CN204086219U - 一种桥梁健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种桥梁健康监测系统，包括数据采集子系统(1)、远程传输子系统(2)和监控中心计算机(3)，所述的数据采集子系统(1)包括数据采集单元(4)和多个传感器(5)；所述的数据采集单元(4)包括：信道选择模块(6)、激振模块(7)、拾振模块(8)、温度调理模块(9)、单片机模块(10)及串行数据通信模块(11)，信道选择模块(6)分别与传感器(5)、激振模块(7)、拾振模块(8)和温度调理模块(9)连接，单片机模块(10)分别与激振模块(7)、拾振模块(8)、温度调理模块(9)和串行数据通信模块(11)连接，串行数据通信模块(11)与远程传输子系统(2)连接，远程传输子系统(2)与监控中心计算机(3)连接。本实用新型可实现对桥梁的实时、高效、准确的监测。

Description

一种桥梁健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种桥梁健康监测系统，属于桥梁健康监测技术领域。

背景技术

桥梁健康监测系统是一项融设计、开发、安装、观测和数据处理等多项任务为一体的装置，而远程自动监测更是集自动控制、计算机、通信、电力电子等专业为一体的综合性学科。因此，一个桥梁监测系统的成功与否除了与系统的软硬件资源有密切关系外，更重要的是系统总体方案的设计。系统的总体结构设计是保证在特定布置方式下系统的硬件和软件的结构以及基本功能的设计，它在一定程度上决定了系统的合理性与可靠性，同时也是决定系统投资成本的一个重要因素。

随着控制技术及计算机技术的迅速发展，同时考虑日后电力电子技术的不断发展，桥梁应力监测系统应能自动完成远程监测任务。现场数据采集系统和监控中心控制系统不间断地在线监测，确保及时发现随机出现的结构异常及报警。然而现有的桥梁健康监测系统不仅结构复杂，监测不够实时、效率低、准确性差，而且其中的很多部件均需从国外购买，成本高达万元，这在一定程度上大大限制了桥梁监测系统的应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种桥梁健康监测系统，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是监测不够实时、效率低、准确性差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：一种桥梁健康监测系统，包括数据采集子系统、远程传输子系统和监控中心计算机，所述的数据采集子系统包括数据采集单元和多个传感器；所述的数据采集单元包括：信道选择模块、激振模块、拾振模块、温度调理模块、单片机模块及串行数据通信模块，信道选择模块分别与传感器、激振模块、拾振模块和温度调理模块连接，单片机模块分别与激振模块、拾振模块、温度调理模块和串行数据通信模块连接，串行数据通信模块与远程传输子系统连接，远程传输子系统与监控中心计算机连接。

优选的，所述的信道选择模块包括：传感器接线端、继电器A5W-K、8路模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008和抗雷管，继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关HCF4051和继电器A5W-K连接，传感器接线端分别与继电器A5W-K和抗雷管连接，从而使其与进口的信道选择模块具备相同性能的前提下大大降低了成本。

更优选的，所述的激振模块包括：稳压管D52、稳压管D53、二极管Dl、三极管Ql和三极管Q2，二极管Dl的输入端和输出端分别与稳压管D53的输出端、三极管Ql的输入端连接，三极管Q2的输入端和输出端分别与三极管Ql的输出端、稳压管D52的输出端连接，稳压管D52和稳压管D53的输入端接地，从而使其与进口的激振模块具备相同性能的前提下进一步降低了成本。

更优选的，所述的拾振模块包括滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的输出端与整形变换电路的输入端连接，从而使其与进口的拾振模块具备相同性能的前提下进一步降低了成本。

更有选的，所述的温度调理模块包括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电路，信号切换电路分别与恒流源电路和U/F转换电路连接，从而使其与进口的温度调理模块具备相同性能的前提下进一步降低了成本。

