CN205898287U - 基于无线传感网络的桥梁震动检测装置 - Google Patents

Abstract

本专利具体公开了一种基于无线传感网络的桥梁震动检测装置，包括上支座板和下支座板，在所述上支座板上设有凹槽，所述凹槽下方设有中间滑动盘，所述中间滑动盘与所述下支座板相接触，所述下支座板与所述上支座板滑动配合，还包括Zigbee无线模组和数据中心，所述上支座板的凹槽内安装有用于测试桥梁内部轴向运动的扭矩传感器，所述中间滑动盘的凹槽内安装有用于测试桥梁内部横向或纵向运动的振动传感器，所述振动传感器与所述扭矩传感器相接触，且所述扭矩传感器和所述振动传感器将信号传递给Zigbee无线模组，所述Zigbee无线模组电连接所述数据中心。相对于现有技术相比，监控更精确，不会存在产生微弱信号，导致数据失真的现象。

Description

基于无线传感网络的桥梁震动检测装置

技术领域

本实用新型属于桥梁安全监测领域，尤其涉及一种基于无线传感网络的桥梁震动检测装置。

背景技术

近几年极端气候频繁发生，导致了多起桥梁坍塌事故，造成了巨大的人民财产损失。对桥梁进行定期维护和检修，对其健康状况进行监测和评价，掌握其健康状况是有重要意义的。传统的桥梁养护管理模式大多属于在桥梁出现病害后的一种纠正性维护方式，通过桥梁养护人员经常和定期检查，发现病害或损伤，再请专业检测单位进行特殊检查，根据检测评定结果，对其进行维修加固。这种养护策略是被动的，并且采用的检测方法主要是通过人工目测检查或借助便携式仪器对桥梁进行检测，存在诸多局限性，主要表现在：a）实时性差，不能在突发事件发生后，迅速查明桥梁结构状态，及时为桥梁管理决策服务的目的；b）检测时需要大量人力、物力和财力，每次检测重复性工作较多，并且人员、设备不易到达，一些重要部位和结构内部损伤不易通过外观检查发现；c）受检测人员的知识经验技能的影响很大，检测的主观性强，诸多检测指标难于量化；d）影响正常交通运行，尤其是进行桥梁静、动载试验时，需要临时封闭交通。

传统检测方法和检测手段由于其局限性已经不能适应大规模桥梁健康检测评定的发展要求，由于桥梁是交通枢纽，其安全保障是非常重要的。因此亟需对中小桥健康监测评价系统进行研究，开发出适应现代养护管理模式，能实时、全面掌握桥梁结构运营状态及反应行为的新型桥梁检测方法。桥梁结构的检测、监测也就成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段。

传统的桥梁健康监测系统是以电缆或电线作为基础传输介质。目前常用的解决方案是在监控现场，将传感器布置在需要监测桥梁的关键部位，传感器采用星型连接，将各个传感器采集到的信号用独立电缆传送到中央采集站，由中央采集站将所有连接的信号集中处理发送到上位机，进行实时数据采集。桥梁结构一般都十分庞大，需要很多传感器，工作环境复杂，相应的监测点分散，这种传统的有线信号传输方式存在很大问题：

①线路布设复杂，接线繁琐，安装造价高，后期的线缆维护所耗的时间和精力巨大，应用上有较大局限性；

②有些监测传输距离太远，桥梁监测中的很多传感器微弱信号会造成数据的失真；

③采集速度慢，数据接口和系统整合能力差；

④影响正常的交通运行，若对桥梁进行荷载试验等定期检测，需要封闭交通。这种传统的串行集中式监测系统很大程度上影响系统的处理速度、系统的可靠性和灵活性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种采集速度更快，监控更精确的基于无线传感网络的桥梁震动检测装置。

