CN111982195A - 一种建筑安全性能监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种建筑安全性能监测装置，利用第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一湿度传感器、第二湿度传感器、信号放大电路、分析处理单元、显示单元、中央处理单元、存储单元以及延时单元对建筑安全性能进行评估，其中使用四个压力传感器设置在墙体内能够实时对施压孔在受压情况下墙体的压力进行测试，两个湿度传感器也能对施压孔内的湿度信号进行实时测试，信号放大电路的应用提高了压力传感器的测试精度，分析处理单元的应用减少了湿度传感器检测的误差，进行提高了对建筑安全性能评估的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及智能评估领域，尤其涉及一种建筑安全性能监测装置。
背景技术
建筑结构设计的安全性是一个比较复杂、系统性较强的问题，主要包括了安全等级划分、设计理念和方法以及结构质量的检验与控制等，是指建筑物具备应有的安全性、耐久性和实用性等基本功能。在建筑结构设计过程中，要寻求质量与经济之间的最大效益平衡点。所以，在建筑结构设计中，为了节约材料或者资源，可能会给建筑结构安全性能带来一定的风险。
现有技术中，建筑安全性能评估方法一般分为两种，一种为人工检测，即由工作人员携带仪器设备前往测试点对建筑物进行检测，此种检测方法的弊端在于，未能发现问题于萌芽，即不能对建筑物进行实时监测，进而无法对建筑物安全进行提前预警；另一种为设备监测，即使用温湿度传感器等测试建筑物外部环境，以及使用图像传感器获取建筑物的图像，然后对采集到的数据和图像进行建模分析，以获知建筑物的安全性能，此种方法的弊端在于，温湿度监测受环境影响较大，测试精度低，同时，图像分析步骤繁琐，在进行实时监测时，受照明的影响，获取的图像清晰度低，因此，现有技术中均无法对建筑进行高精度的实时监测。
发明内容
因此，为了克服上述问题，本发明提供一种建筑安全性能监测装置，利用第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一湿度传感器、第二湿度传感器、信号放大电路、分析处理单元、显示单元、中央处理单元、存储单元以及延时单元对建筑安全性能进行评估，其中使用四个压力传感器设置在墙体内能够实时对施压孔在受压情况下墙体的压力进行测试，两个湿度传感器也能对施压孔内的湿度信号进行实时测试，信号放大电路的应用提高了压力传感器的测试精度，分析处理单元的应用减少了湿度传感器检测的误差，进行提高了对建筑安全性能评估的准确度。
本发明提供的建筑安全性能评估装置包含第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一湿度传感器、第二湿度传感器、信号放大电路、分析处理单元、显示单元、中央处理单元、存储单元以及延时单元。
其中，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器均与信号放大电路的连接，信号放大电路的输出端与分析处理单元的输入端连接，分析处理单元的输出端与中央处理单元的输入端连接，中央处理单元的输出端与显示单元的输入端连接，中央处理单元的输出端还与存储单元的输入端连接。
其中，第一湿度传感器的输出端与延时器的输入端连接，延时器的输出端与分析处理单元的输入端连接，第二湿度传感器的输出端与分析处理单元的输入端连接。
第一湿度传感器和第二湿度传感器设置在施压孔内，第一湿度传感器和第二湿度传感器用于采集施压孔内的湿度信号，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器设置在施压孔外的墙体内，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器均匀设置在施压孔的四周，在向施压孔内壁施加均匀压力时，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器用于检测墙体内部压力信号。
具体地，施压孔为圆柱孔状。
具体地，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器均将采集到的压力信号传输至信号放大电路，信号放大电路包括电阻R1-R4、电容C1-C2以及运算放大器A1。
