CN203191133U - 一种索力基频采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种索力基频采集系统，其包括加速度传感器、信号调理电路、模数转换器、信号处理模块、无线发射模块及为它们提供工作电压的太阳能供电模块，加速度传感器采集桥索的加速度信号，加速度传感器的输出端与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与无线发射模块的输入端连接，无线发射模块发射桥索的加速度和索力的基频值给远程端，优点是能够快速、准确地获得桥索的加速度和索力的基频值；由太阳能供电模块供电，对环境要求低；由无线发射模块发射桥索的加速度和索力的基频值给远程端，不受布线限制，并能够远距离传输。

Description

一种索力基频采集系统

技术领域

 本实用新型涉及一种索力检测技术，尤其是涉及一种索力基频采集系统。

背景技术

随着一些大型桥梁的兴建，人们对桥梁的安全性、耐久性和可持续性等功能日渐加以重视。桥梁拉索的受力与工作状态是直接反映桥梁是否处于正常运营的重要标志之一，因此在致力于桥梁长期在线健康的监测的动力下，快速、准确地获取索力的基频信号成为了必不可少的监测种类。

长期以来，由于技术水平的限制，因此人们对桥梁的健康检测一直以人工方法为主。一般都是由专业技术人员定期到现场对桥梁进行检查，将获得的数据拿回实验室进行分析，然后再给出结论。这种人工方法一方面不能及时掌握桥梁的运行状况，另一方面需要具有很高专业知识的技术人员，浪费人力、物力。

进入二十世纪七十年代以来，国内外开始重视索力的监测和一些非人力的方法来进行测定，目前国内外一般采用以下四种方法：

第一种为压力表测定方法：其用千斤顶张拉桥索时通过精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，就可求得索力。这种方法简单易行，是施工中控制索力最实用的方法，但由于压力表本身的一些特性，存在指针易偏位、高压时指针抖动激烈、读数人为误差大、负荷示值需转换等缺点，因此这种方法不可用于成桥后的动态索力监测。

第二种为压力传感器测定方法：其测量原理是在桥索固定锚头与桥体混泥土之间加上垫板和承压环，那么桥索所受的拉力将全部作用在承压环上，承压环将产生应变，只要用电阻应变片测出承压环的应变量，就可推算出索力。这种方法虽然测量精度较高，但是很难找到合适的粘合剂。而对于某一粘合剂而言，如果其抗剪切的强度高，收缩率就会大，抗冲击性就差；如果韧性好，固化时间就长。因而选择各项性能均好的粘合剂尤为困难，此外在高温下粘合剂固化困难，粘贴操作又较为复杂，这就制约了承压环的使用。

第三种为磁弹效应法：其是最近发展起来的测定斜拉桥索力、监测拉索锈蚀的非破坏性方法。其基本原理是：将桥索置于一磁场环境中，桥索将被磁化，由铁磁材料典型的磁滞曲线可知，磁导率是桥索磁化后磁通量密度与磁场强度的比值，它与材料的受力、温度和磁场强度有关。当受力发生变化时，磁滞曲线将改变，从而磁导率将改变，所以可以利用放在桥索中的小型精密电磁传感器，测定磁导率的变化，根据索力、温度与磁导率变化的关系，推算出索力。这种方法为非接触法，传感器输出功率大，信号强、结构简单、使用寿命长（可达50年）、过载能力强、适合于静态和动态索力测量，可以做到全天候适时采样，桥索表面的防腐层和保护塑料套管对测量结果无影响，并且还可以测试钢索的腐蚀状况，是钢索健康监测最具潜力的最新方法。这种方法在国外已有成功应用，国内这方面的应用还很少报道，但是该方法的测量结果与磁路结构密切相关，只适用于建桥，而对于成建桥现场绕线、现场标定和温度补偿都很困难。目前，对于给定的铁磁材料，只能在实验室标定其磁电特性和温度补偿曲线，然后测试用该种材料和同类材料制造桥索的应力，但由于测试结果与工作点的选取有关，因此存在需确定最佳工作点等缺点。

第四种为频率法测索力方法：其通过在桥索某一位置装上加速度传感器，在环境激励（风，交通，地脉动等）下，加速度传感器将拾取拉索的环境随机激励响应信号，通过数据采集系统进行数据采集，运用参数识别理论、最优估计理论获取桥索模态参数，利用已知模型，即可计算出索力大小。 由于加速度传感器安装过程中不需要粘贴，因此比其他方法应用更方便、更经济，是目前应用最广泛的一种用来拾取桥索振动信号的方法。这种方法用频率法测定索力，可以实现索力的在线动态监测，是成桥后索力健康监测的有效方法之一，其为间接测量法，加速度传感器使用寿命长，并且利用现有的仪器及分析手段，测定频率精度可达到0.005Hz。