为了达到上述目的，本实用新型的基础方案为：基于无线传感网络的桥梁震动检测装置，包括上支座板和下支座板，在所述上支座板上设有凹槽，所述凹槽下方设有中间滑动盘，所述中间滑动盘与所述下支座板相接触，所述下支座板与所述上支座板滑动配合，还包括Zigbee无线模组和数据中心，所述上支座板的凹槽内安装有用于测试桥梁内部轴向运动的扭矩传感器，所述中间滑动盘的凹槽内安装有用于测试桥梁内部横向或纵向运动的振动传感器，所述振动传感器与所述扭矩传感器相接触，且所述扭矩传感器和所述振动传感器将信号传递给Zigbee无线模组，所述Zigbee无线模组电连接所述数据中心。

本基础方案的原理在于：当桥梁内部轴向振动时，由于上支座板凹槽内的扭矩传感器内的弹性轴上粘贴有阻应变片，当弹性轴受扭矩产生微小变形后，引起阻应变片电阻值相应发生变化，阻应变片电阻值的变化转化为电信号的变化从而实现扭矩测量，并传递给Zigbee无线模组，可以测试出桥梁震动是否超过定值，可随时监控；当桥梁内部横向或纵向振动时，振动传感器外壳随着桥梁运动而运动，同时带动位于振动传感器内的弹性支承的质量块发生相对运动，则装在质量块上的记录笔就可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅度，然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式，即可求出被测物体的绝对振动位移波形，并将位移波形传递给Zigbee无线模组。Zigbee无线模组将扭矩传感器和振动传感器所检测出的信号进行分析，将分析后的数据传递给数据中心，数据中心进行实时监控。

本基础方案的有益效果在于：相对于现有技术相比，本方案利用扭矩传感器和振动传感器检测桥梁内部振动的信息，采集速度更快，由于是基于Zigbee无线模组来接收扭矩传感器的信号和振动传感器的振动位移波形信号，监控更精确，不会存在产生微弱信号，导致数据失真的现象。

方案二：此为基础方案的优选，还包括Zigbee中心节和GPRS/GSM模块，所述Zigbee无线模组包括 Zigbee 路由节点1、Zigbee 路由节点2和Zigbee 路由节点3，上述路由节点通过连接的所述Zigbee中心节将数据传递所述GPRS/GSM模块，所述GPRS/GSM模块将数据发送到所述数据中心。

本方案二的原理在于：扭矩传感器的信号和振动传感器的振动位移波形信号传递给Zigbee 无线模组，Zigbee 无线模组内的Zigbee路由节点 1、Zigbee 路由节点2和Zigbee 路由节点3将信息传递给Zigbee 路由节点2连接的Zigbee中心节，将数据通过主机节点的GPRS/GSM模块发送到数据中心。

本方案二的有益效果在于：与现有技术相比，本方案中的无线传感网络更直观，由Zigbee路由节点1、Zigbee路由节点2和Zigbee路由节点3获得扭矩传感器和振动传感器的信号，线路布设简单，接线更简便。

方案三：此为基础方案的优选，包括中心站数据设备、GPRS/SMS卫星通信和INTERNET，所述中心站数据设备连接所述GPRS/SMS卫星通信，所述GPRS/SMS卫星通信连接所述INTERNET。

本方案三的原理在于：中心站数据设备可接受到GPRS/SMS卫星通信和INTERNET数据包，将接受到的数据包进行分列，如是INTERNET数据包，将INTERNET数据包同时传递给监控终端和路由器，路由器将接收到的INTERNET数据包传递给系统服务器，系统服务器会针对INTERNET数据包进行分析，并把分析后的INTERNET数据包传递给管理中心，管理中心将会对INTERNET数据包进行实时监控。如是GPRS/SMS卫星通信数据包，直接通过GPRS/SMS卫星通信将信息发送至用户的短信报警通知。

本方案三的有益效果在于：与现有技术相比，本方案不需要对桥梁进行荷载试验等定期检查，根据检测装置将检测的信息通过GPRS/SMS卫星通信和INTERNET传递给中心站数据设备，中心站数据设备可直接将接受到信息发送给用户端，更加方便；而且提高了监测系统的处理速度，也提高了系统的可靠性和灵活性。