其中，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器的信号输出端均与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R2的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R1的一端连接，电容C1的另一端还与运算放大器A1的输出端连接，电阻R3的一端接地，电阻R3的另一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电容C2的一端接地，电容C2的另一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电阻R4的一端与电容C2的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R3的另一端连接，运算放大器A1的输出端与分析处理单元的输入端连接。
具体地，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器用于检测墙体内部压力信号，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器均将采集到的压力信号传输至信号放大电路，信号放大电路将处理后的压力信号传输至分析处理单元。
其中，分析处理单元将在第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器的同一采样周期内采集的四个压力信号两两进行比较，第一压力传感器经信号放大电路处理后的压力信号为X1(t)，第二压力传感器经信号放大电路处理后的压力信号为X2(t)，第三压力传感器经信号放大电路处理后的压力信号为X3(t)，第四压力传感器经信号放大电路处理后的压力信号为X4(t)，分析处理单元将提取压力信号X1(t)的最大峰值为A1、压力信号X2(t)的最大峰值为A2、压力信号X3(t)的最大峰值为A3、压力信号X4(t)的最大峰值为A4，并计算丨A1-A2丨、丨A1-A3丨、丨A1-A4丨、丨A2-A3丨、丨A2-A4丨、丨A3-A4丨的值，并将上述值与分析处理单元内存储的压力阈值进行比较，若上述值中任一值大于或等于压力阈值，则分析处理单元发送建筑安全预警信息至中央处理单元，中央处理单元将接收到的建筑安全预警信息传输至显示单元进行显示，中央处理单元将接收到的建筑安全预警信息传输至存储单元进行存储，若上述值均小于压力阈值，则分析处理单元发送建筑安全信息至中央处理单元，中央处理单元将接收到的建筑安全信息传输至显示单元进行显示，中央处理单元将接收到的建筑安全信息传输至存储单元进行存储。
具体地，第一湿度传感器和第二湿度传感器设置在施压孔内，第一湿度传感器和第二湿度传感器用于采集施压孔内的湿度信号，第一湿度传感器在t时刻采集的湿度信号为Y1(t)，第二湿度传感器在t时刻采集的湿度信号为Y2(t)，延时器对信号Y1(t)延时存储，待第二湿度传感器在t+1时刻采集到湿度信号Y2(t+1)时，延时器释放信号湿度信号Y1(t)，此时，湿度信号Y1(t)与湿度信号Y2(t+1)共同传输至分析处理单元，分析处理单元对接收到的两个信号进行信号处理后得到信号Y0(t+1)，其中，
分析处理单元提取湿度信号Y2(t+1)的最大峰值B，分析处理单元将最大峰值B传输至中央处理单元。
具体地，压力阈值根据最大峰值B设定，定义一标准压力值为F，一标准湿度值为E，则压力阈值Fref=(E/B)F。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明提供一种建筑安全性能监测装置，利用第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一湿度传感器、第二湿度传感器、信号放大电路、分析处理单元、显示单元、中央处理单元、存储单元以及延时单元对建筑安全性能进行评估，其中使用四个压力传感器设置在墙体内能够实时对施压孔在受压情况下墙体的压力进行测试，两个湿度传感器也能对施压孔内的湿度信号进行实时测试，信号放大电路的应用提高了压力传感器的测试精度，分析处理单元的应用减少了湿度传感器检测的误差，进行提高了对建筑安全性能评估的准确度。
（2）本发明提供的一种建筑安全性能监测装置，本发明的发明点还在于，在本发明中对压力传感器进行信号处理时，传统信号放大电路中实际使用中传统电阻的阻值并不恒定。它们会受机械负载和温度的影响。根据需求的不同，使用具有不同容差的电阻或匹配电阻对（或网络），其大部分使用薄膜技术制造并具有精确的比值稳定性。利用这些匹配的电阻网络，可以大幅提高放大器电路的整体 CMRR。
（3）本发明提供的一种建筑安全性能监测装置，使用延时器对当前时刻的湿度信号和上一时刻的湿度信号进行对比，能够有效滤除大部分噪声信号，再通过与当前信号和上一时刻信号的比值，能够使湿度信号更加平滑和稳定，进而大大提高了湿度测试的精度，且根据湿度值而确定压力阈值，充分考虑了湿度与压力的影响，使建筑安全性能评估更准确。
附图说明
图1为本发明的建筑安全性能评估装置的结构图；
图2为本发明的墙体压力测试的示意图；
图3为本发明的墙体湿度测试的示意图；
