CN115876317A - 一种基于加速度计的桥梁振动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加速度计的桥梁振动监测系统，本发明属于基础设施状态监测与智能感知领域，包括：数据采集模块、数据传输模块和数据监测模块；其中数据采集模块、数据传输模块和数据监测模块依次连接；数据采集模块，用于通过加速度传感器采集桥梁整体的加速度数据；数据传输模块，用于通过无线传输方式将加速度数据传输至网络协调器；数据监测模块，用于通过上位机接收网络协调器发送的一定时间间隔的加速度数据并转换成振动数据，基于振动数据实现监测桥梁振动。本发明具有精度高、扩展性强、实用性好，可依据桥梁具体需求设定阈值参数误差范围，达到预警效果，满足桥梁振动监测需求。
Description
技术领域
本发明属于基础设施状态监测与智能感知领域，特别是涉及一种基于加速度计的桥梁振动监测系统。
背景技术
为了保障道路行车安全，需要对桥梁状态进行监测，及时发现桥梁的安全隐患并对桥梁异常状况进行处理，有效防止安全事故发生。其中，对桥梁振动情况进行有效测量与采集已成为桥梁运营监测工作的一项重要内容。
桥梁振动监测的方法有很多，例如激光测振、CCD测振、光纤光栅测振、加速度测振、雷达测振等。其中，加速度测振一般使用加速度计进行测量，加速度计作为一种能够测量加速力的电子设备，可以方便测出加速度。目前应用比较广泛的是压电式加速度传感器，其原理简单，主要利用石英晶体的压电效应，当加速度计受振时，质量块作用于压电元件上的力也随之相应变化，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，此时力的变化值与被测加速度成正比，经数值转换后达到测量振动目的。
传统的振动监测是通过采集桥梁局部点位数据从而得到局部的振动，其他点位发生振动则无法获取，故无法完成对桥梁整体的振动监测。此外，一般的振动监测只满足于对数据的采集记录，而缺失对数据的处理分析，无法起到监测预警的作用。因此，对桥梁整体振动测量方法进行研究并开发一套系统用于处理桥梁振动数据，同时提供异常值预警是亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于加速度计的桥梁振动监测系统，以解决上述现有技术存在桥梁振动数据处理不完备和桥梁整体振动状态监测不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于加速度计的桥梁振动监测系统，包括：数据采集模块、数据传输模块和数据监测模块；其中所述数据采集模块、所述数据传输模块和所述数据监测模块依次连接；
所述数据采集模块，用于通过加速度传感器采集桥梁整体的加速度数据；
所述数据传输模块，用于通过无线传输方式将所述加速度数据传输至网络协调器；
所述数据监测模块，用于通过上位机接收所述网络协调器发送的一定时间间隔的加速度数据并转换成振动数据，基于所述振动数据以实现监测桥梁振动。
优选地，所述数据采集模块包括：传感器安装单元和数据测量单元；其中所述传感器安装单元、所述数据测量单元分别与所述数据传输模块连接；
所述传感器安装单元，用于基于桥梁车速，计算传感器布设间隔距离，基于所述间隔距离在桥梁下表面安装若干个加速度传感器；
所述数据测量单元，用于基于若干个加速度传感器协同测量获得各节点加速度数据后，通过数值积分得到桥梁不同部位的振动幅度和X/Y/Z轴角度。
优选地，所述数据传输模块包括：传输单元和接收单元；其中所述传输单元、所述接收单元分别与所述数据监测模块连接；
所述传输单元，用于通过ZigBee无线传输模块将各节点的加速度数据汇总传输至接收单元；
所述接收单元，用于接收各节点的加速度数据并处理打包所述加速度数据。
优选地，所述接收单元采用网络协调器，所述网络协调器包括：CC2530芯片处理器模块、RF射频通信模块、电源管理模块、接口模块、天线模块和GPRS扩展通信模块。
优选地，所述数据监测模块包括：显示单元和转换单元；
所述显示单元，用于将所述加速度数据通过上位机监控软件在界面上显示各节点不同方向加速度数据的变化情况；
所述转换单元，用于将所述加速度数据通过对时间积分转换成振动数据，基于所述振动数据以实现监测桥梁振动。
优选地，所述转换单元中，对所述加速度数据进行处理，得到桥梁振动情况的判断结果，并且存储、查询和输出所述加速度数据，当桥梁的振动数据发生异常时及时报警。
优选地，所述转换单元中，将所述振动数据导入数据处理工具，并建立横坐标为时间纵坐标为频率的坐标系，设置时间间隔，得到随时间变化的振动图像。
优选地，所述上位机的功能包括：用户数据管理、加速度校准、角度检测频率、数据上报频率、桥梁不同部位振动幅度、X/Y/Z轴角度唤醒、振动唤醒加速度阈值和异常振动报警。
