CN220153623U - 一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统；包括控制中心、与控制中心连接的电源管理模块和通信模块、与电源管理模块连接的传感器、与传感器连接的数据同步采集分析模块及分别与控制中心和通信模块连接的数据检测设备；所述电源管理模块包括PWM电源管理模块和二段降压模块，所述控制中心与PWM电源管理模块，PWM电源管理模块与传感器连接，所述二段降压模块与通信模块连接；所述数据检测设备包括SD存储卡、PC上位机及通信终端；所述控制中心与SD存储卡连接，所述通信模块分别与PC上位机和通信终端连接；本实用新型可针对不同的桥梁损害场景制定不同的传感器方案和监测分析方案，选择合适的桥梁养护方案做出有效判断。

Description

一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统

技术领域

本实用新型涉及桥梁轻量化无损检测技术领域，具体涉及一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统。

背景技术

现阶段我国的经济发展快速，我国公路建设取得了巨大成就，桥梁运营安全已成为一个重大问题。对桥梁的养护检查是桥梁运营的关键，需要对桥梁状态进行快速精确的检测，确保有效预防桥梁损害，提高桥梁运营安全。

目前，我国桥梁养护检查管理所需要的数据主要有以下不足：检测方案与桥梁结构不能很好匹配，导致系统设计不合理；数据检测主观性较强，人工检测可靠性不高；检测结果不能在长时间范围内连续分析，无法及时判断桥梁状态，对桥梁状态损害做出预警。尽管目前桥梁监测系统发展迅速，但从实际应用和对桥梁养护的对接上来看，还是有着一些缺陷：维护成本较高、监测数据不同步导致数据分析错误、桥梁监测与养护脱节、监测设备不能复用在其他桥梁上，利用率低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，其可实现轻量化设备用于桥梁无损检测与管理，实现低成本数字化智能监测，可针对不同的桥梁损害场景制定不同的传感器方案和监测分析方案，选择合适的桥梁养护方案做出有效判断。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，包括控制中心、与控制中心连接的电源管理模块和通信模块、与电源管理模块连接的传感器、与传感器连接的数据同步采集分析模块及分别与控制中心和通信模块连接的数据检测设备；所述电源管理模块包括PWM电源管理模块和二段降压模块，所述控制中心与PWM电源管理模块，PWM电源管理模块与传感器连接，所述二段降压模块与通信模块连接；所述数据检测设备包括SD存储卡、PC上位机及通信终端；所述控制中心与SD存储卡连接，所述通信模块分别与PC上位机和通信终端连接。

进一步的，所述PWM电源管理模块包括MOS门级驱动单元、PWM逻辑电压单元、DC-DC电源输出保护电路、ADC电压采样电路；所述PWM电源管理连接控制中心，由控制中心输出PWM逻辑电压，连接到MOS门级驱动单元，电压处理后连接到DC-DC芯片输入端，DC-DC输出端连接ADC采样芯片，ADC采样芯片输出端连接控制中心。

进一步的，所述传感器包括挠度位移传感器、应变传感器、裂缝传感器、振动传感器、温度传感器。

进一步的，所述二段降压模块由一级稳压芯片和二级稳压芯片组成，所述一级稳压芯片输出端连接二级稳压芯片，二级稳压芯片输出端连接至系统各模块供电端。

进一步的，所述PC上位机由控制中心通过串口通信模块连接到PC串口接口；所述通信终端设备由4G通信SIM模块连接控制中心，与终端服务器传输数据；所述SD存储卡连接控制中心，将数据写入SD卡设备。

具体的，所述PWM逻辑电压单元包括三极管Q1，二极管D1、二极管D2、电阻R1、PWM逻辑器；所述二极管D1、二极管D2正极共同连接PWM逻辑器输出；所述三极管Q1的发射极连接二极管D2的负极和PWM电压输出；所述三极管Q1的集电极连接地和电阻R1的一端；所述三极管Q1的基极连接电阻R1的另一端和二极管D1的负极；

