本發(fā)明屬于土木工程監(jiān)測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種現(xiàn)場(chǎng)可視化的應(yīng)變傳感器，其能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程的同步預(yù)警，且能夠?qū)﹄U(xiǎn)情進(jìn)行分級(jí)警示。

背景技術(shù)：

在高樓、橋梁、隧道等大型建筑工程結(jié)構(gòu)中，隨著時(shí)間的推移，外部環(huán)境侵蝕、載荷作用和自身的材料老化等原因，會(huì)造成建筑工程結(jié)構(gòu)的本體產(chǎn)生形變和裂縫。對(duì)這些形變和裂縫的進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，盡早采取應(yīng)對(duì)措施，能夠避免人員和財(cái)產(chǎn)的損失?，F(xiàn)有的傳感器設(shè)備中，存在著以下缺陷：(1)現(xiàn)有的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，過程十分復(fù)雜，需要先貼應(yīng)變片，再連接專業(yè)的應(yīng)變儀得到相關(guān)結(jié)果，而應(yīng)變片無法重復(fù)使用，而且在施工環(huán)境下不方便粘貼，專業(yè)的應(yīng)變儀則因?yàn)轶w積重量較大，不方便搬運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，而且現(xiàn)場(chǎng)的工人大多不會(huì)使用儀器，不能辨別測(cè)得的應(yīng)變值是否屬于危險(xiǎn)等級(jí)；(2)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變片感知的信號(hào)較弱，在后期的處理過程中容易丟失，造成預(yù)警不到位；(3)現(xiàn)有的應(yīng)變傳感器一般只在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)警報(bào)，而有很多的工程項(xiàng)目在比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)不一定有工作人員，因此，即使有預(yù)警也不一定能及時(shí)發(fā)現(xiàn)；(4)現(xiàn)有的應(yīng)變傳感器的警報(bào)系統(tǒng)只能對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行警報(bào)，但是不能分級(jí)警報(bào)，導(dǎo)致工作人員不能及時(shí)安排合適的應(yīng)對(duì)措施。此外，現(xiàn)有的傳感器還具有處理系統(tǒng)復(fù)雜且造價(jià)高昂等缺點(diǎn)。

由于存在上述缺陷和不足，本領(lǐng)域亟需做出進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)變傳感器，使其能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程的同步預(yù)警，且能夠?qū)﹄U(xiǎn)情進(jìn)行分級(jí)警示。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種現(xiàn)場(chǎng)可視化的應(yīng)變傳感器，包括彈性元件、應(yīng)變片、電路板和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置，電路板上的電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，所述現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置包括警示燈、蜂鳴報(bào)警器和疏散指示。該傳感器無須人為干預(yù)，自身集成傳感、分析、比較、信息發(fā)布、預(yù)警等多種功能。該傳感器引入彈性元件，是為了是應(yīng)變片能重復(fù)使用，并省去施工中粘貼應(yīng)變片的復(fù)雜過程，使用更加方便，通過自身集成的警示燈(不同顏色對(duì)應(yīng)不同程度的結(jié)構(gòu)變形)實(shí)時(shí)顯示工程安全狀態(tài)，提供了一種能夠?qū)崟r(shí)、原位、易理解的工程監(jiān)測(cè)及預(yù)警方式，具有較好的預(yù)警效果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種現(xiàn)場(chǎng)可視化的應(yīng)變傳感器，其特征在于，其包括彈性元件、應(yīng)變片、電路板和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置，

其中，所述彈性元件固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)中，所述應(yīng)變片與所述彈性元件的表面形狀相同，且粘貼在彈性元件的中部，該應(yīng)變片與電路板相連接，將應(yīng)變片的形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)诫娐钒逯?，所述電路板還與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置連接，

所述電路板中包括平衡電橋、精密放大電路、信號(hào)處理模塊、STM32單片機(jī)和數(shù)傳模塊。

通過平衡電橋、精密放大電路等處理后的信號(hào)，能夠成倍放大以便于后續(xù)精確處理，而信號(hào)處理模塊、STM32單片機(jī)和數(shù)傳模塊能夠?qū)⒎糯蠛蟮男盘?hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，便于后續(xù)的傳輸和控制，提高警報(bào)的準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述彈性元件為啞鈴型，所述現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置包括警示燈、蜂鳴報(bào)警器和疏散指示。

優(yōu)選地，所述警示燈為L(zhǎng)ED燈且具有多種顏色，分別對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的警報(bào)。