图4为传统信号放大电路的电路图；
图5为本发明的信号放大电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提供的建筑安全性能评估装置进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的建筑安全性能评估装置包含第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5、第一湿度传感器6、第二湿度传感器7、信号放大电路、分析处理单元、显示单元、中央处理单元、存储单元以及延时单元。
如图2所示，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5均与信号放大电路的连接，信号放大电路的输出端与分析处理单元的输入端连接，分析处理单元的输出端与中央处理单元的输入端连接，中央处理单元的输出端与显示单元的输入端连接，中央处理单元的输出端还与存储单元的输入端连接。
如图3所示，第一湿度传感器6的输出端与延时器的输入端连接，延时器的输出端与分析处理单元的输入端连接，第二湿度传感器7的输出端与分析处理单元的输入端连接。
第一湿度传感器6和第二湿度传感器7设置在施压孔1内，第一湿度传感器6和第二湿度传感器7用于采集施压孔内的湿度信号，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5设置在施压孔1外的墙体8内，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5均匀设置在施压孔1的四周，在向施压孔1内壁施加均匀压力时，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5用于检测墙体8内部压力信号。
上述实施方式中，利用第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5、第一湿度传感器6、第二湿度传感器7、信号放大电路、分析处理单元、显示单元、中央处理单元、存储单元以及延时单元对建筑安全性能进行评估，其中使用四个压力传感器设置在墙体8内能够实时对施压孔1在受压情况下墙体8的压力进行测试，两个湿度传感器也能对施压孔1内的湿度信号进行实时测试，信号放大电路的应用提高了压力传感器的测试精度，分析处理单元的应用减少了湿度传感器检测的误差，进行提高了对建筑安全性能评估的准确度。
进一步地，施压孔1为圆柱孔状。
在对传感器采集的数据进行处理时，经常需要使用信号放大电路，如图4所示，理想情况下，信号放大电路中的电阻应仔细选择，其比值应相同 （r2/ r 1 = r 4/ r 3），这些比值有任何偏差都将导致不良的共模误差。信号放大电路抑制这种共模误差的能力以共模抑制比（CMRR）来表示。它表示输出电压如何随相同的输入电压（共模电压）而变化。在最佳情况下，输出电压不应该改变，因为它只取决于两个输入电压之间的差值（最大 CMRR）；但是，实际使用中情况会有所不同。CMRR 是信号放大电路的重要特性，通常以 dB 来表示。对于图 4所示的信号放大电路，CMRR 取决于运算放大器A本身以及外部连接的电阻r1-r4，电阻的共模误差CMRRR利用下式计算：
其中，G为信号放大电路的增益，△为电阻匹配精度。
但是在本发明中对压力传感器进行信号处理时，传统信号放大电路中实际使用中传统电阻的阻值并不恒定。它们会受机械负载和温度的影响。根据需求的不同，使用具有不同容差的电阻或匹配电阻对（或网络），其大部分使用薄膜技术制造并具有精确的比值稳定性。利用这些匹配的电阻网络，可以大幅提高放大器电路的整体 CMRR。
进一步地，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5均将采集到的压力信号传输至信号放大电路，信号放大电路包括电阻R1-R4、电容C1-C2以及运算放大器A1。
如图5所示，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5的信号输出端均与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R2的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R1的一端连接，电容C1的另一端还与运算放大器A1的输出端连接，电阻R3的一端接地，电阻R3的另一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电容C2的一端接地，电容C2的另一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电阻R4的一端与电容C2的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R3的另一端连接，运算放大器A1的输出端与分析处理单元的输入端连接。