具体的，所述MOS门级驱动单元包括晶体管Q2、晶体管Q3、电容C3、电容C4、电阻R4、二极管D3、电阻R7、电阻R8、功率电感L1、DC-DC芯片；所述晶体管Q2、晶体管Q3相同极相连，晶体管的栅极连接三极管Q1的发射极，晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接电容C3和电容C4的共同点；所述电容C3、电容C4共同连接到二极管D3的正极；所述二极管D3的负极连接电阻R7一端和电感L7一端；所述电阻R7、电阻R8相连，电阻R8另一端接地；所述电阻R7、电阻R8公共点处由ADC采样输入到控制中心；所述电感L1另一端连接DC-DC芯片的输入端；所述DC-DC芯片输出端输出传感器负载电压，由ADC采样输入到控制中心。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，通过二段降压，在不影响负载功率的同时，稳定输出各模块所需的电压，通过由控制中心输出PWM逻辑，并由MOS门级驱动作为DC-DC芯片的输入电压，可实现负载电压的任意输出，为传感器设备提供了安全稳定的工作电压，以适应不同的负载场景，提高了系统的稳定性。通过PC上位机连接串口通信模块，快速实时查看传感器数据波形；通过4G无线通信模块传输数据，可远程查看传感器数据波形；可将传感器数据存储到SD卡设备中，方便进行桥梁状态数据分析与检查交流。可根据桥梁结构特性来设定传感器的安装位置，整体设备轻量便捷、可复用性强，可在不同桥梁养护和检测场景重复利用，降低了成本，提高系统智能化和运行效率。传感器之间实用同步方式进行数据处理，确保数据的精确性与快速性，可针对不同的桥梁损害场景制定不同的传感器方案和监测分析方案，选择合适的桥梁养护方案做出有效判断。

附图说明

图1为本实用新型一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统原理框图；

图2为电源管理模块结构框图；

图3为PWM电源管理模块电路原理图；

图4为传感器与检测方式示意图。

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。

参见图1-图4所示，本实用新型提供一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，具体实施方式如下：

如图1所示，在一个实施例中，本实用新型的桥梁检查轻量化无损检测系统，包括控制中心1、数据同步采集分析模块4、电源管理模块2、数据检测设备6、传感器3、通信模块5；电源管理模块2包括PWM电源管理模块21、二段降压模块22；数据检测设备6包括PC上位机62、通信终端63、SD存储卡61；所述控制中心1包含控制芯片，用来控制协调整个系统并处理传感器采样数据；所述数据同步采集分析模块4包含传感器数据采样芯片，输入端连接传感器3、输出端连接控制中心1；所述PWM电源管理模块21的输出端连接传感器3，为传感器3供电；所述二段降压模块22输出端连接通信模块5，为通信模块5供电；所述存储卡61连接控制中心1，控制中心1将数据写入SD存储卡61；所述通信模块5连接控制中心1与数据检测设备6，将控制中心1处理分析得到的传感器3数据传输至数据检测设备6；

控制中心用于控制整个系统，接收传感器同步数据进行传输和存储。在本实施例中采用功能全面、接口丰富的高速控制芯片，可采用STM32F4系列作为控制芯片，控制芯片包括sdio接口、串行接口、IIC接口、SPI接口、TIM定时器功能、DMA功能。

所述数据同步采集分析模块4用于传感器3数据的采样处理，连接到控制芯片1进行同步数据处理与分析管理，在本实施例中使用采样精度高、速率快的AD76xx系列芯片，可设置多个传感器通道，同时进行传感器数据采集处理，确保多传感器数据的精确性。所使用的传感器如图4所示主要为挠度位移传感器、应变传感器、裂缝传感器、振动传感器、温度传感器，可满足桥梁结构的静动检测需要，结合传感器数据对桥梁整体状态进行分析与修正，确保桥梁养护方案的合理性。

在本实施例中，传感器数据采样使用AD76xx系列芯片，为16通道ADC采样芯片，特点是采样精度高、速率快，连接到控制芯片的SPI接口，使用控制芯片内部的DMA功能，可直接访问CPU进行数据传输，加快了数据处理速度。

实用新型的桥梁检查轻量化无损检测系统，传感器3包括挠度位移传感器、应变传感器、裂缝传感器、振动传感器、温度传感器；

所述传感器3特点如下：所述挠度位移传感器灵敏度高、响应精度高、稳定性强、无温漂，传感器内置测量单元，用于桥梁上空间狭小的情况；所述应变传感器稳定性强、结构适应性强、量程宽，用于长期桥梁结构受力情况分析；所述裂缝传感器是用于测量裂缝宽度和变化速率的器材，内置测量单元，固定安装在桥梁承重和交接处；所述振动传感器灵敏度高、性能稳定，内部包含加速度传感器实现，用于地面和结构面的脉动测量和结构振动测量；所述温度传感器体积小、抗干扰强、测量范围大、误差小，能够在断电时保存温度数据。

