CN208872410U - 一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构，包括mems加速度传感器模块、频率选择模块、模数转换模块和数据处理模块，并且模数转换组与所述数据处理模组之间通过系统总线电性连接；还包括基坑结构，该基坑结构包括承重基梁、接触托梁和连接上述结构的托举台，在所述托举台内侧通过嵌合柱安装有主监测站台，且在每个嵌合柱的连接处的次监测站台，在主监测站台和次监测站台上均设置有用于接收三维方向震动波信号的mems加速度传感器模块，通过集成应用监测系统，能够实现多方位的监测，在整体监测的基础上，还通过设置次级的监测装置，达到分化监测的目的，更加准确的提供差异化震动的结果，能够避免正常范围的震动进入监测系统。

Description

一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构

技术领域

本实用新型涉及桥梁监测技术领域，具体为一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构。

背景技术

随着我国经济和社会的不断发展，国内基础设施的建设不断推广，作为应用基础设施核心结构的桥梁，其应用也是在不断的推广，桥梁工程的数量也是在不断的增多，而且桥梁的施工跨度和承重梁也是不断的提高，由于桥梁使用的复杂性，对桥梁具体结构的准确监测造成了很大的挑战。

传统的位移或者震动监测是定点标注以及定期巡检的方式，但是该测量方法存在的偶然因素较多，而且不容易把控，往往需要技术人员或者测绘人员到现场进行人工测量，不仅操作繁琐，效率低下，而且还会由于定点标准发生偏移影响测绘结构，最主要的是其测量结果不是实时同步的，甚至还会由于桥梁本身的某些特性，使得最终的结构不能被测量出来。因此，传统监测方法已无法满足现代桥梁对自动化、信息化监控量测技术的需求。

随着计算机技术的发展，未来监测系统必然向自动化、智能化的方向发展，运用多种分析软件对桥梁的实测数据进行反分析预测，实现“安全监测-实时监测-快速反馈-施工控制-在线管理”的有效循环，研发精度高的硬件，以及开发桥梁监测信息管理、预测系统软件，构建桥梁施工工况信息共享云平台，是桥梁监测技术发展和信息化施工的毕竟之路。

在国外，已使用由监测机器人和一系列的传感器组成的自动监控系统，对桥梁进行了监测，但是该监测系统仍然存在这问题，主要表现为：

1、监测系统要么监测范围窄小，要么就是监测的精度不够，不能够在主体监测和局部精度之间找到平衡点，不能够协调这两方面的矛盾关系；

2、测量震动或者位移数据不够精确，特别是对于整体测量来说，最终获得的测量数据不能准确的定位到发生点，这对于数据的分析和预警来说是十分不利的；

3、对于桥梁耐受范围内的信号不能够给予屏蔽，往往是所有的信息均被采集，其收集到的数据往往是冗杂和繁多的，不便于后续的数据处理和分析，对于后续工作来说，将会造成极大的不便。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本实用新型提供一种具有基于mems传感器检测系统的桥梁结构及桥梁结构，通过集成应用本实用新型中提供的监测系统，能够实现多方位的监测，保证监测数据的结果，在整体监测的基础上，还通过设置次级的监测装置，达到分化监测的目的，更加准确的提供差异化震动的结果，能够避免正常范围的震动进入监测系统，能有效的解决背景技术提出的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构，包括承重基梁和接触托梁，所述承重基梁和接触托梁之间通过位于两端的托举台连接，其特征在于：在所述托举台内侧通过嵌合柱安装有主监测站台；