本发明的技术效果为：
本发明提供了一种基于加速度计的桥梁振动监测系统，通过安放在桥梁下表面的加速度传感器，采集桥梁整体的加速度数据，加速度传感器通过ZigBee方式与网络协调器进行通信，网络协调器收到各采集点数据进行打包定时发送至上位机，上位机可对加速度计和网络协调器进行参数设置，对获取的监测数据进行处理分析，对异常状况进行报警，同时保存结果。
本发明涉及基础设施状态监测领域，使用若干个加速度计设备协同测量各个节点数据，获得较为全面的原始数据；通过协调器汇总数据发送至上位机，既提升了数据发送的效率，节省了各节点单独发送的能量消耗，使设备待机时间得到了延长，又为后续增补测量设备提供了一定的扩展空间；上位机计算分析得到桥梁振动数据，能够更直观监测桥梁振动状态，对异常状态及时做出预警提高监测效率。本发明具有精度高、扩展性强、实用性好，可依据桥梁具体需求设定预定参数误差范围，达到预警效果，满足桥梁振动监测需求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的桥梁振动监测系统示意图；
图2为本发明实施例中的无线监测系统示意图；
图3为本发明实施例中的协调器结构示意图；
图4为本发明实施例中的上位机功能示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一：如图1所示，本实施例中提供一种基于加速度计的桥梁振动监测系统，包括：
对桥梁整体进行振动监测时，需要在桥梁车道下表面安装若干个加速度传感器，主要用于采集各点位的加速度数据。一般城市桥梁对于车辆行驶的车速是40至60公里/小时，按照最快车速以16.7米/秒通过桥梁，以间隔8米的距离在桥梁下表面安装多个加速度传感器进行数据的采集。每个节点采集到的数据通过ZigBee无线传输模块将信息汇总到网络协调器，协调器收集每个节点的加速度数据之后将数据按照一定时间间隔发送至上位机进行数据处理，如图2所示。
其中，协调器包括CC2530芯片处理器模块、RF射频通信模块、电源管理模块、接口模块、天线模块、GPRS扩展通信模块，如图2所示。CC2530处理器内核实质为增强型的51单片机，主要对接收到的各个传感器数据进行简单处理打包，并以一定时间间隔发送至上位机进行运算分析；RF射频通信模块用于协调器与各传感器节点之间的无线通信；Whip天线模块可以扩大无线通信的距离，并使通信过程中没那么容易收到外部环境干扰；电源管理模块采用外接电源和干电池联合供电的方法，平时由外部电源进行设备供电，一旦外部电源出现故障，干电池还可以为系统提供稳定电压保障系统各个节点正常工作；接口模块主要提供包括JTAG下载接口、DC供电接口、USB转串口等，使得节点扩展应用更为方便灵活；GPRS扩展通信模块用于将数据传输至上位机，如图3所示。
上位机接需要将采集到的加速度数据通过对时间的一次积分转换成振动数据，取一次接收数据中频率最高的数据作为桥梁当前的振动数据，接着将数据导入数据处理工具，建立横坐标为时间纵坐标为频率的坐标系，时间间隔可设置为0.5秒，得到随时间变化的振动图像。
使用C#语言设计上位机监控软件，功能包括可以在界面上直观查看各节点不同方向加速度的变化，对采集到的加速度数据进行处理有利于对桥梁的振动状态做出判断，能够存储、查询和输出监测数据，当桥梁的振动数据发生异常时能够及时报警，如图4所示。
具体实施步骤如下：（1）打开上位机，显示登陆界面，第一次打开，需要在后台注册，之后就可以在上位机登陆，查看服务器保存的数据。（2）加速度校准：点击加速度选项，之后就可以对加速度进行校准，等待1～2秒后模块加速度三个轴向的值会在001左右，X与Y轴角度在0°左右，校准后X与Y轴角度更精确。（3）角度检测频率：在角度检测频率项处填写要设定的频率即可单位是分钟。填写时间最大值不超过32000分钟，也就是不超过530小时。角度检测频率即隔多久检测一次角度，例如：设置5分钟，则表示传感器每5分钟被唤醒一次检测此时角度值。（4）数据上报频率：该参数是用来设置数据上报频率，例如：设置60分钟（必须是“角度检测频率”的倍数），则传感器60分钟上报一次数据。（5）振动幅度和X/Y/Z轴角度计算。（6）X/Y/Z轴角度唤醒:该参数用来设置角度变化唤醒，例如设置5度，“角度检测频率”为5分钟，“数据上报频率”为60分钟，则每5分钟传感器会被唤醒检测一次，如果当前角度与上次角度变化超过5度，传感器立刻上报数据，不需要等”数据上报频率”60分钟之后上报;如果低于5度，则休眠不上报数据，直到设定的“数据上报频率”60分钟时间到才上报。（7）振动唤醒加速度阈值：该参数用于传感器休眠状态下，发生振动时传感器需要唤醒检测角度变化，如果唤醒后，检测到角度与上次检测的角度变化超过5度（用户设置），则上报数据，否则表示轻微误振动继续休眠。（8）异常振动报警：该参数用于设置桥梁振动频率阈值，当监测频率超过设定值则报警。
