CN116390050A - 无线振弦类传感器数据采集设备及包括该设备的安全监测应用平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线振弦类传感器数据采集设备及包括该设备的安全监测应用平台，设备包括振弦类传感器、采集仪、通讯模块和电源模块；振弦类传感器用于采集目标的振弦类信号；采集仪包括信号采集模块和微处理模块，信号采集模块从振弦类传感器采集信号样本，并检测振弦类信号的幅值；微处理模块和数据采集模块电性连接，信号采集模块完成信号样本采样后，微处理模块进行信号质量分析，并踢除异常数据。本发明能够踢除异常数据，从而保证设备传输至安全监测应用平台的振弦信号数据质量；具有信号评定功能，针对采集到的传感器数据实现传感器使用寿命自诊断，为系统维护提供指导；能够实现传感器数据从采集到存储、展示的自动化远程交互。

Description

无线振弦类传感器数据采集设备及包括该设备的安全监测应 用平台
技术领域
本发明涉及桥梁安全监测领域，尤其涉及一种无线振弦类传感器数据采集设备及包括该设备的安全监测应用平台。
背景技术
在桥梁领域，为了解桥梁的实际工作情况，需要对桥梁结构信息进行长期监测，尤其是其动力学特性，当发生重载事件、强风强震等自然情况时，桥梁动力学特性会发生敏锐的显著变化，能够直观反应桥梁的健康状况。为了实现桥梁动力学特性长期自动化监测，往往采用振弦式传感器。振弦式传感器直接输出振弦自振频率信号，抗干扰能力强、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、使用寿命长。因此被广泛应用到桥梁结构健康监测领域中。以振弦式应变计为例，当被测结构物内部应力发生变化，振弦式应变计同步感受变形，变形传递给振弦转变成振弦应力变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量，同时可测出埋设点的温度值。
实际应用中，振弦式传感器的寿命会影响到测量结果数据的准确性，使得信号质量不稳定，应力应变及振弦式裂缝宽度测量值存在误差甚至错误，从而进一步导致桥梁安全监测的误报警现象，影响到桥梁安全评估的客观性和准确性。
同时，现有的振弦类结构监测设备/系统复杂庞大，存在现场敷设难度大、建设成本高、功耗较大等问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种无线振弦类传感器数据采集设备及包括该设备的安全监测应用平台。
技术方案：一种无线振弦类传感器数据采集设备，包括：
振弦类传感器，包括激振模块和测频模块，用于采集目标的振弦类信号；
采集仪，包括信号采集模块和微处理模块，所述信号采集模块从振弦类传感器获取振弦类信号作为信号样本，所述微处理模块和数据采集模块电性连接，信号采集模块完成信号样本采样后，微处理模块进行信号质量分析，将每个采样值满足式
Figure BDA0004186389120000011
时，判定该采样值为异常数据，踢除该异常数据；其中，伪频率值是振弦类传感器测量的多次频率数据的平均值；
电源模块，用于设备供电；
通讯模块，用于远程传输设备数据；具体的，所述通讯模块将振弦类传感器实时数据、通讯信号质量、振弦类传感器信号质量、数据采集时间远程输出。优选的，所述通讯模块采用NB-IoT通讯。
进一步的，在完成信号样本采样和异常数据踢除后，获取优质样本，根据优质样本诊断传感器寿命，步骤如下：
将频率真实值、频模真实值、原始样本标准差、优质样本标准差、优质样本数量、优质样本评估值分别更新到不同的寄存器中，所述优质样本评估值为测得的传感器频率值与标定频率值的比值；进行以下条件判断：
条件1：平均信号幅值大于60％；
条件2：优质样本数量大于预期采样数量的50％且不低于50个；
条件3：优质样本评估值大于80％；
如未同时达到上述条件1-3则认为传感器质量较低，数据质量较差，应予以更换。
所述采集仪根据预设采集频率对振弦类传感器传回数据进行采集。
进一步的，所述采集仪通过通讯模块和PC端或手机通讯连接。
进一步的，所述振弦类传感器还包括温度检测模块。