优选的，前述的传感器采用振弦式传感器，由于振弦式传感器输出的是频率信号，抗干扰能力强，对电缆要求低，适合于远距离传输，因而获得的测量结果较为准确。

优选的，所述的远程传输子系统主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组成，信号转换器与网络中继器之间通过通讯电缆连接，从而可以实现高效、快速的传输信号。

前述的远程传输子系统也可采用GPRS模块，具有以下优点：a.由于GPRS模块具有实时性在线特性，系统无时延，因而可以很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求；b.GPRS网络已经覆盖绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大范围的监测，测点布置灵活；c.监控中心计算机可以灵活移动，只要能接入Internet，就可以对测点进行监控；d.一次传输的信息量可达1024个字节；e.通信速率高，可达40kbps；f.采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需在测点安装GPRS模块即可，建设成本低。

本实用新型中，所述的单片机模块采用TI MSP430F6638混合信号微处理器，从而可以降低功耗，节约成本。

本实用新型中，所述的串行数据通信模块与远程传输子系统之间采用RS-232接口通信，远程传输子系统与监控中心计算机之间采用RS-485接口通信，从而可以满足系统的需求，实现数据的准确传输。

前述的信道选择模块与传感器通过RS-485通信总线连接，从而可以提高数据传输速率。

与现有技术相比，本实用新型通过利用数据采集单元，尤其是利用发明人亲自设计的信道选择模块、激振模块、拾振模块及温度调理模块，可以实现实时、高效、准确的采集数据，进而即可实现对桥梁的实时、高效、准确的监测；另外，本实用新型中的数据采集子系统是一种分散采集、集中处理的系统，其布局灵活、扩展方便，可适用于各种工程规模的桥梁监测系统中；此外，发明人所设计的信道选择模块、激振模块、拾振模块及温度调理模块不仅性能优越，而且相对于进口的模块而言大大降低了系统的成本(本实用新型的系统仅需一千元左右，而现有进口的单纯模块就需上万元)，因而本实用新型的系统适于大规模推广应用。

附图说明

图1是本实用新型的一种实施例的结构连接示意图；

图2是采用GPRS模块的监测系统示意图；

图3～图4是振弦式传感器的结构示意图；

图5是信道选择模块的电路图；

图6是激振模块的电路图；

图7是拾振模块的电路图；

图8是信号传输采用的接口种类示意图；

图9是太阳能电池供电模块的连接结构示意图；

图10是太阳能电池供电模块的安装示意图；

图11是本实用新型分散采集方式的结构连接示意图；

图12是比值采样法测电阻的电路连接图；

图13是振弦式应变计的结构示意图；

图14是温度修正模块的整体电路图。

附图标记：1-数据采集子系统，2-远程传输子系统，3-监控中心计算机，4-数据采集单元，5-传感器，6-信道选择模块，7-激振模块，8-拾振模块，9-温度调理模块，10-单片机模块，11-串行数据通信模块，12-太阳能供电模块。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

具体实施方式

本实用新型的实施例1：一种桥梁健康监测系统，如图1、图3～图14所示，一种桥梁健康监测系统，包括数据采集子系统1、远程传输子系统2和监控中心计算机3，所述的数据采集子系统1包括数据采集单元4和多个传感器5；所述的数据采集单元4包括：信道选择模块6、激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9、单片机模块10及串行数据通信模块11，信道选择模块6分别与传感器5、激振模块7、拾振模块8和温度调理模块9连接，单片机模块10分别与激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9和串行数据通信模块11连接，串行数据通信模块11与远程传输子系统2连接，远程传输子系统2与监控中心计算机3连接。所述的信道选择模块6包括：传感器接线端(即图5中的JP1、JP2、JP8)、继电器A5W-K、8路模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008和抗雷管(即图5中由上至下并列设置的R1、R2、R3、R4)，继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关HCF4051和继电器A5W-K连接，传感器接线端分别与继电器A5W-K和抗雷管连接。所述的激振模块7包括：稳压管D52、稳压管D53、二极管Dl、三极管Ql和三极管Q2，二极管Dl的输入端、输出端分别与稳压管D53的输出端、三极管Ql的输入端对应连接，三极管Q2的输入端、输出端分别与三极管Ql的输出端、稳压管D52的输出端对应连接，稳压管D52和稳压管D53的输入端接地。所述的拾振模块8包括：滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的输出端与整形变换电路的输入端连接。所述的温度调理模块9包括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电路，信号切换电路分别与恒流源电路和U/F转换电路连接。所述的传感器5采用振弦式传感器。所述的远程传输子系统2主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组成，信号转换器与网络中继器之间通过通讯电缆连接。所述的单片机模块10采用TI MSP430F6638混合信号微处理器。所述的串行数据通信模块11与远程传输子系统2之间采用RS-232接口通信，远程传输子系统2与监控中心计算机3之间采用RS-485接口通信。其余硬件均采用市售产品。

