CN204007499U - 一种新型桥梁结构挠度自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征在于:包括设置在无线传感层的多个无线传感网络、设置在TD网关层的多个3G无线处理单元以及设置在中央控制层的应用服务器和数据库服务器，无线传感网络和3G无线处理单元通过3G无线模块以无线通信方式相连接，无线传感网络为基于微加速度计的倾角测量装置。其采用基于微处理器和倾角传感器的挠度测量装置对桥梁挠度进行高精度分散测量，并通过Zigbee模块和3G无线模块进行统一集中管理。本实用新型精度高、测量误差小，可实现采集数据的接收、长时间存储、桥梁监测数据分析、桥梁状态评估和寿命预测等一系列功能，有效解决了现有技术的不足。

Description

一种新型桥梁结构挠度自动监测系统

技术领域

本实用新型属于桥梁结构质量监测领域，具体涉及一种新型桥梁结构挠度自动监测系统。

背景技术

桥梁是交通运输网络的重要组成部分在国民经济生活中具有十分重要的地位，因此，确保桥梁结构的安全可靠性极其重要。挠度是评价桥梁安全性的重要指标，直接反映桥梁结构形变是否超出危险范围。目前常用的挠度测量方法有经纬仪、水准仪、百分表等，已广泛用于桥梁施工现场检测及验收鉴定中，但这些廉价、结构简单的测量方法只适用于桥梁短期、人工测量，存在费时费力、使用不便、实时测量困难等不足。

因此，一些基于传感技术的新型挠度测量方法，如测量机器人、GPS、激光图像法、连通管法、光电成像法等逐渐应用于大型桥梁结构挠度监测中，可实现长期、远程、自动测量。然而，在选用测量方法时，对于桥梁，特别是大型桥梁，其构件太多、自身荷载巨大、受力情况复杂、地基情况又千差万别，难以找到完全相同的结构，从一座桥的测量方法难以推论到其他桥梁结构。同时，基于有线传感网络的桥梁挠度监测系统安装维护成本高，布线困难，传输距离受布线长度限制。现有系统均针对单桥建设，难以实现多座桥梁之间的信息互通，各座桥梁之间表现为“信息孤岛”，不利于区域内多座桥梁结构监测的统一维护管理。

因此必须对测量方法的基本原理、性能及适用桥型进行研究和分析，以便采用适应桥梁各自结构特点的方法进行挠度测量。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种新型桥梁结构挠度自动监测系统。其采用基于微处理器和倾角传感器的挠度测量装置对桥梁挠度进行高精度分散测量，并通过Zigbee模块和3G无线模块进行统一集中管理。本实用新型精度高、测量误差小，可实现采集数据的接收、长时间存储、桥梁监测数据分析、桥梁状态评估和寿命预测等一系列功能，有效解决了现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征在于:包括设置在无线传感层的多个无线传感网络、设置在TD网关层的多个3G无线处理单元以及设置在中央控制层的应用服务器和数据库服务器，所述无线传感网络和3G无线处理单元通过3G无线模块以无线通信方式相连接，所述无线传感网络为基于微加速度计的倾角测量装置。

上述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述无线传感网络由微加速度计和与其相连的信号调理电路组成。上述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述无线传感网络包括微处理器、3G无线模块、Zigbee模块，所述微加速度计通过信号调理电路与微处理器的输入端相连，所述微处理器与数据存储单元、标定数据库、3G无线模块、Zigbee模块、外部实时时钟相连接。

上述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述3G无线模块采用华为公司的EM560无线通信芯片。

上述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述Zigbee模块采用TI公司的CC2530无线通信芯片。

上述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述微加速度计由依次相连接的重锤、应变梁、应变片和传感器支架组成。

上述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述应变片为4个应变电阻，且构成惠斯通电桥。

上述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述多个无线传感网络布设于桥梁的各个跨弧上。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的倾角测量装置基于微处理器和倾角传感器设计，具有精度高、测量误差小、功能多等特点。它使用方便，应用范围广泛，可应用于建筑、机械等工程行业。

2、本实用新型采用无线传感器网络技术，将布设在桥梁上的倾角测量装置采集到的桥梁挠度数据通过Zigbee模块和3G无线模块进行统一集中管理，可实现对散步在较大区域内的多个桥梁挠度数据采集子系统的采集数据的接收、长时间存储、桥梁监测数据分析、桥梁状态评估和寿命预测等一系列功能。

