CN114942097A - 一种桥梁锚下预应力无线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁锚下预应力无线监测装置及方法，包括锚索计、无线发射模块、Lora网关和PC端服务器，锚索计通过电缆连接无线发射模块，无线发射模块采集的数据传输至Lora网关，Lora网关接收的数据传输至PC端服务器。使用智能千斤顶逐级施加与锚下预应力方向相反的拉力，弹性合金筒体的承载面用于承载逐级施加的荷载，使合金筒体产生轴向变形，焊接在其内部的振弦传感器同步变形；振弦传感器变形后产生应力变化，从而改变振弦的振动频率，振弦振动后在磁场中切割磁场线，所产生的感应电动势通过电缆传输至无线发射模块。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体为一种桥梁锚下预应力无线监测装置及方法。
背景技术
目前，对于桥梁锚下预应力的检测主要采用不锈钢制造的振弦式应变计，其具有很高的精度和灵敏度、卓越的防水性能、耐腐蚀性和长期稳定性。由专用的四芯屏蔽电缆传输频率和温度电阻信号，频率信号不受电缆长度的影响。适合在恶劣的环境下长期监测建筑物的应变变化。但是，现有的桥梁有线检测系统由于布线复杂及测量精度受布线影响较大等原缺点，在实际使用中受到了较大的限制。
现有的振弦传感器已经可以作为出高精度的数据采集接节点，但是传输距离较短，为此我们提出一种桥梁锚下预应力无线监测装置及方法用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥梁锚下预应力无线监测装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种桥梁锚下预应力无线监测装置，包括带有电缆的锚索计、无线发射模块、Lora网关和PC端服务器，所述电缆的另一端连接有无线发射模块，所述无线发射模块采集的数据传输至Lora网关，所述Lora网关接收的数据传输至PC端服务器。
优选的，所述锚索计包括均匀的弹性合金筒体，所述合金筒体的顶部设有承载面，所述合金筒体的内壁周侧固定连接有若干振弦传感器，所述振弦传感器电性连接电缆。
优选的，所述承载面用于承载逐级施加的荷载，使合金筒体产生轴向变形，焊接在其内部的振弦传感器也会同步变形。
优选的，所述无线发射模块包括电缆接口、单片机、Lora模块、壳体，所述无线发射模块设在壳体内，所述壳体的一侧固定连接有电缆接口，所述电缆接口连接电缆的一端，所述壳体的内部一侧设有棒状天线，所述Lora模块由单片机驱动，所述棒状天线与lora模块连接
优选的，所述电缆接口共有4个引脚孔，分别用于连接温度数据线和电动势信号线的阴阳极。
优选的，所述单片机采用STM32F103系列芯片。
本发明还提供一种桥梁锚下预应力无线监测方法，具体步骤如下：
S1、使用智能千斤顶逐级施加与锚下预应力方向相反的拉力，弹性合金筒体的承载面用于承载逐级施加的荷载，使合金筒体产生轴向变形，焊接在其内部的振弦传感器同步变形；
S2、振弦传感器变形后产生应力变化，从而改变振弦的振动频率，振弦振动后在磁场中切割磁场线，所产生的感应电动势通过电缆传输至无线发射模块；
S3、电缆传输的振动频率电信号传至无线发射模块内的单片机，单片机自带的ADC引脚进行数模转换并采集数据，并进行FFT变换获取信号振动频率；
S4、步骤S3中单片机计算所得的预应力数据传输给Lora模块,Lora模块再把数据发送给Lora网关，Lora网关将接收到的数据传输到PC端服务器，PC端服务器对接收的数据建立数据模型，进行识别分析、健康评价等。
优选的，所述S2中振动频率与应变的转换公式为：
其中，ε为应变值，G为仪器标准系数，C为平均修正系数，fi为当前振动频率，f0为初始振动频率。
优选的，所述S3中单片机获取振动频率的程序方法为：
Q1、配置定时器触发ADC引脚进行数据采集和模数转换，由于定时器触发，因此也可知道数据采样频率FS；
Q2、配置DMA中断服务函数，DMA的模式是循环读取模式，内存大小可自定义，所以单片机ADC在定时器触发之后，读取到n个数据就自动进入DMA中断服务函数；
Q3、在进入中断服务函数后，失能DMA，根据STM32官方提供的DSP库所含的FFT函数void cr4_fft_1024_stm32(void*pssOUT,void*pssIN,u16 Nbin)进行FFT运算，最后使能DMA；由理论知识可知，FFT转换后幅值最大值所对应即为信号频率，信号频率计算如下：