实施例2：一种桥梁健康监测系统，如图1～图14所示，一种桥梁健康监测系统，包括数据采集子系统1、远程传输子系统2和监控中心计算机3，所述的数据采集子系统1包括数据采集单元4和多个传感器5；所述的数据采集单元4包括：信道选择模块6、激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9、单片机模块10及串行数据通信模块11，信道选择模块6分别与传感器5、激振模块7、拾振模块8和温度调理模块9连接，单片机模块10分别与激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9和串行数据通信模块11连接，串行数据通信模块11与远程传输子系统2连接，远程传输子系统2与监控中心计算机3连接。所述的信道选择模块6包括：传感器接线端、继电器A5W-K、8路模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008和抗雷管组成，继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关HCF4051和继电器A5W-K连接，传感器接线端分别与继电器A5W-K和抗雷管连接。所述的激振模块7包括：稳压管D52、稳压管D53、二极管Dl、三极管Ql和三极管Q2，二极管Dl的输入端和输出端分别与稳压管D53的输出端、三极管Ql的输入端对应连接，三极管Q2的输入端和输出端分别与三极管Ql的输出端、稳压管D52的输出端对应连接，稳压管D52和稳压管D53的输入端接地。所述的拾振模块8包括：滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的输出端与整形变换电路的输入端连接。所述的温度调理模块9包括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电路，信号切换电路分别与恒流源电路和U/F转换电路连接。所述的传感器5采用振弦式传感器。所述的远程传输子系统2采用GPRS模块。所述的单片机模块10采用TI MSP430F6638混合信号微处理器。所述的串行数据通信模块11与远程传输子系统2之间采用RS-232接口通信，远程传输子系统2与监控中心计算机3之间采用RS-485接口通信。其余硬件均采用市售产品。

本实用新型的一种实施例的工作原理：

数据采集子系统1中的传感器5分散的布置在桥梁内部获取桥梁各个部分的信息，传感器5获得的信号信息经过RS-232通信总线传输到数据采集单元4。数据采集单元4通过信道选择模块6、激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9、单片机模块10及串行数据通信模块11完成测点传感器5的激励、测量及数据暂存后，通过远程传输子系统2将监测数据传输给监控中心计算机3，监控中心计算机3根据该监测数据判断桥梁当前的健康状况。

具体的，本实用新型中各个部件的工作原理如下：

振弦式传感器：

振弦式传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦，在电激励下，振弦按其固有频率振动；改变振弦的张力F，可以得到不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值函数关系，其结构如图3、图4所示。随着加载在振弦端部的力发生变化，振弦的谐振频率也会发生相应的变化。通过一组不同频率的脉冲来激励振弦振动，引起振弦的共振，测得共振频率，就可计算出传感器的受力情况及工程值。