还包括设在每个嵌合柱的连接处的次监测站台，所述次监测站台包括固定安装在嵌合柱上的T型支架，所述T型支架上依次设有三块水平载板，在位于顶部的两块水平载板之间通过板式橡胶支座连接，且在所述板式橡胶支座内侧固定安装有水平托板，在相邻的水平托板之间设有次级水平测量板,所述次级水平测量板中心安装有用于接收X、Y两个方向震动波信号的mems加速度传感器模块，在位于最顶部的水平载板上通过弹簧收缩杆安装有接触板，所述弹簧收缩杆上安装有用于接收Z方向震动波信号的mems加速度传感器模块，位于底部的两块水平载板之间通过若干个均匀分布的顶升柱连接，所述接触板侧面通过扶正杆与位于最底部的水平载板连接。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述主监测站台包括两块端部分别与位于顶部和底部嵌合柱固定连接的工字型顶杆，在工字型顶杆的两端之间均通过T型杆固定连接，所述工字型顶杆的两端均设有限位套环，且两根T型杆之间通过固定安装在工字型顶杆上的铰链座连接，所述铰链座的正上方设有垂向测量杆，所述垂向测量杆设在工字型顶杆的中心，且在铰链座和垂向测量杆的汇合处设有测量底盘，所述测量底盘上安装有用于接收X、Y、Z三个方向震动波信号的mems加速度传感器模块，所述T型杆的顶部与工字型顶杆的端部贴合接触。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述工字型顶杆包括垂向设置的中心校准杆，所述铰链座设在中心校准杆的底端，在中心校准杆的两端分别安装有托举梁，所述托举梁的内侧均固定安装有水平校准杆，所述中心校准杆和水平校准杆内分别设有铅垂线和水平仪。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述mems加速度传感器模块设在主监测站台和次监测站台三轴向上，用于接收桥梁上X、Y、Z三个方向的震动波信号；另外还包括

频率选择模块，所述频率选择模块与三轴向的mems加速度传感器模块电性连接，用于将接收的震动波信号分解成所需频率信号；

模数转换模块，所述模数转换模块与所述频率选择模块电性连接，用于将分解后的所需频率信号进行模数转换得到数字信号；

数据处理模块，数据处理模块与所述模数转换模块电性连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到服务器完成对监测数据的接受、存储和处理等功能；

所述模数转换组与所述数据处理模组之间通过系统总线电性连接。

作为本实用新型一种优选的技术方案，模数转换模块包括：至少一路的A/D转换模块，用于对所需信号进行模数转换；震动波采集分析应用单元，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型利用mems加速度传感器技术、频率分配、计算机、通信、网络、自动控制等技术，将基坑监测系统纳入到统一的平台中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集数据采集、监测、控制、管理、预警于一体的网络化、信息化和智能化的综合系统。其目的旨在为各种震动监测数据，各种监测目标提供高自动化、高可靠性的集成监测平台，并提供一种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分系统统一的目标；

(2)该桥梁的优点在于，首先通过集成应用本实用新型中提供的监测系统，能够实现多方位的监测，保证监测数据的结果；其次，在整体监测的基础上，还通过设置次级的监测装置，达到分化监测的目的，该监测方法的优点在于，一方面能够最大限度的保证监测效果，另外一个方面则是通过次级监测，可以准确获得各个方位的监测数据，从而更加准确的提供差异化震动的结果；第三，该桥梁的监测结构是基于承重结构之间的，也就是桥梁的质量仍然由承重结构承担，而当发生承重结构承受外的受力或者瞬间震动时，其震动信号将会第一时间被该监测系统捕获，从而准确、实时的获得整体上的监测结果，而且当震动信号过后，能够快速的恢复至原来的位置，始终保持在最佳的监测效果上。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型次监测站台结构示意图；

图3为本实用新型监测系统结构框图；

图中标号：1-承重基梁；2-接触托梁；3-托举台；4-嵌合柱；5-主监测站台；6-工字型顶杆；7-次监测站台；

501-T型杆；502-限位套环；503-垂向测量杆；504-测量底盘；

601-铰链座；602-中心校准杆；603-托举梁；604-水平校准杆；

701-T型支架；702-水平载板；703-板式橡胶支座；704-水平托板；705-次级水平测量板；706-弹簧收缩杆；707-接触板；708-顶升柱；709-扶正杆。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种具有基于mems传感器检测系统的桥梁结构的桥梁结构，包括承重基梁1和接触托梁2，所述承重基梁1和接触托梁2之间通过位于两端的托举台3连接，对于桥梁本身的重量，仍然有承重结构支撑，在所述托举台3内侧通过嵌合柱4安装有主监测站台5，将监测结构设置在托举台3之间，这样的优点在于，对于桥梁本身涉及范围内的变形或者震动，桥梁的自身结构能够避免该震动信号进入监测系统，从而避免一系列不必要的计算和预警，而当超过正常范畴的震动或者变形时，就会第一时间出发监测系统，并且将该信息记录下来。