所述数据检测设备6包括PC上位机62、通信终端63、SD存储卡61；在本实施例中，PC上位机62由控制中心通过串口通信模块连接到PC串行接口，可使用串口通信TTL模块与控制芯片进行数据传输，可在PC端查看多个传感器的数据波形；所述通信终端63设备由4G通信SIM7600系列模块连接控制中心，与终端服务器传输数据，可在服务器界面查看数据波形与数值，在服务器界面下载数据用于数据回溯分析；所述SD存储卡61连接控制中心的sdio接口，将数据写入SD卡设备，可不断重复进行一个时间段内的桥梁状态监测并保存数据。

所述传感器数据检测方式如图4所示，实时快速检测方式使用PC上位机62设备，通过控制芯片的串行接口连接TTL通信模块，连接到PC端。其中，TTL串口通信模块包含RX、TX、GND即可，控制芯片传输传感器数据到PC端的上位机界面，实时查看处理后的传感器数据波形，对异常数据作出相应及时处理，对桥梁异常进行维护，快速检测支持多个通道的同步实时监测；所述终端检测方式通过4G通信SIM模块与控制中心进行远程连接，其中，SIM模块配套通信卡，绑定唯一的ID号，可有效避免数据传输错误，最终由控制中心传输传感器数据到远程服务端，在PC远程界面查看传感器数据波形，提高了桥梁监测工作的运行效率。所述长期检测方式通过SD存储卡设备连接控制芯片的sdio接口，可将传感器传输的数据不间断地存储到SD存储卡设备中，通过PC端读取其中数据，可进行传感器数据的处理与分析，长时间范围的桥梁检测可使桥梁养护检查系统分析出精准的桥梁结构模型。所述的数据采集通信是处理传感器数据的一种方式，本实施例使用操作系统实现多传感器数据的同步传输。

在本实施例中，SD存储卡设备存储的数据由PC设备进行读取，其中的传感器数据由专门的数据处理软件进行算法分析。

所述PWM电源管理如图2所示，包括控制中心1、PWM逻辑电压单元32、MOS门级驱动单元31、DC-DC电源输出单元34、ADC电压采样单元36；控制中心1输出PWM逻辑电压，连接到MOS门级驱动单元和ADC采样电压单元，MOS门级驱动单元连接到DC-DC电源输出单元，DC-DC电源输出连接到ADC采样电压单元，ADC采样电压单元连接到控制中心，形成电压反馈。DC-DC电源输出调试后连接到传感器负载供电接口。

所述二段降压模块如图2所示，包括一级降压电路202、二级降压电路201；所述一级降压和二级降压皆为完整的稳压电路，输入电源连接到一级降压单元，一级降压输出电源连接到二级降压单元，最终的输出电源连接到模块供电接口。

进一步，二段降压模块先由大电压输入到一级降压电路，稳压到二级降压电路可适应的电压值，最终二级降压单元输出的电压供电给各个模块。每一级的稳压压电路可根据系统模块供电需求进行设计。为了使得最终的输出电压信号功率衰减较少，设计时应保持输出的电流大小匹配，可将每级输出信号经过三极管一定程度地放大电流。可根据起始输入电压的功率大小来设计三段稳压电路，使得最终提供给模块的工作电压是稳定安全的。同时，需要在每一级降压电路中添加保护电路，可由二极管防止倒流，由电阻和电感进行阻抗匹配，由多电容并联进行信号滤波，由三极管进行电压放大和起到开关作用。此模块避免了大功率信号对系统模块的损害，提高了系统的稳定性。

在本实施例中，PWM逻辑电压单元和MOS门级驱动单元由图3所示进行连接，由控制单元的控制芯片输出PWM逻辑信号，由三极管放大其逻辑信号并产生电压，连接到MOS晶体管门级驱动单元进行信号整流放大，由门级驱动后的电压信号输入到DC-DC芯片的输入端，可由DC-DC芯片输出稳定的输出电压作为传感器负载电压。此PWM电源管理可输出多个负载电压，供传感器使用。电路中的二极管为普通二极管D1、D2、D3，起到保护电压倒流防止损坏电路的作用。电路中的电容为陶瓷性电容C3、C4，起到将晶体管整流后的电压信号平缓处理后输出的作用。电路中的电感L1，起到降低DC-DC芯片输入前的电压信号的纹波和噪声的作用，保证DC-DC芯片电压输入信号的稳定性。