根据动力学原理，任意机械振动系统的谐振频率可根据下式计算：

$f=G\sqrt{\frac{\mathrm{EK}}{m}}$    公式1

公式1中，E为谐振元件材料的弹性模量；m为谐振元件的质量；K为材刚度；G与量纲有关的常数；f为谐振元件的频率。

在磁场中的载流振弦收到电磁力F₁的作用，电磁力大小为：

F₁＝Bli   公式2

公式2中，B为磁感应强度；l为振弦的有效长度；i为通过振弦的电流值。F₁的一部分用于克服振弦质量m的惯性，使之获得一定的速度v，其值为：

$\∫\frac{{\mathrm{Bli}}_c}{m}\mathrm{dt}$    公式3

公式3中，i_c是克服振弦惯性所需的电流，当振弦以速度v运动时便切割磁力线，产生感应电势e，其值为：

$e=\mathrm{Blv}=\frac{{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2}{m}{\∫i}_c\mathrm{dt}$    公式4

将公式4与电容充电公式加以比较，就可以看出：在磁场中运动的振弦质量m的作用相当一只电容，因而可用等效电容C来表示：

$C=\frac{m}{{\left(\mathrm{bl}\right)}^2}$    公式5

这里的b即B，为磁感应强度；质量为m的振弦，一方面作为惯性体被加速，从而吸收了一部分电磁力F₁，使之达到速度为v的运动；另一方面，振弦又作为具有横向刚度的弹簧起作用，因此电磁力又用于克服弹簧反作用力F_c。

设在时间t＝t1时，振弦偏离初始平衡位置的距离为δ，则其弹性反作用力F_c为：

F_c＝Kδ   公式6

公式6中，K为振弦的横向刚度系数。

由F_c＝bli_c，e＝blv，可得：反电势为：

$e=\mathrm{Bl}\frac{\mathrm{d\δ}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2}{K}\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}$    公式7

公式7与电感反电势公式相比较可以看出：位于磁场内张紧的弦产生横向振动，其作用相当于感性阻抗，其等效电感为：

$L=\frac{{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2}{K}$    公式8

因此，位于磁场中一根张紧的振弦的运动如同一个LC并联振荡电路。因而振荡频率可按LC环路的计算方法得到，即：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$    公式9

将等效电容和等效电感代入公式9中，得：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{K}{m}}$    公式10

把代入公式10中，整理得到

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{\mathrm{\π}}{l}\sqrt{\frac{T}{\mathrm{s\ρ}}}$ 或 $f_0=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{T}{\mathrm{s\ρ}}}$    公式11

公式11中，T为振弦的张紧力；s为振弦的横截面积；ρ为振弦金属材料的密度；l为振弦的有效长度。

公式11建立了振弦的固有频率f₀上的等幅振荡。当振弦受到拉力时，其振荡频率将偏离固有频率f₀，该接收频率按数学公式计算就可得出对应的压力值。可以看出，当传感器制造成功之后，所有的振弦材料和振弦直径的有效长度均为不变量。振弦的自振频率只与振弦所受的张力有关。因此，张力可用频率f的关系式来表示：

F＝K(f_x ²-f₀ ²)+A   公式12

公式12中，F为振弦张力；K为传感器灵敏系数；f_x为张力变化后的振弦自振频率；f₀为传感器振弦初始频率；A为修正系数。

振弦传感器的温度特性：

在温度恒定时，振弦的张力与应变有着确定的关系。当产生应变时，振弦端部受到的张力会发生相应变化。但是当应变恒定而温度发生变化时，也会使弦的张力发生变化。温度升高，拉力降低，温度降低，拉力升高。这时就无法分析造成频率变化的因素。因此，需要考虑温度和应变同时发生时，振弦传感器的频率是如何变化的。在这种情况下，振弦式应变传感器的基本运算公式可根据如下公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{ml}}{\mathrm{EA}}{f}^2+\mathrm{\ΔT\α}=k_1{f}^2+\mathrm{\ΔT\α}$    公式13

其中：m为钢弦单位长度的质量；E为钢弦的弹性模量；A为钢弦的截面积；α为振弦金属材料的热膨胀系数；ΔT为温度变化；振弦式应变传感器在出厂时一般都已经过标定，同一型号的传感器系数k₁相同。