其中，FS为数据采样频率，N为FFT点数，可设置为1024或256，n为信号幅值最大时所对应的点数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、解决现有的桥梁有线检测系统由于布线复杂及测量精度受布线影响较大等原缺点，采用无线发射使测量更加方便；
2、相较于现有无线技术，本发明使用的无线技术具有更远的距离传输和更低的能耗，同时可实现多节点采集；
3、可实时在PC端服务器查看和分析预应力数据，实现长期实时监测。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明无线发射模块电路原理图；
图3为本发明实施例二结构示意图。
图中：锚索计1、合金筒体2、振弦传感器3、电缆4、承载面5、无线发射模块6、电缆接口7、单片机8、Lora模块9、Lora网关10、PC端服务器11、单片机最小系统电路12、单片机电路13、Lora无线模块电路14、电缆接口电路15。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1、2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种桥梁锚下预应力无线监测装置，包括带有电缆4的锚索计1、无线传输模块6、Lora网关10和PC端服务器11，锚索计1包括均匀的弹性合金筒体2，合金筒体2的顶部设有承载面5，合金筒体2的内壁周侧固定连接有若干振弦传感器3，若干振弦传感器3电性连接电缆4。
承载面5用于承载逐级施加的荷载，使合金筒体2产生轴向变形，焊接在其内部的振弦传感器3也会同步变形。
电缆4的另一端连接有无线发射模块6，无线发射模块6包括电缆接口7、单片机8、Lora模块9、壳体16，无线发射模块6设在壳体16内，单片机8还包括单片机最小系统，单片机最小系统为当单片机8工作提供电源、时钟、复位等，单片机8采用STM32F103系列芯片，用STM32F103自带的ADC引脚进行数模转换并采集数据，壳体16的一侧固定连接有电缆接口7，电缆接口7共有4个引脚孔，分别用于连接温度数据线和电动势信号线的阴阳极。电缆接口7连接电缆4的一端，壳体16的内部一侧设有棒状天线，Lora模块9由单片机8驱动，棒状天线与lora模块连接，单片机8对电缆4传输的电动势信号进行数据采集，并进行处理和计算得到信号频率，然后通过SPI接口传输给Lora模块9，Lora模块9将该数据发送至远端的Lora网关10；Lora网关10对数据进行接收，并将接收的数据传输至PC端服务器11，PC端服务器11对采集到的数据进行实时数据分析和处理。
本发明还提供了一种桥梁锚下预应力无线监测方法，包括如下步骤：
S1、使用智能千斤顶逐级施加与锚下预应力方向相反的拉力，弹性合金筒体2的承载面5用于承载逐级施加的荷载，使合金筒体2产生轴向变形，焊接在其内部的振弦传感器3同步变形；
S2、振弦传感器3变形后产生应力变化，从而改变振弦的振动频率，振弦振动后在磁场中切割磁场线，所产生的感应电动势通过电缆4传输至无线发射模块6；
步骤中振动频率与应变的转换公式为：
其中，ε为应变值，G为仪器标准系数，C为平均修正系数，fi为当前振动频率，f0为初始振动频率。因为振弦传感器3的钢弦与钢结构具有相同的温度膨胀系数12.2με/℃，通常不必修正；
S3、电缆4传输的振动频率电信号传至无线发射模块6内的单片机8，无线发射模块6的电缆接口7共有4个引脚孔，分别用于连接温度数据线和电动势信号线的阴阳极，测量温度值和振动频率，单片机8采用STM32G030系列芯片，使用自带的ADC引脚进行数模转换并采集数据，并进行FFT变换获取信号振动频率；
步骤中无线发射模块6的电路原理图如图2所示，其主要包含了单片机最小系统电路12、单片机电路13、Lora模块电路14和电缆接口电路15，并且单片机最小系统电路12主要包含无线发射模块6的供电电路、晶振电路、复位电路、下载电路、电池监控电路；单片机电路13是整个无线发射模块6的核心，连接和控制各个模块；Lora模块电路14与单片机通过6个IO口连接；电缆接口电路15的两个接口连接至单片机8的ADC引脚；
步骤中使用单片机8获取振动频率的程序方法为：
Q1、配置定时器触发ADC引脚进行数据采集和模数转换，由于定时器触发，因此也可知道数据采样频率FS；
Q2、配置DMA中断服务函数，DMA的模式是循环读取模式，内存大小可自定义，所以单片机ADC在定时器触发之后，读取到n个数据就自动进入DMA中断服务函数；