一种包括所述无线振弦类传感器数据采集设备的安全监测应用平台，通过通讯模块获取振弦类传感器实时数据，监测设备所在位置的振弦类信号情况；所述采集仪检测振弦类信号的幅值，并通过通讯模块将振弦类信号的幅值传输至安全监测应用平台，当振弦类信号的幅值不理想时，安全监测应用平台根据幅值情况调整振弦类传感器的激励方法或激励电压。
具体的，若前m个信号幅值均大于90％且无递减趋势，则判断返回信号过盈，降低激励信号强度，反之当信号幅值低于30％则增加激励信号强度；m优选取3-6。
进一步的，安全监测应用平台还包括车船撞感知设备、裂缝观测设备、梁体偏位感知设备、动挠度监测设备中的一种或多种。
有益效果
本发明具有如下显著进步：
1、相较于传统振弦类传感器数据采集设备系统复杂庞大，敷设难度大的问题，本发明的各功能模块高度集成，对传感器系统进行简化，体积减小便于安装；本发明采用功能强大的可编程处理器，内部软件控制设备唤醒、数据采集、启动通讯模块、数据存储上传、休眠等一系列动作；可将设备基本信息发送至监测平台，当设备监测到数据发生异常时，报警器进行报警同时远程传递报警信息告知监测平台出现异常事件，当设备检测到振弦类信号的幅值不理想，安全监测应用平台根据幅值情况调整振弦类传感器的激励方法或激励电压，从而实现传感器数据从采集到存储、展示的自动化远程交互。
2、设备能够踢除异常数据，从而保证传输至安全监测应用平台的振弦信号数据质量。
3、设备具有信号评定功能，针对采集到的传感器数据实现自诊断，提前预判传感器使用寿命，为系统维护提供指导。
3、针对传统振弦类传感器数据采集设备系统功耗问题大的问题，系统采用“哨兵”模式，平时处于休眠状态，设备根据事先设定的采集频率自动唤醒采集仪对传感器传回数据进行采集；同时，本发明采用低功耗电源管理技术，内置大容量锂电池，摒弃对外部电源依赖，维护成本减少，进一步降低了系统能耗。
4、数据通过NB-IoT(窄带物联网)无线网络远程发送至监控端，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，具有广覆盖的能力；NB-IoT支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构，具备足够的支撑连接能力；对于一些不能经常更换电池的设备和场合，NB-IoT以其更低功耗的优势适用于复杂地理环境的通讯需求。
附图说明
图1为振弦传感器谐振频谱图；
图2为安全监测应用平台的物联网传输拓扑图；
图3为传感器数据接口示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种无线振弦类传感器数据采集设备，包括振弦类传感器、采集仪、微处理模块、电源模块和通讯模块。
振弦类传感器：包括激振模块和测频模块，用于采集目标的振弦类信号。
采集仪：和振弦类传感器电性连接，用于监测传感器实时数据。本发明的采集仪应用“采集和读取”的原理，能够精确采集振弦类传感器的频率；钢弦振动频率通过电子线圈产生磁场带动传感器内钢弦震动，在达到其共振频率时钢弦产生共振，振幅迅速增大；几毫秒后采集线圈停止扫频供电，和线圈结合成为一个传感线圈，传回和振弦相同频率的振弦输出电压，振弦传感器谐振频谱图如图1所示；将电压信号整形后送到ARM进行频率测量；频率测量采用高精度的数字石英晶体振荡器测量，准确可靠。
采集仪获取目标的振弦类信号数据后将其作为样本信号，对其进行质量分析，并对信号幅值进行检测。信号幅值是指传感器产生自振后输出的原始信号经过滤波放大处理后的信号幅度大小，用百分比表示。信号幅值100％表示信号过强，80％～95％为优良，60％～80％为一般，接近或低于30％为较差或无信号，需要及时更换新设备。信号幅值的高低直接影响到传感器频率的可信度。信号幅值受激励信号影响较大，若检测到信号幅值不理想，则应设法调整传感器的激励方法、调整激励电压来进行改善。
采集仪包括信号采集模块和微处理模块；信号采集模块从振弦类传感器获取信号样本，微处理模块和信号采集模块电性连接，当信号采集模块完成足够数量的样本采样后，微处理模块立即进行信号质量分析计算，并踢除异常数据。以下是传感器异常信号评定方式的具体实现方式。
信号采集模块完成足够数量的样本采样后，进行信号质量分析计算，将频率、频模值及多个信号质量表征值更新于对应的只读寄存器内，通过读取这些寄存器值，对异常数据进行剔除即可得到当前测量结果数据和信号质量。其中异常数据剔除采用中值比例剔除，每个采样值与伪频率值进行运算，满足公式(1)的即为异常数据，将异常数据进行剔除，剩余数据被认定为“优质”样本。