本实施例有益效果：
本实施例涉及一种基于加速度计的桥梁振动监测系统，包括加速度计数据采集终端、网络协调器、上位机监测控制终端。本实施例以加速度计采集桥梁数据，通过网络协调器对数据进行汇总打包传输至上位机，利用上位机对数据进行处理分析达到桥梁振动监测目的。具体功能如下：通过对加速度计进行编号安放在桥梁下表面进行数据采集，加速度计通过ZigBee方式与网络协调器进行通信，网络协调器收到各采集点数据进行打包定时发送至上位机，上位机可对加速度计和网络协调器进行参数设置，对获取的监测数据进行处理分析，对异常状况进行预警，同时保存结果。
本实施例涉及基础设施状态监测领域，使用若干个加速度计设备协同测量各个节点数据，获得较为全面的原始数据；通过协调器汇总数据发送至上位机，既提升了数据发送的效率，节省了各节点单独发送的能量消耗，使设备待机时间得到了延长，又为后续增补测量设备提供了一定的扩展空间；上位机计算分析得到桥梁振动数据，能够更直观监测桥梁振动状态，对异常状态及时做出预警提高监测效率。本实施例具有精度高、扩展性强、实用性好，可依据桥梁具体需求设定预定参数误差范围，达到预警效果，满足桥梁振动监测需求。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、数据传输模块和数据监测模块；其中所述数据采集模块、所述数据传输模块和所述数据监测模块依次连接；
所述数据采集模块，用于通过加速度传感器采集桥梁整体的加速度数据；
所述数据传输模块，用于通过无线传输方式将所述加速度数据传输至网络协调器；
所述数据监测模块，用于通过上位机接收所述网络协调器发送的一定时间间隔的加速度数据并转换成振动数据，基于所述振动数据以实现监测桥梁振动。
2.根据权利要求1所述的基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：传感器安装单元和数据测量单元；其中所述传感器安装单元、所述数据测量单元分别与所述数据传输模块连接；
所述传感器安装单元，用于基于桥梁车速，计算传感器布设间隔距离，基于所述间隔距离在桥梁下表面安装若干个加速度传感器；
所述数据测量单元，用于基于若干个加速度传感器分别测量整个桥梁各节点的加速度数据。
3.根据权利要求1所述的基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，所述数据传输模块包括：传输单元和接收单元；其中所述传输单元、所述接收单元分别与所述数据监测模块连接；
所述传输单元，用于通过ZigBee无线传输模块将各节点的加速度数据汇总传输至接收单元；
所述接收单元，用于接收各节点的加速度数据并处理打包所述加速度数据。
4.根据权利要求3所述的基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，所述接收单元采用网络协调器，所述网络协调器包括：CC2530芯片处理器模块、RF射频通信模块、电源管理模块、接口模块、天线模块和GPRS扩展通信模块。
5.根据权利要求1所述的基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，所述数据监测模块包括：显示单元和转换单元；
所述显示单元，用于将所述加速度数据通过上位机监控软件在界面上显示各节点不同方向加速度数据的变化情况；
所述转换单元，用于将所述加速度数据通过对时间积分转换成振动数据，基于所述振动数据以实现监测桥梁振动。
6.根据权利要求5所述的基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，所述转换单元中，对所述加速度数据进行处理，得到桥梁振动情况的判断结果，并且存储、查询和输出所述加速度数据，当桥梁的振动数据发生异常时及时报警。
7.根据权利要求5所述的基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，所述转换单元中，将所述振动数据导入数据处理工具，并建立横坐标为时间纵坐标为频率的坐标系，设置时间间隔，得到随时间变化的振动图像。
8.根据权利要求1所述的基于加速度计的桥梁振动监测系统，其特征在于，所述上位机的功能包括：用户数据管理、加速度校准、角度检测频率、数据上报频率、X/Y/Z轴角度唤醒、振动唤醒加速度阈值和异常振动报警。
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