对于本发明提供的信号放大电路，其共模误差CMRRTotal利用下式计算：
其中，G为信号放大电路的增益，△为电阻匹配精度，CMRRop为运算放大器A1的共模抑制比。
进一步地，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5用于检测墙体8内部压力信号，第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5均将采集到的压力信号传输至信号放大电路，信号放大电路将处理后的压力信号传输至分析处理单元。
其中，分析处理单元将在第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4、第四压力传感器5的同一采样周期内采集的四个压力信号两两进行比较，第一压力传感器2经信号放大电路处理后的压力信号为X1(t)，第二压力传感器3经信号放大电路处理后的压力信号为X2(t)，第三压力传感器4经信号放大电路处理后的压力信号为X3(t)，第四压力传感器5经信号放大电路处理后的压力信号为X4(t)，分析处理单元将提取压力信号X1(t)的最大峰值为A1、压力信号X2(t)的最大峰值为A2、压力信号X3(t)的最大峰值为A3、压力信号X4(t)的最大峰值为A4，并计算丨A1-A2丨、丨A1-A3丨、丨A1-A4丨、丨A2-A3丨、丨A2-A4丨、丨A3-A4丨的值，并将上述值与分析处理单元内存储的压力阈值进行比较，若上述值中任一值大于或等于压力阈值，则分析处理单元发送建筑安全预警信息至中央处理单元，中央处理单元将接收到的建筑安全预警信息传输至显示单元进行显示，中央处理单元将接收到的建筑安全预警信息传输至存储单元进行存储，若上述值均小于压力阈值，则分析处理单元发送建筑安全信息至中央处理单元，中央处理单元将接收到的建筑安全信息传输至显示单元进行显示，中央处理单元将接收到的建筑安全信息传输至存储单元进行存储。
进一步地，第一湿度传感器6和第二湿度传感器7设置在施压孔1内，第一湿度传感器6和第二湿度传感器7用于采集施压孔内的湿度信号，第一湿度传感器6在t时刻采集的湿度信号为Y1(t)，第二湿度传感器7在t时刻采集的湿度信号为Y2(t)，延时器对信号Y1(t)延时存储，待第二湿度传感器在t+1时刻采集到湿度信号Y2(t+1)时，延时器释放信号湿度信号Y1(t)，此时，湿度信号Y1(t)与湿度信号Y2(t+1)共同传输至分析处理单元，分析处理单元对接收到的两个信号进行信号处理后得到信号Y0(t+1)，其中，
分析处理单元提取湿度信号Y2(t+1)的最大峰值B，分析处理单元将最大峰值B传输至中央处理单元。
进一步地，压力阈值根据最大峰值B设定，定义一标准压力值为F，一标准湿度值为E，则压力阈值Fref=(E/B)F。
上述实施方式中，使用延时器对当前时刻的湿度信号和上一时刻的湿度信号进行对比，能够有效滤除大部分噪声信号，再通过与当前信号和上一时刻信号的比值，能够使湿度信号更加平滑和稳定，进而大大提高了湿度测试的精度，且根据湿度值而确定压力阈值，充分考虑了湿度与压力的影响，使建筑安全性能评估更准确。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种建筑安全性能监测装置，其特征在于，所述建筑安全性能评估装置包含第一压力传感器（2）、第二压力传感器（3）、第三压力传感器（4）、第四压力传感器（5）、第一湿度传感器（6）、第二湿度传感器（7）、信号放大电路、分析处理单元、显示单元、中央处理单元、存储单元以及延时单元；
其中，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）均与所述信号放大电路的连接，所述信号放大电路的输出端与所述分析处理单元的输入端连接，所述分析处理单元的输出端与所述中央处理单元的输入端连接，所述中央处理单元的输出端与所述显示单元的输入端连接，所述中央处理单元的输出端还与所述存储单元的输入端连接；
其中，所述第一湿度传感器（6）的输出端与所述延时器的输入端连接，所述延时器的输出端与所述分析处理单元的输入端连接，所述第二湿度传感器（7）的输出端与所述分析处理单元的输入端连接；
所述第一湿度传感器（6）和所述第二湿度传感器（7）设置在施压孔（1）内，所述第一湿度传感器（6）和所述第二湿度传感器（7）用于采集所述施压孔内的湿度信号，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）设置在所述施压孔（1）外的墙体（8）内，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）均匀设置在所述施压孔（1）的四周，在向所述施压孔（1）内壁施加均匀压力时，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）用于检测所述墙体（8）内部压力信号。