方案四：此为基础方案的优选，所述上支座板凹槽的球面曲率半径大于所述中间滑动盘凹槽的球面曲率半径。当上支座板凹槽的球面曲率半径大于中间滑动盘凹槽的球面曲率半径时，中间滑动盘可插入上支座板内，用于固定上支座板上的扭矩传感器和中间滑动盘上的振动传感器。

方案五：此为方案三的优选，所述系统服务器网络带宽需要在2M以上，且可配备备用系统服务器。为保证网络访问的顺畅。

方案六：此为方案三的优选，所述短信报警通知设置在用户客户终端，可进行实时监控，使用户更方便处理接受到的信息。

附图说明

图1是本实用新型基于无线传感网络的桥梁震动检测装置实施例的示意图；

图2是Zigbee 无线组网结构连接示意图；

图3是中心站数据设备结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：上支座板1，Zigbee路由节点1-10，Zigbee路由节点2-11，Zigbee路由节点3-12，Zigbee中心节点13，GPRS/GSM模块14，数据中心15，扭矩传感器2，振动传感器3，中间滑动盘4，下支座板5，中心站数据设备100，GPRS/SMS卫星通信101，INTERNET 102，监控终端103，路由器104，短信报警通知105，系统服务器106，管理中心107。

实施例基本如图1所示，桥梁震动检测装置包括上支座板1、中间滑动盘4和下支座板5。在上支座板1上设有一个凹槽，凹槽内安装有扭矩传感器2，并且中间滑动盘4设置在上支座板1的凹槽的下方，与上支座板1的两侧竖板相配合，中间滑动盘4内设有一个凹槽，在凹槽内安装有振动传感器3，振动传感器3与扭矩传感器2相接触，且振动传感器3可在中间滑动盘4内移动，为了支撑中间滑动盘4，在中间滑动盘4下端设置下支座板5，且中间滑动盘4设置在下支座板5的凹槽内，下支座板5与上支座板1相配合，上支座板1凹槽的球面曲率半径最大，中间滑动盘4凹槽的球面曲率半径最小。

如图2所示，本地无线终端节点与主机节点之间采用Zigbee无线自组网连接，各个终端节点之间，终端节点与主机节点之间采用Zigbee方式组成网络，完成本地数据的采集，Zigbee无线模组包括Zigbee路由节点1-10、Zigbee路由节点2-11、Zigbee路由节点3 -12，上述路由节点通过连接的Zigbee中心节13通过主机节点的GPRS/GSM模块14将数据发送到数据中心15。如图3所示，中心站数据设备100接收GPRS/SMS卫星通信101和互联网INTERNET102数据包两种方式，中心站数据设备100 连接GPRS/SMS卫星通信101，GPRS/SMS卫星通信101分别连接NTERNET 102和通信报警通知105，NTERNET 102分别连接路由器104和监控终端103，路由器104连接系统服务器106，系统服务器106连接管理中心107。

Zigbee无线模组通过协议栈添加Zigbee路由节点1-10、Zigbee路由节点2-11、Zigbee路由节点3 -12，还可根据组网方式进行添加其他Zigbee路由节点。所有Zigbee路由节点之间传递数据发送帧、数据接受帧、数据发送回复帧、AT命令帧和AT命令回复帧等。基于Zigbee路由节点主要包括无线收发电路、电源电路、Jtag电路和串口转换电路四个部分。其中，串口转换电路可实现rs232串口数据转换，可实现无线数据模块与计算机的通信。Jtag电路采用CC2430芯片。该芯片是Chipcon公司推出的嵌入式Zigbee应用的片上系统，它支持2.4GHZ IEEE 802.15.4协议。整个芯片整合了Zigbee射频前端、内存和微控制器三个部分。它使用了1个8位MCU(8051)，包含了数字转换器、ARSL28协同处理器、休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及可编程I/O引脚。射频芯片CC2430通过配合少数外围元器件就可以实现收发信号的功能。