按照本較多的比較試驗(yàn)表明，啞鈴型的彈性元件在安裝時(shí)易于固定，而通過采用不同顏色的警示燈結(jié)合蜂鳴警報(bào)器和疏散指示，來預(yù)警不同級(jí)別的危險(xiǎn)級(jí)別，給予工作人員充足的時(shí)間對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的險(xiǎn)情，能夠?qū)p失降到最低。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于應(yīng)變傳感器的現(xiàn)場(chǎng)可視化的安全預(yù)警方法，其特征在于，其采用如上所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1.將應(yīng)變傳感器中的應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，再將彈性元件固定于被測(cè)結(jié)構(gòu)中，彈性元件隨被測(cè)結(jié)構(gòu)的變形而變形，從而得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)變信號(hào)；

S2.將步驟S1中采集到的初始應(yīng)變信號(hào)通過電路板上的平衡電橋與精密放大電路處理，得到放大后的應(yīng)變信號(hào)；

S3.將步驟S2中得到的放大后的應(yīng)變信號(hào)傳入電路板上的數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊中的STM32單片機(jī)將放大后的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；

S4.將步驟S3中經(jīng)過STM32單片機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)分別傳輸至現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警系統(tǒng)和云平臺(tái)預(yù)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警和遠(yuǎn)程控制。

進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟S4中，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警是依據(jù)預(yù)先劃分的若干個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)，將步驟S3中經(jīng)過STM32單片機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)劃入相應(yīng)的危險(xiǎn)等級(jí)，并控制對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置進(jìn)行預(yù)警顯示。

優(yōu)選地，在步驟S4中，所述現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝包括警示燈、蜂鳴報(bào)警器和疏散指示。

優(yōu)選地，在步驟S4中，在所述警示燈為L(zhǎng)ED燈，且LED燈采用不同的顏色分別對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的警報(bào)，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變超過一定范圍時(shí)，警示燈亮的同時(shí)蜂鳴報(bào)警器報(bào)警；

較多的比較試驗(yàn)表明，通過采用不同顏色的警示燈結(jié)合蜂鳴警報(bào)器和疏散指示，來預(yù)警不同級(jí)別的危險(xiǎn)級(jí)別，給予工作人員充足的時(shí)間對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的險(xiǎn)情，能夠?qū)p失降到最低。

優(yōu)選地，在步驟S5中，將步驟S3中經(jīng)過STM32單片機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)采用數(shù)傳模塊傳輸至云管理平臺(tái)，再由云管理平臺(tái)將信息發(fā)送給管理者，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

優(yōu)選地，在步驟S5中，所述數(shù)據(jù)傳輸采用Wifi、NB-IoT、4G或5G數(shù)傳模塊。

優(yōu)選地，在步驟S5中，所述云原理平臺(tái)在數(shù)字信號(hào)的門限附近設(shè)置了抖動(dòng)回滯保護(hù)帶。較多的比較試驗(yàn)表明，通過在門限附近設(shè)置抖動(dòng)回滯保護(hù)帶能夠有效地減少噪音帶來的干擾，提高警報(bào)的準(zhǔn)確性。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)可視化的應(yīng)變傳感器，包括彈性元件、應(yīng)變片、電路板和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置，電路板上的電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，無須人為干預(yù)，自身集成傳感、分析、比較、信息發(fā)布、預(yù)警等多種功能。該傳感器通過自身集成的警示燈，不同顏色對(duì)應(yīng)不同程度的結(jié)構(gòu)變形，實(shí)時(shí)顯示工程安全狀態(tài)，提供了一種能夠?qū)崟r(shí)、原位、易理解的工程監(jiān)測(cè)及預(yù)警方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警和遠(yuǎn)程控制，具有較好的預(yù)警效果。

(2)本發(fā)明通過平衡電橋、精密放大電路等處理后的信號(hào)，能夠成倍放大以便于后續(xù)精確處理，而信號(hào)處理模塊、STM32單片機(jī)和數(shù)傳模塊能夠?qū)⒎糯蠛蟮男盘?hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，便于后續(xù)的傳輸和控制，提高警報(bào)的準(zhǔn)確性，且省去了專業(yè)的監(jiān)測(cè)儀器(應(yīng)變儀)的使用，原本復(fù)雜的處理儀器，被一塊電路板所替代，進(jìn)一步方便了監(jiān)測(cè)，節(jié)約了成本。通過采用不同顏色的警示燈結(jié)合蜂鳴警報(bào)器和疏散指示，來預(yù)警不同級(jí)別的危險(xiǎn)級(jí)別，給予工作人員充足的時(shí)間對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的險(xiǎn)情，能夠?qū)p失降到最低。通過在門限附近設(shè)置抖動(dòng)回滯保護(hù)帶能夠有效地減少噪音帶來的干擾，提高警報(bào)的準(zhǔn)確性。