2.根据权利要求1所述的建筑安全性能评估装置，其特征在于，所述施压孔（1）为圆柱孔状。
3.根据权利要求1所述的建筑安全性能评估装置，其特征在于，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）均将采集到的压力信号传输至所述信号放大电路，所述信号放大电路包括电阻R1-R4、电容C1-C2以及运算放大器A1；
其中，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）的信号输出端均与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R2的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R1的一端连接，电容C1的另一端还与运算放大器A1的输出端连接，电阻R3的一端接地，电阻R3的另一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电容C2的一端接地，电容C2的另一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电阻R4的一端与电容C2的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R3的另一端连接，运算放大器A1的输出端与所述分析处理单元的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的建筑安全性能评估装置，其特征在于，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）用于检测所述墙体（8）内部压力信号，所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）均将采集到的压力信号传输至所述信号放大电路，所述信号放大电路将处理后的压力信号传输至所述分析处理单元；
其中，所述分析处理单元将在所述第一压力传感器（2）、所述第二压力传感器（3）、所述第三压力传感器（4）、所述第四压力传感器（5）的同一采样周期内采集的四个压力信号两两进行比较，所述第一压力传感器（2）经所述信号放大电路处理后的压力信号为X1(t)，所述第二压力传感器（3）经所述信号放大电路处理后的压力信号为X2(t)，所述第三压力传感器（4）经所述信号放大电路处理后的压力信号为X3(t)，所述第四压力传感器（5）经信号放大电路处理后的压力信号为X4(t)，所述分析处理单元将提取压力信号X1(t)的最大峰值为A1、压力信号X2(t)的最大峰值为A2、压力信号X3(t)的最大峰值为A3、压力信号X4(t)的最大峰值为A4，并计算丨A1-A2丨、丨A1-A3丨、丨A1-A4丨、丨A2-A3丨、丨A2-A4丨、丨A3-A4丨的值，并将上述值与所述分析处理单元内存储的压力阈值进行比较，若上述值中任一值大于或等于所述压力阈值，则所述分析处理单元发送建筑安全预警信息至所述中央处理单元，所述中央处理单元将接收到的建筑安全预警信息传输至显示单元进行显示，所述中央处理单元将接收到的建筑安全预警信息传输至存储单元进行存储，若上述值均小于所述压力阈值，则所述分析处理单元发送建筑安全信息至所述中央处理单元，所述中央处理单元将接收到的建筑安全信息传输至显示单元进行显示，所述中央处理单元将接收到的建筑安全信息传输至存储单元进行存储。
5.根据权利要求4所述的建筑安全性能评估装置，其特征在于，所述第一湿度传感器（6）和所述第二湿度传感器（7）设置在施压孔（1）内，所述第一湿度传感器（6）和所述第二湿度传感器（7）用于采集所述施压孔内的湿度信号，所述第一湿度传感器（6）在t时刻采集的湿度信号为Y1(t)，所述第二湿度传感器（7）在t时刻采集的湿度信号为Y2(t)，所述延时器对信号Y1(t)延时存储，待所述第二湿度传感器在t+1时刻采集到湿度信号Y2(t+1)时，所述延时器释放信号湿度信号Y1(t)，此时，湿度信号Y1(t)与湿度信号Y2(t+1)共同传输至所述分析处理单元，所述分析处理单元对接收到的两个信号进行信号处理后得到信号Y0(t+1)，其中，
所述分析处理单元提取湿度信号Y2(t+1)的最大峰值B，所述分析处理单元将最大峰值B传输至所述中央处理单元。
6.根据权利要求5所述的建筑安全性能评估装置，其特征在于，所述压力阈值根据所述最大峰值B设定，定义一标准压力值为F，一标准湿度值为E，则压力阈值Fref=(E/B)F。
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