Q3、在进入中断服务函数后，失能DMA，根据STM32官方提供的DSP库所含的FFT函数void cr4_fft_1024_stm32(void*pssOUT,void*pssIN,u16 Nbin)进行FFT运算，最后使能DMA；由理论知识可知，FFT转换后幅值最大值所对应即为信号频率，信号频率计算如下：
其中，FS为数据采样频率，N为FFT点数，可设置为1024或256，n为信号幅值最大时所对应的点数。
S4、步骤S3中单片机8计算所得的预应力数据传输给Lora模块9,Lora模块9再把数据发送给Lora网关10，Lora网关10将接收到的数据传输到PC端服务器11，PC端服务器11对接收的数据建立数据模型，进行识别分析、健康评价等。
实施例2
参照图1-3，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，具体的，将单个振弦传感器3通过电缆4连接无线发射模块6，单个振弦传感器3输出的电势信号传入无线发射模块6，无线发射模块6的结构和剩余实施步骤与实施例一相同，进而识别分析单个振弦传感器3的数据模型。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种桥梁锚下预应力无线监测装置，包括带有电缆(4)的锚索计(1)、无线发射模块(6)、Lora网关(10)和PC端服务器(11)，其特征在于：所述电缆(4)的另一端连接有无线发射模块(6)，所述无线发射模块(6)采集的数据传输至Lora网关(10)，所述Lora网关(10)接收的数据传输至PC端服务器(11)。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁锚下预应力无线监测装置，其特征在于：所述锚索计(1)包括均匀的弹性合金筒体(2)，所述合金筒体(2)的顶部设有承载面(5)，所述合金筒体(2)的内壁周侧固定连接有若干振弦传感器(3)，所述振弦传感器(3)电性连接电缆(4)。
3.根据权利要求2所述的一种桥梁锚下预应力无线监测装置，其特征在于：所述承载面(5)用于承载逐级施加的荷载，使合金筒体(2)产生轴向变形，焊接在其内部的振弦传感器(3)也会同步变形。
4.根据权利要求1所述的一种桥梁锚下预应力无线监测装置，其特征在于：所述无线发射模块(6)包括电缆接口(7)、单片机(8)、Lora模块(9)、壳体(16)，所述无线发射模块(6)设在壳体(16)内，所述壳体(16)的一侧固定连接有电缆接口(7)，所述电缆接口(7)连接电缆(4)的一端，所述壳体(16)的内部一侧设有棒状天线，所述Lora模块(9)由单片机(8)驱动，所述棒状天线与Lora模块(9)连接。
5.根据权利要求4所述的一种桥梁锚下预应力无线监测装置，其特征在于：所述电缆接口(7)共有4个引脚孔，分别用于连接温度数据线和电动势信号线的阴阳极。
6.根据权利要求4所述的一种桥梁锚下预应力无线监测装置及方法，其特征在于：所述单片机(8)采用STM32F103系列芯片。
7.根据权利要求1-6所述的一种桥梁锚下预应力无线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、使用智能千斤顶逐级施加与锚下预应力方向相反的拉力，弹性合金筒体(2)的承载面(5)用于承载逐级施加的荷载，使合金筒体(2)产生轴向变形，焊接在其内部的振弦传感器(3)同步变形；
S2、振弦传感器(3)变形后产生应力变化，从而改变振弦的振动频率，振弦振动后在磁场中切割磁场线，所产生的感应电动势通过电缆(4)传输至无线发射模块(6)；
S3、电缆(4)传输的振动频率电信号传至无线发射模块(6)内的单片机(8)，单片机(8)自带的ADC引脚进行数模转换并采集数据，并进行FFT变换获取信号振动频率；
S4、步骤S3中单片机(8)计算所得的预应力数据传输给Lora模块(9),Lora模块(9)再把数据发送给Lora网关(10)，Lora网关(10)将接收到的数据传输到PC端服务器(11)，PC端服务器(11)对接收的数据建立数据模型，进行识别分析、健康评价等。
8.根据权利要求7所述的一种桥梁锚下预应力无线监测方法，其特征在于：所述S2中振动频率与应变的转换公式为：ε＝G×C×(fi 2-f0 2)，其中，ε为应变值，G为仪器标准系数，C为平均修正系数，fi为当前振动频率，f0为初始振动频率。
9.根据权利要求7所述的一种桥梁锚下预应力无线监测方法，其特征在于：所述S3中单片机(8)获取振动频率的程序方法为：
Q1、配置定时器触发ADC引脚进行数据采集和模数转换，由于定时器触发，因此也可知道数据采样频率FS；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220826 |