(3)本發(fā)明的報(bào)警器和報(bào)警方法可以在隧道、橋梁、邊坡、基坑等工程中應(yīng)用，其監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能可以為現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供安全保障，在事故、災(zāi)害初期就做出及時(shí)準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)提示，采取撤離躲避或補(bǔ)救搶險(xiǎn)措施，從而避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。且該警報(bào)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備、成本低廉，適合大規(guī)模推廣使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的應(yīng)變傳感器的工作流程圖；

圖3是本發(fā)明的應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)總體框圖；

圖4是本發(fā)明的應(yīng)變傳感器工作流程圖；

圖5(a)和(b)是本發(fā)明的應(yīng)變片四分之一橋精密放大電路原理圖；

圖6是本發(fā)明的應(yīng)變預(yù)警系統(tǒng)流程圖；

圖7是本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警系統(tǒng)流程圖；

圖8是本發(fā)明的軟件實(shí)現(xiàn)的回滯保護(hù)圖；

圖9是本發(fā)明的云平臺(tái)工作流程圖；

圖10數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與傳輸流程圖。

其中：1-應(yīng)變片；2-彈性元件；3-電路板；4-LED指示燈；5-報(bào)警器。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是本發(fā)明的應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，其包括彈性元件、應(yīng)變片、電路板和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置，

其中，所述彈性元件為啞鈴型，且該彈性元件固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)中，所述應(yīng)變片與所述彈性元件的表面形狀相同，且粘貼在彈性元件的中部，該應(yīng)變片與電路板相連接，將應(yīng)變片的形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)诫娐钒逯?，所述電路板還與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置連接，所述電路板中包括平衡電橋、精密放大電路、信號(hào)處理模塊、STM32單片機(jī)和數(shù)傳模塊。

具體地，應(yīng)變提示預(yù)警系統(tǒng)采取電阻應(yīng)變片，電橋，精密放大用前期原理驗(yàn)證電路，增加了STM32F103單片機(jī)，八段數(shù)碼管，輕觸開關(guān)按鍵，其中預(yù)留的RS232通信接口，連接Wifi、NB-IoT或是5G數(shù)傳模塊作為現(xiàn)場(chǎng)采集、門限設(shè)置、聲光報(bào)警、疏散通道的指示模塊。

該系統(tǒng)分成現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其中現(xiàn)場(chǎng)控制采取的是實(shí)時(shí)預(yù)警，包括了警報(bào)器和紅燈閃爍預(yù)警，及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行確認(rèn)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)則是云平臺(tái)和工程現(xiàn)場(chǎng)模塊的通信，采用Wifi、NB-IoT或4G、5G數(shù)傳模塊，云平臺(tái)能實(shí)時(shí)采集到現(xiàn)場(chǎng)的各種應(yīng)變數(shù)據(jù)和告警狀態(tài)。云平臺(tái)在有告警發(fā)生時(shí)，通過以太網(wǎng)以短消息網(wǎng)關(guān)協(xié)議向相關(guān)責(zé)任人發(fā)送相應(yīng)等級(jí)的告警信息，同時(shí)采用雙鏈路保險(xiǎn)的辦法，以微信接口向相關(guān)責(zé)任人發(fā)送微信信息，并將現(xiàn)場(chǎng)的LBS(Location Base System)位置信息以微信、短信形式發(fā)送給相關(guān)責(zé)任人和救援人員，供處理、救援導(dǎo)航使用。同時(shí)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)的疏散指示和相關(guān)路口封閉指示。

表1該應(yīng)變傳感器與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比分析

本發(fā)明還提供了一種基于應(yīng)變傳感器的現(xiàn)場(chǎng)可視化的安全預(yù)警方法，其采用如上所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1.應(yīng)變采集

將應(yīng)變傳感器中的應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，再將彈性元件固定于被測(cè)結(jié)構(gòu)中，彈性元件隨被測(cè)結(jié)構(gòu)的變形而變形，從而得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)變信號(hào)；

S2.數(shù)據(jù)處理

將步驟S1中采集到的初始應(yīng)變信號(hào)通過電路板上的平衡電橋與精密放大電路處理，得到放大后的應(yīng)變信號(hào)；

本發(fā)明中關(guān)鍵元器件主要有兩個(gè)，分別是電阻應(yīng)變片和精密運(yùn)算放大器。其它普通運(yùn)放(本項(xiàng)目采用LM339)、電阻電容、電感、發(fā)光二極管、開關(guān)二極管均采用最低精度等級(jí)(電阻、電容5％誤差即可)，如圖5(a)和圖5(b)所示，采用電路設(shè)計(jì)技巧避免他們的影響，從而最大限度地降低物料成本。