Figure BDA0004186389120000041
其中伪频率值是内置信号采集模块在激励信号给到传感器后读取的多次频率数据的平均值，将伪频率值作为频率的估算值。信号采集模块内部分配多个寄存器以存储特殊数据，CAL_PAR1为自定义寄存器，用来存储误差值，误差值为主要判定参数。举例：正常数据单个采样值假设为1000hz，伪频率值为998hz，则有：单个采样值-伪频率＝2hz；伪频率/误差值＝998/2，公式左侧明显小于右侧，即该正常数据不满足公式(1)。
电源模块：用于设备供电；优选的，电源模块采用低功耗电源管理芯片，内置锂电池。
通讯模块：用于远程传输设备数据，包括振弦类传感器实时数据、通讯信号质量、振弦类传感器信号质量、数据采集时间等；优选的，通讯模块采用NB-IoT(窄带物联网)通讯；通过该通讯模块，设备还可以和PC端或手机通讯连接。
优选的，采集仪内置传感器信号评定模组，在完成信号样本采样和异常数据踢除后，获取优质样本，根据优质样本诊断传感器寿命，具体实现方式如下：
信号采集模块内部分配多个寄存器。原始样本标准差、优质样本标准差分别保存于寄存器SIG_STD.[15:8]和SIG_STD.[7:0]中，优质样本数量更新到寄存器HQ_COUNT中，优质样本评估值保存于寄存器SMP_QUA中，传感器频率真实值和频模真实值(即剔除异常数据后的传感器频率值、频模值)分别更新到寄存器S_FRQ和寄存器F_REQ M。其中，优质样本评估值为测得的传感器频率值与标定频率值的比值。
进行以下条件判断：
条件1：平均信号幅值大于60％；
条件2：优质样本数量大于预期采样数量的50％且不低于50个；
条件3：优质样本评估值大于80％；
若同时达到上述条件1-3则认为传感器质量较好；反之，说明传感器质量较低，数据质量较差，应予以更换。
进一步优选的，设备采用休眠-唤醒工作机制，即根据事先设定的采集频率自动唤醒采集仪对传感器传回数据进行采集，从而降低设备功耗。
设备的一种优选技术参数如下表所示：
Figure BDA0004186389120000051
Figure BDA0004186389120000061
如图2所示，本发明还提供一种安全监测应用平台，该平台和设备通讯连接，设备的测量数据经内部处理模块解析后通过通讯模块主动上传至平台，平台与设备之间的通讯优选采用NB-IoT通讯方式。平台通过通讯模块获取振弦类传感器实时数据，监测设备所在位置的振弦类信号情况，接收设备报警信号；同时，设备通过通讯模块将振弦类信号的幅值传输至安全监测应用平台，当振弦类信号的幅值不理想时，安全监测应用平台会根据幅值情况调整振弦类传感器的激励方法或激励电压。
此外，安全监测应用平台还可以集成多种传感器设备，包括但不限于车船撞感知设备、裂缝观测设备、梁体偏位感知设备、动挠度监测设备中的一种或多种。
安全监测应用平台的一种优选实施方式如下：
S1：将传感器、采集仪固定在被测结构物的合适部位上(为便于传感器信号线汇聚，常位于桥梁人孔附近)；设备供电采用不可充电锂电池，该类型电池无频繁充放电过程，因而自放电较小，电池自身寿命可达10年，因此，可以满足设备在野外的长期供电。
传感器包括激振模块、测频模块和温度检测模块。设备接口如图3所示，提供两个机械接口：传感器数据接口、开关及LED(发光二极管)一体按键接口。其中，传感器数据接口使用16mm航空插头，连接稳定可靠；1、3孔为激励电流发射和振弦信号采集针，连接在传感器线圈一端；2、4孔为温度信号端子，连接在传感器的温度信号端。现场实施时将航空插头对插即可完成设备接线。开关及LED(发光二极管)一体按键接口用于实现设备开机上电操作，LED指示设备工作状态，例如2S慢闪表示设备启动，1S慢闪表示采集数据，0.5S快闪表示寻找通讯连接，常亮表示平台通讯。
S2：设备安装完成后处于休眠状态，进行定时信号采集和信号幅值检测。
信号采集：振弦类传感器定时对目标的振弦类信号进行采集，并传输到采集仪，当产生激励时唤醒采集仪对传感器传回数据进行采集。如设置10分钟采集一次数据，前一次数据采集上传完成后进入休眠，下一个十分钟到来时，自动唤醒。