因此，如何选用合理有效的测试系统或方法对斜拉桥施工监控和成桥后的健康监测具有重要意义。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够快速、准确地获取索力的基频值，且无需布线，对环境要求低，能够远距离传输的索力基频采集系统。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种索力基频采集系统，其特征在于包括加速度传感器、信号调理电路、模数转换器、信号处理模块、无线发射模块及为它们提供工作电压的太阳能供电模块，所述的加速度传感器采集桥索的加速度信号，所述的加速度传感器的输出端与所述的信号调理电路的输入端连接，所述的信号调理电路的输出端与所述的模数转换器的输入端连接，所述的模数转换器的输出端与所述的信号处理模块的输入端连接，所述的信号处理模块的输出端与所述的无线发射模块的输入端连接，所述的无线发射模块的输出端发射桥索的加速度和索力的基频值给远程端。

所述的加速度传感器采集桥索的加速度信号，所述的加速度传感器转换加速度信号为模拟电压信号，并传输模拟电压信号给所述的信号调理电路，所述的信号调理电路传输调理后的模拟电压信号给所述的模数转换器，所述的模数转换器转换调理后的模拟电压信号为数字电压信号，并传输数字电压信号给所述的信号处理模块，所述的信号处理模块对数字电压信号进行快速傅里叶变换和峰值提取获得桥索的加速度和索力的基频值，并传输桥索的加速度和索力的基频值给所述的无线发射模块，所述的无线发射模块以无线方式传输桥索的加速度和索力的基频值给远程端。

所述的模数转换器以SPI总线方式传输数字电压信号给所述的信号处理模块。

所述的太阳能供电模块由太阳能电池板和蓄电池组成，所述的太阳能电池板的输出端与所述的蓄电池的输入端连接，所述的蓄电池的输出端分别与所述的加速度传感器、所述的信号调理电路、所述的模数转换器、所述的信号处理模块和所述的无线发射模块的工作电压接入端连接。

所述的加速度传感器采用型号为LSMP-2的加速度传感器。

所述的模数转换器采用24位高精度的△-∑模数转换器。

所述的信号处理模块采用型号为ATMEGA128的单片机。

所述的无线发射模块采用Zigbee 2.4GHZ无线射频模块。

    与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1）本系统用加速度传感器采集桥索的加速度信号，加速度传感器输出的模拟电压信号经信号调理电路和模数转换器后再由信号处理模块进行处理，能够快速、准确地获得桥索的加速度和索力的基频值。

2）本系统采用太阳能供电模块为加速度传感器、信号调理电路、模数转换器、信号处理模块和无线发射模块提供工作电压，不受电源线、场地等的限制，对环境要求低。

3）本系统采用无线发射模块发射桥索的加速度和索力的基频值给远程端，不受布线限制，并能够远距离传输。

4）本系统采用24位高精度的△-∑模数转换器，转换精度高。

5）本系统也可广泛用于工业测控、桥梁、铁路、公路等领域。

附图说明

图1为本实用新型的索力基频采集系统的组成框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型在现有的频率法测索力方法的基础上提出了一种索力基频采集系统，其组成框图如图1所示，其包括加速度传感器1、信号调理电路2、模数转换器3、信号处理模块4、无线发射模块5及为它们提供工作电压的太阳能供电模块6，加速度传感器1的输出端与信号调理电路2的输入端连接，信号调理电路2的输出端与模数转换器3的输入端连接，模数转换器3的输出端与信号处理模块4的输入端连接，信号处理模块4的输出端与无线发射模块5的输入端连接；加速度传感器1采集桥索的加速度信号，加速度传感器1转换加速度信号为模拟电压信号，并传输模拟电压信号给信号调理电路2，信号调理电路2传输调理后的模拟电压信号给模数转换器3，模数转换器3转换调理后的模拟电压信号为数字电压信号，并以SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）总线方式传输数字电压信号给信号处理模块4，信号处理模块4对数字电压信号进行快速傅里叶变换和峰值提取获得桥索的加速度和索力的基频值，并传输桥索的加速度和索力的基频值给无线发射模块5，无线发射模块5的输出端以无线方式传输桥索的加速度和索力的基频值给远程端。