所述PWM电源管理反馈部分，将DC-DC输出电压进行ADC采样后反馈回控制中心，同时将电阻R7、R8公共点处的电压信号进行ADC采样后反馈回控制单元。电路中的电阻R7、R8为小阻值电阻，起到匹配阻抗的作用，将电阻公共点处的电压信号反馈到控制中心，可监测PWM逻辑电压输出的精确性。将DC-DC输出电压反馈到控制中心，可准确控制输出的负载电压，提高系统的智能性和稳定性。

在本实施例中，ADC电压采样芯片为ADS1115，为一种ADC逻辑转换芯片，连接到控制芯片的IIC接口，特点是耐压值高，支持2、4通道采样，精确度高。

所述系统结构可在小设备上实现，设备整体轻量便捷，实现低成本数字化智能监测，可适应复杂的使用场景，可安装在桥梁各位置，可在不同桥梁间重复利用，设备可复用性强，提高了桥梁运营养护的安全性和运行效率。系统使用数据同步的方式处理传感器数据，保证了桥梁监测数据传输的及时性与精确性。系统不再限制于单一传感器，可方便设定多传感器的安装位置，可针对不同的桥梁损害场景制定不同的传感器方案和监测分析方案，选择合适的桥梁养护方案做出有效判断。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，其特征在于：包括控制中心、与控制中心连接的电源管理模块和通信模块、与电源管理模块连接的传感器、与传感器连接的数据同步采集分析模块及分别与控制中心和通信模块连接的数据检测设备；所述电源管理模块包括PWM电源管理模块和二段降压模块，所述控制中心与PWM电源管理模块，PWM电源管理模块与传感器连接，所述二段降压模块与通信模块连接；所述数据检测设备包括SD存储卡、PC上位机及通信终端；所述控制中心与SD存储卡连接，所述通信模块分别与PC上位机和通信终端连接。

2.根据权利要求1所述的一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，其特征在于：所述PWM电源管理模块包括MOS门级驱动单元、PWM逻辑电压单元、DC-DC电源输出保护电路、ADC电压采样电路；所述PWM电源管理连接控制中心，由控制中心输出PWM逻辑电压，连接到MOS门级驱动单元，电压处理后连接到DC-DC芯片输入端，DC-DC输出端连接ADC采样芯片，ADC采样芯片输出端连接控制中心。

3.根据权利要求1所述的一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，其特征在于：所述传感器包括挠度位移传感器、应变传感器、裂缝传感器、振动传感器、温度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，其特征在于：所述二段降压模块由一级稳压芯片和二级稳压芯片组成，所述一级稳压芯片输出端连接二级稳压芯片，二级稳压芯片输出端连接至系统各模块供电端。

5.根据权利要求1所述的一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，其特征在于：所述PC上位机由控制中心通过串口通信模块连接到PC串口接口；所述通信终端设备由4G通信SIM模块连接控制中心，与终端服务器传输数据；所述SD存储卡连接控制中心，将数据写入SD卡设备。

6.根据权利要求2所述的一种针对桥梁检查轻量化无损检测系统，其特征在于：

所述PWM逻辑电压单元包括三极管Q1，二极管D1、二极管D2、电阻R1、PWM逻辑器；所述二极管D1、二极管D2正极共同连接PWM逻辑器输出；所述三极管Q1的发射极连接二极管D2的负极和PWM电压输出；所述三极管Q1的集电极连接地和电阻R1的一端；所述三极管Q1的基极连接电阻R1的另一端和二极管D1的负极；

所述MOS门级驱动单元包括晶体管Q2、晶体管Q3、电容C3、电容C4、电阻R4、二极管D3、电阻R7、电阻R8、功率电感L1、DC-DC芯片；所述晶体管Q2、晶体管Q3相同极相连，晶体管的栅极连接三极管Q1的发射极，晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接电容C3和电容C4的共同点；所述电容C3、电容C4共同连接到二极管D3的正极；所述二极管D3的负极连接电阻R7一端和电感L7一端；所述电阻R7、电阻R8相连，电阻R8另一端接地；所述电阻R7、电阻R8公共点处由ADC采样输入到控制中心；所述电感L1另一端连接DC-DC芯片的输入端；所述DC-DC芯片输出端输出传感器负载电压，由ADC采样输入到控制中心。