从理论上讲，当混凝土内部预应力没有变化时，输出应基本保持为零。所以必须根据实际情况对公式13进行温度修正，除了计算振弦本身的热膨胀外，还应考虑被测物体自身的热膨胀，由此得到温度修正公式：

ε＝k₁f²+ΔTα-ΔT₁β   公式14

其中：β为混凝土的膨胀系数；ΔT为传感器本身的温度变化；ΔT₁为混凝土表面的温度变化。

ΔT与ΔT₁往往不相等，一般的传感器产品说明书都给出公式13，但当传感器实际安装时，则应按公式14进行计算，一般来说，混凝土的实际热膨胀系数β比较难确定，可以在无荷载的情况下进行读数，此时公式14中的应变量为0，则：

$\mathrm{\β}=\frac{k_1{f}^2+\mathrm{\ΔT\α}}{{\mathrm{\ΔT}}_1}$    公式15

对公式14和公式15的计算是一项重要的工作，尤其当传感器安装在混凝土表面时，由于环境温度变化剧烈时，会对最终的测试结果造成很大影响，因此温度修正工作显得十分重要。

由于传感器5的位置是固定的，很多是埋设在桥梁内部的。而一个数据采集单元4能够采集到的传感器5的数据值是固定的。监测系统必须能够连接安装在桥梁不同重要部位的多个传感器5，所以要在传感器5比较集中的地方设置数据采集单元4，通过通道选择模块6对每个数据采集单元4所辖的多个传感器5加以选通，可以减少传感器5信号的传输距离，以便对采集的多种信息进行实时处理，得到反映整个桥梁健康状态的特征参数，同时提高了系统的抗外界干扰能力。

因为整个系统测点多且分布范围较广，所以采用分散采集方式，即先将分散的传感器5信号通过现场数据采集单元4转换成数字信号，预处理后再通过RS-485总线传输到远程的监控中心计算机3，以减少因传输线路太长而产生的信号衰减和噪声干扰。

远程传输子系统2与监控中心计算机3：

远程传输子系统2，主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组成。监控中心计算机3，由工控机及其他附属设备组成。主要负责对数据采集单元4的遥测、数据的分析处理、信息管理及事故报警。如图11所示。

远程传输子系统2采用GPRS模块，它的工作原理为：整个系统上电运行，启动监控中心计算机中的相关现有软件；GPRS DTU接入GPRS网络，获得一个动态的IP地址，GPRSDTU通过移动网关GGSN可以接入Internet；GPRS DTU作为客户端，以IP地址与监控中心计算机3的数据中心软件建立连接，到此通信链路建立完毕。

信道选择模块6：

信道选择模块6，如图5所示，主要负责把多路传感器5的信号分时传输，以便单片机模块10进行处理。其主要由传感器接线端、继电器A5W-K、8路模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008以及抗雷管组成。

通道选择模块6的设计思想为：把最多8路传感器5分时测量，通过8路模拟开关HCF4051以及继电器A5W-K控制。JPl，JP2，…JP8表示接入传感器的接线端；白线、绿线、红线、黑线表示接入传感器的信号线，最后以总线的形式接入到单片机模块10。测量电路中的Rl，R2，R3，R4表示电路中防止干扰用的抗雷击管。

本系统所使用的传感器5为白、绿、红、黑四线接头，其中白线与绿线代表所测热敏电阻接线端，红线与黑线代表振弦的两端。继电器A5W-K的工作原理相当于由电压控制的一单刀双掷开关，当线圈两端所加电压大于它的开启电压时，开关切换；当所加电压小于释放电压时，开关保持原来不上电状态；8路模拟开关HCF4051，是通过三个地址选通端A，B，C来控制选择通道，类似于一个3线8线译码器，在某一时刻把输入端从某一路输出(双向导通)，此时这路通道开关相当于处于闭合状态。继电器驱动器ULN2008内部结构为高电压大电流达林顿阵列，专门用来驱动继电器，可以直接驱动继电器等外接控制器件。