信号幅值检测：采集仪获取信号数据后先对信号幅值进行检测，信号幅值的高低直接影响到传感器频率的可信度。信号幅值受激励信号影响较大，若检测到信号幅值不理想，则应设法调整传感器的激励方法、调整激励电压来进行改善。例如，若前三个信号幅值均大于90％且无递减趋势，则可能返回信号过盈，可考虑适当降低激励信号强度，反之当信号幅值低于30％则适当增加激励信号强度。
S3：监测到数据发生异常，实时将设备唤醒，同时向安全监测应用平台传递报警信息告知出现异常事件。同时，安全监测应用平台获取振弦类信号的幅值，当幅值不理想时，根据幅值情况调整振弦类传感器的激励方法或激励电压。
S4：在PC端或手机app上进行数据显示。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，包括：
振弦类传感器，包括激振模块和测频模块，用于采集目标的振弦类信号；
采集仪，包括信号采集模块和微处理模块，所述信号采集模块从振弦类传感器获取振弦类信号作为信号样本，所述微处理模块和数据采集模块电性连接，信号采集模块完成信号样本采样后，微处理模块进行信号质量分析，将每个采样值满足式
Figure FDA0004186389110000011
时，判定该采样值为异常数据，踢除该异常数据；其中，伪频率值是振弦类传感器测量的多次频率数据的平均值；
电源模块，用于设备供电；
通讯模块，用于远程传输设备数据。
2.根据权利要求1所述的无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，在完成信号样本采样和异常数据踢除后，获取优质样本，根据优质样本诊断传感器寿命，步骤如下：
将频率真实值、频模真实值、原始样本标准差、优质样本标准差、优质样本数量、优质样本评估值分别更新到不同的寄存器中，所述优质样本评估值为测得的传感器频率值与标定频率值的比值；进行以下条件判断：
条件1：平均信号幅值大于60％；
条件2：优质样本数量大于预期采样数量的50％且不低于50个；
条件3：优质样本评估值大于80％；
如未同时达到上述条件1-3则认为传感器质量较低，数据质量较差，应予以更换。
3.根据权利要求1所述的无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，所述通讯模块采用NB-IoT通讯。
4.根据权利要求1所述的无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，所述通讯模块将振弦类传感器实时数据、通讯信号质量、振弦类传感器信号质量、数据采集时间远程输出。
5.根据权利要求1所述的无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，所述采集仪根据预设采集频率对振弦类传感器传回数据进行采集。
6.根据权利要求1所述的无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，所述采集仪通过通讯模块和PC端或手机通讯连接。
7.根据权利要求1所述的无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，所述振弦类传感器还包括温度检测模块。
8.一种包括如权利要求1-7任一所述无线振弦类传感器数据采集设备的安全监测应用平台，其特征在于，通过通讯模块获取振弦类传感器实时数据，监测设备所在位置的振弦类信号情况；
所述采集仪检测振弦类信号的幅值，并通过通讯模块将振弦类信号的幅值传输至安全监测应用平台，当振弦类信号的幅值不理想时，安全监测应用平台根据幅值情况调整振弦类传感器的激励方法或激励电压。
9.根据权利要求1所述的无线振弦类传感器数据采集设备，其特征在于，若前m个信号幅值均大于90％且无递减趋势，则判断返回信号过盈，降低激励信号强度，反之当信号幅值低于30％则增加激励信号强度；m取3-6。
10.根据权利要求8所述的安全监测应用平台，其特征在于，还包括车船撞感知设备、裂缝观测设备、梁体偏位感知设备、动挠度监测设备中的一种或多种。
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