所述主监测站台5包括两块端部分别与位于顶部和底部嵌合柱4固定连接的工字型顶杆6，工字型顶杆6为主监测站台5的主要负载结构，该监测结构的电子系统均将设置在工字型顶杆6上，另外，工字型顶杆6也是主要的震动信号的传递装置，在工字型顶杆6的两端之间均通过T型杆501固定连接，在工字型顶杆6的两侧通过T型杆501起到一个支撑作用，提高主监测站台5的稳定性，并且在工字型顶杆6的两端均设有限位套环502，限位套环502与桥梁主体承重结构之间的固定装置连接，从而将整个监测系统固定在托举台3之间，达到最佳的监测状态，且两根T型杆501之间通过固定安装在工字型顶杆6上的铰链座601连接，T型杆501通过铰链座601连接即为活动安装，能够更加准确、及时的传递形变或者震动信号。

因此，基于上述，在铰链座601的正上方设有垂向测量杆503，且垂向测量杆503设在工字型顶杆6的中心，能够准确的获得对称面上的所有形变和震动信号，且在铰链座601和垂向测量杆503的汇合处设有测量底盘504，所述测量底盘504上安装有用于接收X、Y、Z三个方向震动波信号的mems加速度传感器模块，在主监测站台5上，可以快速的获得三维方向上任意方向上的形变和震动，为了更好的传递震动效果，T型杆501的顶部与工字型顶杆6的端部贴合接触。

作为本实施方式的优选，所述工字型顶杆6包括垂向设置的中心校准杆602，所述铰链座601设在中心校准杆602的底端，在中心校准杆602的两端分别安装有托举梁603，所述托举梁603的内侧均固定安装有水平校准杆604，所述中心校准杆602和水平校准杆604内分别设有铅垂线和水平仪，通过工字型顶杆6结构的分化，能够快速的帮助安装人员定位水平位置和竖直位置，达到最佳的监测状态。

上述方案中，仅仅是包括了主监测站台5，其作用是通过整体上的监测获得一个较为宽泛的监测效果，另外，本实用新型为了提高具体的监测效果，在整体监测的基础上，还通过设置次级的监测装置，达到分化监测的目的，采用该监测方法的优点在于，一方面能够最大限度的保证监测效果，另外一个方面则是通过次级监测，可以准确获得各个方位的监测数据，从而更加准确的提供差异化震动的结果，其具体的特征如下所述。

本实用新型中，还包括设在每个嵌合柱4的连接处的次监测站台7，其中，次监测站台7的数量与嵌合柱4的数量是相匹配的，即次监测站台7是为了实时监测每个嵌合柱4的状态变化。

次监测站台7包括固定安装在嵌合柱4上的T型支架701，所述T型支架701上依次设有三块水平载板702，在位于顶部的两块水平载板702之间通过板式橡胶支座703连接，板式橡胶支座703能够克服整体系统所受的竖向载荷和水平方向的拉力，能够保持整个系统处于受力均衡的条件下，保证了具体的监测环境，且在所述板式橡胶支座703内侧固定安装有水平托板704，在相邻的水平托板704之间设有次级水平测量板705，位于底部的两块水平载板702之间通过若干个均匀分布的顶升柱708连接，顶升柱708则是为了适应不同嵌合柱4的高度差异，给予该系统一个良好适应能力和可调节能力，所述接触板707侧面通过扶正杆709与位于最底部的水平载板702连接。

在上述中，优选的是，所述次级水平测量板705中心安装有用于接收X、Y两个方向震动波信号的mems加速度传感器模块，在位于最顶部的水平载板702上通过弹簧收缩杆706安装有接触板707，所述弹簧收缩杆706上安装有用于接收Z方向震动波信号的mems加速度传感器模块，可以快速的获得三维方向上任意方向上的形变和震动，为了更好的传递震动效果。