激振模块7：

激振模块7，如图6所示，采用的是扫描激振模式，即采用一个频率可调的信号激励振弦式传感器的激振线圈，如果信号的频率与振弦的固有频率相接近，振弦就能迅速达到共振状态。单片机模块10的I/O口按照一定的频率产生激振信号，通过高频变压器以l:20的比例产生高压脉冲激励振弦，使振弦振动。激励电流通过激振线圈，激励电流产生的交变磁场激励振弦振动。P1.1控制三极管Ql的截止和导通，导通时，P1.0输出的方波激励振弦传感器；二极管Dl选用快速导通二级管，用于吸收三极管Ql导通和截止瞬间所产生的尖峰脉冲；稳压管D52和D53起到了稳定电压的作用，保证了电路工作的稳定性。

拾振模块8：

电路图如图7所示，感应电势的频率即振弦的固有频率，因此，拾振模块8对振弦频率的拾取即对线圈中感应电势频率的拾取。拾振线圈中感应电势的频率检测电路由两部分组成，一部分是滤波放大电路，由于振弦的共振频率范围为400～4500Hz，可采用LM324组成的有源低通滤波电路，即图7中左侧包含三个LM324的电路；另一部分是整形变换电路，整形变换电路可采用过零比较法，从比较器的输出端得到周期性的方波，方波的频率即为待测频率；该整形变换电路可通过LM324中的一组运放来实现，如图7中右侧包含LM324中的一组电路。

温度调理模块9：

温度调理模块9分为三个部分：第一部分是恒流源电路，用于获得待测电阻上的电压；第二部分为信号切换电路，用于模拟开关，依次把“地电位”、待测电阻、标准电阻上的电压通过同一通道阻抗隔离、差分放大后送入第三部分，即U/F转换电路。具体的说：

(1)恒流源电路：

恒流源电路采用国家半导体公司的LM334芯片为核心来构成恒流源电路，这种方法构成的恒流电路的恒流效果十分理想，如图14所示；其中，RES1和RES2分别为接入传感器5的被测电阻和标准电阻，RES1两端的电压为被测电阻的电压；RES2两端的电压为的标准电压，二者经过信号切换电路，被转换成频率信号。

(2)信号切换电路

信号切换电路中的主要芯片采用国家半导体公司的CD4052，其为四选一的模拟开关，通常的工作电压为5V。3,5脚之间传输的是被测电压，7,9脚之间传输的是标准电阻两端的电压；通过单片机模块10的P0.1，P0.2，P0.3，把这两个电压分时传输到电压/频率转换电路中，其中AD620的作用是把从CD4052输出的小信号放大，达到U/F转换芯片LM331的输入要求。原理图如图14所示。

(3)U/F转换电路

电压/频率转换电路主要使用的芯片为LM331，LM331是一种精密的电压频率转换器，非常适用于用作模/数转换器。此部分电路图如图14所示。

U/F转换电路的输出电压为频率精确的正比于输入电压的脉冲串，它具备电压转换计数的所有优点。它把送入的电压转换为频率(10Hz～10kHz)，被测电压由Vin输入，经U/F转换后从Fout端输出。输出的频率信号送到单片机模块10的计数/定时端口，单片机模块10对频率信号进行采集、处理、存储，从而实现模拟信号到数字信号的转换。

U/F转换的输出频率为：

$F_{\mathrm{out}}=\frac{{-V}_{\mathrm{in}}}{2.09V}\×\frac{R_5}{R_{12}{C}_3}$    公式16

公式16中，V_in为输入电压(此处为传感器电压)，V为太阳能电池电压，因为U/F转换这种线性关系，输出频率与输入电压成正比关系。利用比值采样方法，分别采样待测电压，此电压经过U/F转换后，由单片机测得频率为f_x，对应周期为T_x。采样精密电阻R上的电压U₁，此电压经过U/F转换后，由单片机模块10测得频率为f₁，对应周期为T₁，采样地电位U₂，经过U/F转换后，由单片机模块10测得频率为f₂，对应周期为T₂。每次测量时，令U₂＝0，而U₁＝i*R，因此有：

