第一运算放大器A1的电源端电性连接第二运算放大器A2的反相输入端和输出端；
所述第二运算放大器A2的同相输入端电性连接第一滑动变阻器W1的滑片端，第一滑动变阻器W1的输入端电性连接第三电阻R3的输出端，所述第三电阻R3的输入端电性连接外部电源的正极，所述第一滑动变阻器W1的输出端电性连接第四电阻R4的输入端，所述第四电阻R4的输出端接地。
7.根据权利要求6所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述滤波器电路第三运算放大器A3、第六电容C6和第七电容C7，所述第一运算放大器A1的输出端通过第五电阻R5电性连接第三运算放大器A3的同相输入端、第六电容C6的输入端和第七电阻R7的输入端，所述第三运算放大器A3的反相输入端电性连接第六电阻R6的输入端、第七电容C7的输入端和第八电阻R8的输入端；所述第三运算放大器A3一侧的电源端电性连接第六电容C6的输出端和第九电阻R9的输入端，所述第九电阻R9的输出端电性连接第七电阻R7的输出端和放大电路的输入端，所述第三运算放大器A3另一侧的电源端电性连接第七电容C7的输出端和第十电阻R10的输入端，所述第十电阻R10的输出端电性连接第八电阻R8的输出端和放大电路的输入端。
8.根据权利要求6所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述放大电路包括有第四运算放大器A4，所述第四运算放大器A4的同相输入端电性连接第九电阻R9的输出端和第十一电阻R11的输入端，所述第四运算放大器A4的反相输入端电性连接第十电阻R10的输出端和第十一电阻R11的输出端，所述第四运算放大器A4的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。
9.根据权利要求6所述一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述信号处理及发送模块包括有单片机(6)和ZigBee无线发射模块(7)，所述第四运算放大器A4的输出端电性连接信号单片机(6)的输入端，所述单片机(6)对应力传感器信号调理电路发送的传感器信号进行A/D转换，并根据表示桥梁位置的数据，将所述A/D转换后的传感器信号通过ZigBee无线发射模块(7)发送至基站(8)中。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法具体包括如下步骤：
S1：所述太阳能收集器(1)将太阳能转化为电能，所述振动能量收集器(2)将桥梁振动导致的压电悬臂上下振动转化为电能，所述风能收集器(3)将风能转化为电能，且所述太阳能收集器(1)、振动能量收集器(2)和风能收集器(3)均将转化的电能发送至能量收集存储电路(4)内，所述能量收集存储电路(4)为桥梁应力检测装置进行供电；
S2：对每个所述应变传感器均设置危险阈值；
S3：所述应变传感器的阻值随着桥梁的形变发生变化，导致所述偏置电路的输出电压发生变化，同时所述偏置电路将发生变化的电压通过滤波器电路进行滤波、放大电路进行放大后，发送至所述单片机(6)中进行A/D转化，转换为数字信息，根据所述表示桥梁位置的数据，所述数字信息形成完整的数据，通过所述ZigBee无线发射模块(7)发送至基站(8)中，再发送至所述移动端设备中；
S4：所述移动端设备将接收到的数据进行解析，并绘制出柱状图，同时将所述接收到的数据和预先设置的危险阈值进行比较，并绘制出预设时间内各时间段内超过所述危险阈值的次数的折线图；
当所述接收到的数据超过预先设置的危险阈值时，所述接收到的数据对应位置的柱状图颜色将会发生变化，当所述接收到的数据不超过预先设置的危险阈值时，所述接收到的数据对应位置的柱状图颜色将保持原状不变。
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