基于上述，该桥梁的优点在于，首先通过集成应用本实用新型中提供的监测系统，能够实现多方位的监测，保证监测数据的结果；其次，在整体监测的基础上，还通过设置次级的监测装置，达到分化监测的目的，该监测方法的优点在于，一方面能够最大限度的保证监测效果，另外一个方面则是通过次级监测，可以准确获得各个方位的监测数据，从而更加准确的提供差异化震动的结果；第三，该桥梁的监测结构是基于承重结构之间的，也就是桥梁的质量仍然由承重结构承担，而当发生承重结构承受外的受力或者瞬间震动时，其震动信号将会第一时间被该监测系统捕获，从而准确、实时的获得整体上的监测结果，而且当震动信号过后，能够快速的恢复至原来的位置，始终保持在最佳的监测效果上。

另外，如图3所示，本实用新型还提供了一种基于mems传感器的综合基坑监测系统，其包括：

mems加速度传感器模块，用于接收X、Y、Z三个方向的震动波信号；

频率选择模块，所述频率选择模块与三轴向的mems加速度传感器模块电性连接，用于将接收的震动波信号分解成所需频率信号；

模数转换模块，所述模数转换模块与所述频率选择模块电性连接，用于将分解后的所需频率信号进行模数转换得到数字信号；

数据处理模块，数据处理模块与所述模数转换模块电性连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到服务器完成对监测数据的接受、存储和处理等功能；

所述模数转换组与所述数据处理模组之间通过系统总线电性连接。

在上述步骤中，mems加速度传感器模块的具体安装方法为：

步骤100、对监测站台进行竖向和水平方向的校准；

步骤200、在监测站台上以“中心散布边缘集中”的原则设置mems加速度传感器，并且在每个mems加速度传感器的安装处均设有呈环形的缓冲内衬。

在上述中通过该方法来布置mems加速度传感器模块的作用在于尽可能分散的收集数据，而且由于中心区域的数据较为稳定，往往只是垂向的变化，而关于剪切力对于中心区域的影响是有限的，因此，在保证监测质量的同时还需要考虑数据处理和布设成本的问题，必须根据实际情况考虑减少传感器数量的布置，而基于上述原则，其作用就在于两个方面：

第一，通过不同区域的设置，能够在保证数据采收的同时还保持较好的质量，使得垂向变化数据和横向变化数据均能够得到有效的采集，从而获得较为完整的三轴方向的数据；

第二，考虑到不同区域数据产生的原理，在中心区域着重于垂向的变化，能够获得更优的采集效果，并且能够减少剪切量的影响，另外，在横向上，由于边缘受到的影响更加强烈，而且在不同的位置，其受到的影响并不相同，因此，根据该原则设置的边缘集中，其本质上是在边缘区域，均匀的分布高密度的传感器，以获得完整的数据。

在上述中的中心散布边缘集中具体为：以监测站台的中心为测量基点，以10倍mems加速度传感器所占测量位的长度为半径作为中心区域，外围区域则为边缘区域，在中心区域均匀设置，且设置密度为3～5个/5倍mems加速度传感器所占测量位的长度，并且在边缘区域按照分界线的走向设置若干列mems加速度传感器，分布密度为1～3个/5倍mems加速度传感器所占测量位的长度。

在上述中，mems加速度传感器模块，包括一个三轴mems加速度传感器，用于接收震动波信号。整体设备采用mems技术，mems传感器芯片是由微米级的硅芯片立体加工技术制造而成的，微型或小型传感器。mems技术广泛用于工业、信息、国防、医疗、汽车等行业，最常用的如智能手机、汽车冲击气囊等。mems芯片规模化生产后，成本较低，稳定性高，这对震动的震动监测无疑是一个巨大的发展契机，如果大规模铺设该设备，将能获取更多更丰富震动监测记录，为研究提供一些必要的资料，应用于基坑监测系统中，具有巨大的成本优势。

所述频率选择模块包括:宽频带监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成宽频带所需监测信号；短周期监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成短周期所需监测信号。

所述频率选择模块还包括各频带处理单元，用于将各个频带监测所需信号进行处理得到甚宽频带震动检测结果。

处理模块与模数转换模块连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到云平台，通过中央处理器及以SDRAM、FLASH为基础的二级数据存储技术实现，相应的，本实施例中的模数转换模块包括:至少一路的A/D转换模块，用于对所需信号进行模数转换；震动波采集分析应用单元，集成于嵌入式操作系统中的震动波采集分析应用单元对各震动波形进行选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。