$R_x=R\×\frac{T_1(T_2-T_x)}{T_x(T_2-T_1)}$    公式17

由公式17可知：被测电阻只与三次采样后经U/F转换的输出频率对应的周期有关，而与运放的增益、恒流源的大小以及电路中其他外围器件无关。这也极大地提高了测量的精度。

其中，所谓的比值采样法，即在一次测量中采样某几个特定的点，找出它们之间的比值关系表示待测量，来代替采样某一个点，得到待测量的确定表达式，从而使电路参数的变化对被测值的影响降低到最小。比值采样法测电阻的整体思路为：如图12所示，温度测量：热敏电阻的温度与电阻的函数关系式为：T＝g(R)-273.2；T即为环境温度；其中，LnR＝阻值的自然对数。A＝1.4051×10^-3，B＝2.369×10^-4，C＝1.019×10^-7。

所有的振弦仪器都有测读温度的半导体温度计，随着温度的变化，半导体温度计的输出电阻也相应变化。通常白、绿色芯线连接到仪器内部的半导体温度计。也可以按照公式：T＝g(R)-273.2计算温度。本仪器的钢振弦温度膨胀系数K＝12.2με/摄氏度。(温度系数K仅用于补偿仪器本身因温度变化产生的应变变化)，με：微应变。

仪器的温度因素修正：με(微应变)＝G×C(R₁-R₀)+K×(T₁-T₀)；

其中：T₁：环境温度，T₀：初始温度，K＝12.2με/摄氏度，G＝3.15；

振弦式应变计如图13所示，温度修正模块整体电路图如图14所示。

对于保护箱中，数据采集单元4和远程传输子系统2之间的通信，选择的是串口通信的RS-232接口，因为：RS-232接口是双工通信，适合于10m以内的短距离传输，传输速率最高20kbps左右，是进行点对点，或者说一对一近距离通信的比较好的选择。

对于远程信号的传输，包括数据采集单元1之间、远程传输子系统2与监控中心计算机3之间以及数据采集单元1与各个传感器5之间，采用的是RS-485接口。因为RS-485接口是半双工通信，传输距离为千米级，传输速率达到10Mbps，可以进行一对多通信：实现1对128个点通信。而且，具有抑制共模干扰的能力，灵敏度高，所以远程传输中采用RS-485接口。如图8所示。

太阳能供电模块12：

对于野外环境下不能提供交流或其它供电条件的情况下，监测系统采用太阳能供电模块12供电。太阳能供电模块12在钢质电线杆上安装。

太阳能供电模块12与其他模块的连接关系及硬件实现：

对于太阳能供电模块12，包括：太阳能电池板、充放电控制模块和蓄电池；原理是采用光伏组件，使得太阳能转变成电能储存在蓄电池组当中；而存储在蓄电池中的电能都是以直流电形式存放的，如果需要对交流电气器件进行供电，那么就只需加上一个逆变器。太阳能供电模块12，可对GPRS模块和数据采集单元4进行供电。如图9所示。

太阳能供电模块12的安装连接方式如下：(如图10所示)

(1)选取尺寸合适的电线杆；

(2)在安装电线杆时，将仪器电缆先穿入电线杆中芯；

(3)为防止仪器电缆被盗割，有效防盗，可利用空心的电线杆将仪器电缆从电杆底部引向电杆顶部；并在电线杆的下端设置一段U形的钢管(直径取决于电仪器电缆的数量)，用于保护端部的仪器电缆不被挤压；对于钢管可在电杆埋设前位于地面下20cm或更深处预留电缆孔用于仪器电缆的穿引；