在本实施例中，太阳能供电模块6由太阳能电池板61和蓄电池62组成，太阳能电池板61的输出端与蓄电池62的输入端连接，蓄电池62的输出端分别与加速度传感器1、信号调理电路2、模数转换器3、信号处理模块4和无线发射模块5的工作电压接入端连接。在此，太阳能电池板61选用现有的单晶10W的太阳能电池板，蓄电池62选用额定电压为12V且容量为7AH的蓄电池，在阳光充足的情况下，蓄电池一次充电可满足索力基频采集系统工作3天。

在本实施例中，加速度传感器1采用美国LANCE公司生产的型号为JWELL LSMP-2的加速度传感器；信号调理电路2采用现有的信号调理电路，如采用由电压跟随电路和加法运算电路组成的信号调理电路，加速度传感器1的输出端输出的模拟电压信号直接接入电压跟随电路中，电压跟随电路增加模拟电压信号的带载能力，提高输入阻抗，增加模拟电压信号的准确性和完整型，在电压跟随电路后接一级加法运算电路，加法运算电路将模拟电压信号的输出量程稳定在模数转换器的应用量程中，以实现加速度测量的无失真性，保证信号的真实性；模数转换器3采用现有的高集成度的24位高精度的△-∑模数转换器，由于其运用了电荷平衡技术，因此其精度性能可以达24位，其非常适合测量如加速度等的高精度单极性信号；信号处理模块4采用Atmel公司生产的型号为ATMEGA128的单片机，该单片机工作在7.3728M的工作时钟下，其对接收到的数字电压信号进行快速傅里叶变换和峰值提取运算，其在数据通讯中分别遵循了SPI协议、IIC协议和无线协议，为索力基频采集系统提供了稳定的数据传输平台；无线发射模块5采用现有的Zigbee 2.4GHZ无线射频模块，其抗干扰能力强、组网能力强、网络容量大、传输距离远、人机接口丰富，能够保证信号传输的完整性和可拓展性。

Claims (8)

1.一种索力基频采集系统，其特征在于包括加速度传感器、信号调理电路、模数转换器、信号处理模块、无线发射模块及为它们提供工作电压的太阳能供电模块，所述的加速度传感器采集桥索的加速度信号，所述的加速度传感器的输出端与所述的信号调理电路的输入端连接，所述的信号调理电路的输出端与所述的模数转换器的输入端连接，所述的模数转换器的输出端与所述的信号处理模块的输入端连接，所述的信号处理模块的输出端与所述的无线发射模块的输入端连接，所述的无线发射模块的输出端发射桥索的加速度和索力的基频值给远程端。

2.根据权利要求1所述的一种索力基频采集系统，其特征在于所述的加速度传感器采集桥索的加速度信号，所述的加速度传感器转换加速度信号为模拟电压信号，并传输模拟电压信号给所述的信号调理电路，所述的信号调理电路传输调理后的模拟电压信号给所述的模数转换器，所述的模数转换器转换调理后的模拟电压信号为数字电压信号，并传输数字电压信号给所述的信号处理模块，所述的信号处理模块对数字电压信号进行快速傅里叶变换和峰值提取获得桥索的加速度和索力的基频值，并传输桥索的加速度和索力的基频值给所述的无线发射模块，所述的无线发射模块以无线方式传输桥索的加速度和索力的基频值给远程端。

3.根据权利要求2所述的一种索力基频采集系统，其特征在于所述的模数转换器以SPI总线方式传输数字电压信号给所述的信号处理模块。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种索力基频采集系统，其特征在于所述的太阳能供电模块由太阳能电池板和蓄电池组成，所述的太阳能电池板的输出端与所述的蓄电池的输入端连接，所述的蓄电池的输出端分别与所述的加速度传感器、所述的信号调理电路、所述的模数转换器、所述的信号处理模块和所述的无线发射模块的工作电压接入端连接。

5.根据权利要求4所述的一种索力基频采集系统，其特征在于所述的加速度传感器采用型号为LSMP-2的加速度传感器。

6.根据权利要求5所述的一种索力基频采集系统，其特征在于所述的模数转换器采用24位高精度的△-∑模数转换器。

7.根据权利要求6所述的一种索力基频采集系统，其特征在于所述的信号处理模块采用型号为ATMEGA128的单片机。

8.根据权利要求7所述的一种索力基频采集系统，其特征在于所述的无线发射模块采用Zigbee 2.4GHZ无线射频模块。

Images