系统服务器是核心设备，服务器需要保证不间断运行的稳定性和高性能性，需要配UPS 预防服务器的断电，并需要设置断电重启，必要时需要配备备用服务器。同时，由于服务器直接联入互联网，为最大保证运行安全，需要良好的防火墙和杀毒软件支持。为保证网络访问的顺畅，服务器网络带宽需要在2M以上。

本实施例的具体操作如下，当桥梁的内部是轴向振动时，上支座板1凹槽内的扭矩传感器2内的弹性轴上粘贴有阻应变片，当弹性轴受扭矩产生微小变形后，引起阻应变片电阻值相应发生变化，阻应变片电阻值的变化转化为电信号的变化从而实现扭矩测量，并传递给Zigbee无线自组网，可以测试出桥梁震动是否超过定值，可随时监控；当桥梁的内部是纵向或横向振动时，振动传感器3外壳随着桥梁运动而运动，由振动传感器3内的弹性支承的质量块将于外壳发生相对运动，则装在质量块上的记录笔就可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅度，然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式，即可求出被测物体的绝对振动位移波形，同时，发送给Zigbee无线自组网，终端节点都配置为路由模式，主机节点配置为中心模式，各终端节点的数据在终端节点构成的网络之间传输最终全部汇集到主机节点，再由主机节点上的GPRS接入设备将数据发送到数据中心服务器上。中心站数据接收通过GPRS/SMS短信和互联网数据包两种方式。实施例的一个特色是开发了基于安卓系统的手机客户端程序，可以允许管理人员随时随地查看每个桥梁的安全状态，避免了传统必须采用计算机连入互联网方式的查看带来的不便。

当用户在手机客户端得到数据种类后，接着需要依据数据的种类进行数据格式检验。若检验通过，用户命令进行命令转换工作，转换为远端监测设备规定的格式，最后发送到远端监测设备。实时监测数据进行数据的截断操作，将特定位置的数据转换为相应的监测信号，再转换为各个监测指标的数据值，最终分解为能进行入库的最小数据单元。若通不过检验，数据将被视为错误的信息。用户命令将直接丢弃，然后记录到软件工作日志中备查，并返回用户一条提示消息。实时监测数据也将丢弃，并连同错误信息记录到软件工作日志中备查。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (4)

1.基于无线传感网络的桥梁震动检测装置，包括上支座板（1）和下支座板（5），在所述上支座板（1）设有凹槽，所述凹槽下方设有中间滑动盘（4），所述中间滑动盘（4）与所述下支座板（5）相接触，所述下支座板（5）与所述上支座板（1）滑动配合，其特征在于，还包括Zigbee无线模组和数据中心（15），所述上支座板（1）的凹槽内安装有用于测试桥梁内部轴向运动的扭矩传感器（2），所述中间滑动盘（4）的凹槽内安装有用于测试桥梁内部横向或纵向运动的振动传感器（3），所述振动传感器（3）与所述扭矩传感器（2）相接触，且所述扭矩传感器（2）和所述振动传感器（3）将信号传递给Zigbee无线模组，所述Zigbee无线模组电连接所述数据中心（15）。

2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁震动检测装置，其特征在于，还包括Zigbee中心节（13）和GPRS/GSM模块（14），所述Zigbee无线模组包括 Zigbee路由节点1（10）、Zigbee路由节点2（11）和Zigbee路由节点3（12），上述路由节点通过连接的所述Zigbee中心节（13）将数据传递所述GPRS/GSM模块（14），所述GPRS/GSM模块（14）将数据发送到所述数据中心（15）。

3.如权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁震动检测装置，其特征在于，包括中心站数据设备（100）、GPRS/SMS卫星通信（101）和INTERNET（102），所述中心站数据设备（100）连接所述GPRS/SMS卫星通信（101），所述GPRS/SMS卫星通信（101）连接所述INTERNET（102）。

4.如权利要求1所述的基于无线传感网络的桥梁震动检测装置，其特征在于，所述上支座板（1）凹槽的球面曲率半径大于所述中间滑动盘（4）凹槽的球面曲率半径。