(4)将电线杆扶正后，在底部浇筑混凝土使其稳固；

(5)在雷击频繁的地区安装时必须设置避雷针，避雷针可使用钢筋自制；避雷地线可使用直径不小于6mm的铜杆或钢筋从电线杆内部穿入底部并做合理的避雷接地处理；

(6)将太阳能电池板与保护箱(内置的模块等可提前安装就位)安装在电线杆顶部并注意朝向正南方；

(7)将仪器电缆从电杆顶部引向保护箱内的测量单元；

(8)将GPRS吸盘天线放置在保护箱(遮阳罩)顶部，并用硅胶固定；

(9)如果有必要，在机箱下方设置工作平台，便于设备安装调试。

蓄电池选用：设备已经内置6V10Ahr的免维护蓄电池。标配的测量单元加上GPRS模块后系统平均工作电流为150mA，每天耗能约为3.5Ahr。标配6V10Ahr的免维护铅酸蓄电池在电池充满后，系统连续工作时间约为3天，最保守的时间也不少于2天(前提是每小时测量1次及电池老化后及出现连续阴雨天气)。考虑到监测频次较高(如5分钟一次或更高)，则需要额外增加一块相同型号的蓄电池。

太阳能电池板选用：太阳能电池选用标准的12V20W的太阳能电池板，电池在空载时的峰值电压约为19V，太阳直射时的最大电流不小于1.5A。对于年日照时间不少于2000小时，平均每天约为5小时的地区，当使用GPRS模块通讯时，包含数据采集仪在内系统的平均工作电流为100mA，即每天消耗电池容量相当于3.6Ahr。扣除阴雨天气，使用上述太阳能电池对蓄电池充电电流平均为1A，平均每天可向电池提供约4Ahr的充电容量，因充电容量＞消耗容量，基本可以保持电池容量处于充满状态。同时，该太阳能电池在阴天大约有不少于200mA的输出电流，足以维持系统在白天所消耗的电流。为保证后备时间充足，则使用50W太阳能电池板。

以上工作原理中所涉及到的公式均为现有技术，本实用新型的关键在于系统中信道选择模块6、激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9的设计。

Claims (9)

1.一种桥梁健康监测系统，其特征在于：包括数据采集子系统(1)、远程传输子系统(2)和监控中心计算机(3)，所述的数据采集子系统(1)包括数据采集单元(4)和多个传感器(5)；所述的数据采集单元(4)包括：信道选择模块(6)、激振模块(7)、拾振模块(8)、温度调理模块(9)、单片机模块(10)及串行数据通信模块(11)，信道选择模块(6)分别与传感器(5)、激振模块(7)、拾振模块(8)和温度调理模块(9)连接，单片机模块(10)分别与激振模块(7)、拾振模块(8)、温度调理模块(9)和串行数据通信模块(11)连接，串行数据通信模块(11)与远程传输子系统(2)连接，远程传输子系统(2)与监控中心计算机(3)连接。

2.根据权利要求1所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的信道选择模块(6)包括：传感器接线端、继电器A5W-K、8路模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008和抗雷管，继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关HCF4051和继电器A5W-K连接，传感器接线端分别与继电器A5W-K和抗雷管连接。

3.根据权利要求2所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的激振模块(7)包括：稳压管D52、稳压管D53、二极管Dl、三极管Ql和三极管Q2，二极管Dl的输入端和输出端分别与稳压管D53的输出端和三极管Ql的输入端对应连接，三极管Q2的输入端和输出端分别与三极管Ql的输出端和稳压管D52的输出端对应连接，稳压管D52和稳压管D53的输入端接地。

4.根据权利要求3所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的拾振模块(8)包括：滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的输出端与整形变换电路的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的温度调理模块(9)包括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电路，信号切换电路分别与恒流源电路和U/F转换电路连接。

6.根据权利要求1所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的传感器(5)采用振弦式传感器。

7.根据权利要求1所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的远程传输子系统(2)主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组成，信号转换器与网络中继器之间通过通讯电缆连接。

8.根据权利要求1或5所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的单片机模块(10)采用TI MSP430F6638混合信号微处理器。

9.根据权利要求8所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的串行数据通信模块(11)与远程传输子系统(2)之间采用RS-232接口通信，远程传输子系统(2)与监控中心计算机(3)之间采用RS-485接口通信。