综上所述，本实用新型精度高、测量误差小，可实现采集数据的接收、长时间存储、桥梁监测数据分析、桥梁状态评估和寿命预测等一系列功能，有效解决了现有技术的不足。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的无线传感网络和无线处理单元结构框图；

图3为本实用新型的3G无线模块接口电路图；

图4为本实用新型的倾角传感器原理图；

图5为本实用新型的倾角传感器各角度区间内传感器角度输出图；

图6为本实用新型的桥梁挠度测量示意图。

附图标记说明:

1-无线传感网络；2-无线处理单元；3-应用服务器；4-数据库服务器；

5-微处理器；6-微加速度计；7-信号调理电路；8-数据存储单元；

9-标定数据库；10-3G无线模块；11-Zigbee模块；12-外部实时时钟。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征在于:包括设置在无线传感层的多个无线传感网络1、设置在TD网关层的多个3G无线处理单元2以及设置在中央控制层的应用服务器3和数据库服务器4，所述无线传感网络1和3G无线处理单元2通过3G无线模块10以无线通信方式相连接，所述无线传感网络1为基于微加速度计6的倾角测量装置。

其中，无线传感层为基于IEEE802.15.4协议的无线传感网络，用以在被测区域内采集传感数据，并进行初步滤波处理。无线传感层采集到TD网关层，实现监测数据的本地短时存储和3G无线传输。该层的3G无线处理单元2为基于ARM9的32位嵌入式系统，通过SPI总线和RS232总线分别连接Zigbee模块11和3G无线模块10，从而实现无线传感网络与3G无线网络的无缝对接，同时在每个3G无线处理单元2，设计了2G的TIF卡存储空间，可实现采集数据的本地短期保存。中央控制层为基于TCP/IP协议，采用SOCET服务器模式的中央机房，可实现对散步在较大区域内的多个桥梁挠度数据采集子系统的采集数据的接收，长时间存储、桥梁监测数据分析、桥梁状态评估和寿命预测等一系列功能。

本实施例中，所述无线传感网络1由微加速度计6和与其相连的信号调理电路7组成。

本实施例中，所述无线传感网络1包括微处理器5、3G无线模块10、Zigbee模块11，所述微加速度计6通过信号调理电路7与微处理器5的输入端相连，所述微处理器5与数据存储单元8、标定数据库9、3G无线模块10、Zigbee模块11、外部实时时钟12相连接。其中，微加速度计6为ADXL203微加速度计，作为传感器单元输出电压信号；信号调理电路7则负责将传感器的输出信号进行放大滤波；微处理器5则是整个系统的大脑，负责协调各部分的工作，以及进行数据处理；标定数据库9主要由AT24C16构成，负责记录标定数据。

ADXL203微加速度计封装体积小，便于缩小倾角测量装置的体积，更容易携带；零漂温漂小；低功耗，5 V电压供电下，消耗电流为700uA；精度高，典型误差不大于0.1°；此外，它还是双轴输出的，即输出电压值Vx和Vy。

信号调理单元的作用是对传感器的输出信号进行放大和滤波。

标定数据库主要由AT24C16存储器构成。AT24C16是ATMEL公司推出的一款基于12C总线的存储器，其数据存储容量高达16K，而且是基于I2C总线的。采用此种存储器，不但容量大，而且只有两根线，分别为数据线SDA和时钟线SCL，大大节省了单片机的I／O口。

本实施例中，所述3G无线模块10采用华为公司的EM560无线通信芯片。与EM560无线通信模块功能相近的还有EM200、EM770W，三者分别支持TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA3G无线通信技术，通过简单的代换，即可兼容不同格式的3G网络，系统还支持AT指令。

本实施例中，所述Zigbee模块11采用TI公司的CC2530无线通信芯片。CC2530是用于2.4-GhzIEEE802.15.4、Zibee应用的片上系统解决方案，CC2530还结合了领先的RF收发器的优良功能。