加速度计数据比较震荡，含有较多高频分量，长时间之后会有零漂，因此需要对数据进行滤波。对数据采用一介低通滤波，低通滤波的算法公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

式中：α为滤波系数；

X(n)为本次采样值；

Y(n-1)为上次滤波输出值；

Y(n)为滤波输出值；

一阶低通滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。

数据处理模块包括：服务器在线完成变形监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现功能。

本实用新型利用mems加速度传感器技术、频率分配、计算机、通信、网络、自动控制等技术，将基坑监测系统纳入到统一的平台中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集数据采集、监测、控制、管理、预警于一体的网络化、信息化和智能化的综合系统。其目的旨在为各种震动监测数据，各种监测目标提供高自动化、高可靠性的集成监测平台，并提供一种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分系统统一的目标。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构，包括承重基梁(1)和接触托梁(2)，所述承重基梁(1)和接触托梁(2)之间通过位于两端的托举台(3)连接，其特征在于：在所述托举台(3)内侧通过嵌合柱(4)安装有主监测站台(5)；

还包括设在每个嵌合柱(4)的连接处的次监测站台(7)，所述次监测站台(7)包括固定安装在嵌合柱(4)上的T型支架(701)，所述T型支架(701)上依次设有三块水平载板(702)，在位于顶部的两块水平载板(702)之间通过板式橡胶支座(703)连接，且在所述板式橡胶支座(703)内侧固定安装有水平托板(704)，在相邻的水平托板(704)之间设有次级水平测量板(705),所述次级水平测量板(705)中心安装有用于接收X、Y两个方向震动波信号的mems加速度传感器模块，在位于最顶部的水平载板(702)上通过弹簧收缩杆(706)安装有接触板(707)，所述弹簧收缩杆(706)上安装有用于接收Z方向震动波信号的mems加速度传感器模块，位于底部的两块水平载板(702)之间通过若干个均匀分布的顶升柱(708)连接，所述接触板(707)侧面通过扶正杆(709)与位于最底部的水平载板(702)连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构，其特征在于：所述主监测站台(5)包括两块端部分别与位于顶部和底部嵌合柱(4)固定连接的工字型顶杆(6)，在工字型顶杆(6)的两端之间均通过T型杆(501)固定连接，所述工字型顶杆(6)的两端均设有限位套环(502)，且两根T型杆(501)之间通过固定安装在工字型顶杆(6)上的铰链座(601)连接，所述铰链座(601)的正上方设有垂向测量杆(503)，所述垂向测量杆(503)设在工字型顶杆(6)的中心，且在铰链座(601)和垂向测量杆(503)的汇合处设有测量底盘(504)，所述测量底盘(504)上安装有用于接收X、Y、Z三个方向震动波信号的mems加速度传感器模块，所述T型杆(501)的顶部与工字型顶杆(6)的端部贴合接触。

3.根据权利要求2所述的一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构，其特征在于：所述工字型顶杆(6)包括垂向设置的中心校准杆(602)，所述铰链座(601)设在中心校准杆(602)的底端，在中心校准杆(602)的两端分别安装有托举梁(603)，所述托举梁的内侧均固定安装有水平校准杆(604)，所述中心校准杆(602)和水平校准杆(604)内分别设有铅垂线和水平仪。

4.根据权利要求1所述的一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构，其特征在于：所述mems加速度传感器模块设在主监测站台和次监测站台三轴向上，用于接收桥梁上X、Y、Z三个方向的震动波信号；另外还包括

频率选择模块，所述频率选择模块与三轴向的mems加速度传感器模块电性连接，用于将接收的震动波信号分解成所需频率信号；

模数转换模块，所述模数转换模块与所述频率选择模块电性连接，用于将分解后的所需频率信号进行模数转换得到数字信号；

数据处理模块，数据处理模块与所述模数转换模块电性连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到服务器完成对监测数据的接受、存储和处理等功能；

所述模数转换组与所述数据处理模组之间通过系统总线电性连接。

5.根据权利要求4所述的一种具有基于mems传感器监测系统的桥梁结构，其特征在于，模数转换模块包括：至少一路的A/D转换模块，用于对所需信号进行模数转换；震动波采集分析应用单元，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。