由于两种无线模块均通过RS232接口实现与主机的通信，因此选用SP3243E作为232电平的转换芯片，其接口电路如图3所示。

本实施例中，所述微加速度计6由依次相连接的重锤、应变梁、应变片和传感器支架组成。

本实施例中，所述应变片为4个应变电阻，且构成惠斯通电桥。

如图4所示，力敏传感器l#的长度轴线方向与测量基准面垂直，力敏传感器2#的长度轴线方向与测量基准面平行。设重锤的质量为m，重力加速度为g，当测量基准面和水平面所夹的角度为θ时，

传感器l#的输出为：U1∝mg sinθ（1）

传感器2#的输出为：U2∝mg sin( 90°-θ)=mg cosθ（2）

设u1输出电压值为Vx，u2输出电压值为Vy，则Vx/Vy=mg sinθ/mg cosθ=tanθ，则θ=arctan(Vx/Vy)（3）

或者θ=90°-arctan(Vx/Vy)（4）

根据式(3)或式(4)，就可以计算出相应的角度值。

以上为理论推理，实际上，考虑到单片机的处理能力有限，无法处理边界角度(如0°和90°等角度)，以及无法确定角度方向等原因，设计中采用如下的方法以便于后续的标定工作。

根据式(1)和式(2)，可以近似认为传感器的两个输出符合正余弦函数规律，即Vx=mg sinθ，Vy=mg cosθ，如图5所示，Vx在以0°～45°的区间内远大于Vy的变化，显然Vx在以0°～45°的区间内灵敏度高于Vy，所以在以0°～45°的区间内，应该采用l#传感器输出。而在45°～90°的范围内，Vy的变化率又显然大于Vx的变化率，故在45°～90°的区间内，使用2#传感器的输出。以此类推，把整个360°的平面从0°开始，每隔45°为一区域，逆时针划分为8个区域，分别定义为0，1，⋯，6，7区间。各个区间内具体使用哪个传感器的输出情况如图5中所示。在后面的标定过程中，记录在每个4.5°倍数的角度上传感器的两个输出，依次作为标定数据。计算角度时，把传感器的输出与先前的标定数据比较，则可以得到此时的角度。计算出角度值后，就能够分辨出在哪个象限，从而也就确定了方向。

本实施例中，所述多个无线传感网络1布设于桥梁的各个跨弧上。设被测桥梁有m跨(则m=1为单跨桥)，第i跨布有k个倾角仪，其挠度曲线为Yi，如图6所示．通过倾角测量装置输出的电压可直接得到θ1 ，θ2，...，θk-1 ，θk，利用这k个已知值，采用最小二乘法求出yi 方程中基函数的常数的一组最佳解，就可得到该跨的挠度曲线yi ，将各跨桥梁的挠度曲线累加起来，得到所测桥梁的挠度曲线方程：y(x)=Σyi （i为1到m之间的自然常数），即可计算出桥梁的挠度值。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征在于:包括设置在无线传感层的多个无线传感网络（1）、设置在TD网关层的多个3G无线处理单元（2）以及设置在中央控制层的应用服务器（3）和数据库服务器（4），所述无线传感网络（1）和3G无线处理单元（2）通过3G无线模块（10）以无线通信方式相连接，所述无线传感网络（1）为基于微加速度计（6）的倾角测量装置。

2.根据权利要求书1所述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述无线传感网络（1）由微加速度计（6）和与其相连的信号调理电路（7）组成。

3.根据权利要求书1或2所述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述3G无线处理单元（2）包括微处理器（5）、3G无线模块（10）、Zigbee模块（11），所述微加速度计（6）通过信号调理电路（7）与微处理器（5）的输入端相连，所述微处理器（5）与数据存储单元（8）、标定数据库（9）、3G无线模块（10）、Zigbee模块（11）、外部实时时钟（12）相连接。

4.根据权利要求书1所述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述3G无线模块（10）采用华为公司的EM560无线通信芯片。

5.根据权利要求书1所述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述Zigbee模块（11）采用TI公司的CC2530无线通信芯片。

6.根据权利要求书5所述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述微加速度计（6）由依次相连接的重锤、应变梁、应变片和传感器支架组成。

7.根据权利要求书5所述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述应变片为4个应变电阻，且构成惠斯通电桥。

8.根据权利要求书1所述的一种新型桥梁结构挠度自动监测系统，其特征是：所述多个无线传感网络（1）布设于桥梁的各个跨弧上。