S3.傳入電路板上的數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊中的STM32單片機(jī)將放大后的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；

本數(shù)據(jù)處理模塊的核心為STM32處理器，應(yīng)變片接入電橋，通過精密放大，給CPU的ADC采集應(yīng)變值。

S4.應(yīng)變預(yù)警

應(yīng)變預(yù)警系統(tǒng)可分為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警系統(tǒng)和云平臺(tái)預(yù)警信息推送兩部分，如圖6所示，應(yīng)變預(yù)警系統(tǒng)工作流程如下：

S4.1現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置由4色LED燈、蜂鳴器和疏散指示組成，不同顏色LED燈對(duì)應(yīng)不同程度的結(jié)構(gòu)變形，4色LED燈警示級(jí)別從低到高依次為：白，藍(lán)，黃，紅，可設(shè)置蜂鳴器在某危險(xiǎn)等級(jí)以上開始鳴叫，疏散指示在某危險(xiǎn)等級(jí)以上開始點(diǎn)亮指示牌。

如圖7所示的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置部分具體工作流程圖，由精密放大電路將得到的信號(hào)傳輸給STM32處理器后，STM32處理器會(huì)根據(jù)得到的數(shù)據(jù)和選定的應(yīng)變監(jiān)測(cè)范圍觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警裝置。通過選擇合適的量程，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)各色LED燈、蜂鳴器和疏散指示啟動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，例如可調(diào)節(jié)應(yīng)變值在低于Y0時(shí)亮白燈，在Y0到Y(jié)1之間時(shí)亮藍(lán)燈，在Y1到Y(jié)2之間時(shí)亮黃燈，大于Y2時(shí)亮紅燈，在應(yīng)變大于Y1啟動(dòng)蜂鳴器，大于Y2時(shí)點(diǎn)亮疏散指示。

S4.2云管理平臺(tái)預(yù)警信息推送

云管理平臺(tái)在有告警發(fā)生時(shí)，通過以太網(wǎng)以短消息網(wǎng)關(guān)協(xié)議向相關(guān)責(zé)任人發(fā)送相應(yīng)等級(jí)的告警信息，同時(shí)采用雙鏈路保險(xiǎn)的辦法，以微信接口向相關(guān)責(zé)任人發(fā)送微信信息，并將現(xiàn)場(chǎng)的LBS(Location Base System)位置信息以微信形式發(fā)送給相關(guān)責(zé)任人和救援人員，供處理和救援導(dǎo)航使用。同時(shí)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)的疏散指示和相關(guān)路口封閉指示。云管理平臺(tái)采用多進(jìn)程的B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL。完成跟公安交通系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。短消息網(wǎng)關(guān)協(xié)議采用移動(dòng)CMPP(China Mobile Peer to Peer)、聯(lián)通SGIP(S hort Message Gateway Interface Protocol)、電信SMGP(Short Message Gate way Protocol)提供的網(wǎng)關(guān)協(xié)議。微信接口協(xié)議采用騰訊公司的開放協(xié)議。

為了防止精密檢測(cè)在門限附件抖動(dòng)導(dǎo)致不停向云平臺(tái)上報(bào)告警和告警消除，本發(fā)明在門限附近設(shè)置了抖動(dòng)回滯保護(hù)帶，如圖8所示，X軸為應(yīng)變檢測(cè)數(shù)值，Y軸為告警(告警：1；告警恢復(fù)：0)，當(dāng)應(yīng)變值實(shí)線箭頭方向增大超過x1時(shí)告警；應(yīng)編值虛線方向減小低于x1時(shí)并不馬上上報(bào)告警恢復(fù)，而是要繼續(xù)減小到低于x0時(shí)才上報(bào)告警恢復(fù)，這樣就形成一個(gè)x0～x1間的抖動(dòng)保護(hù)帶。從而有效地防止了應(yīng)變值抖動(dòng)造成的頻繁地上報(bào)告警和告警恢復(fù)。

為了方便數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，本發(fā)明預(yù)留了RS232通信接口，連接WiFi、NB-IoT或是5G數(shù)傳模塊作為現(xiàn)場(chǎng)采集、門限設(shè)置、聲光報(bào)警、疏散通道的指示模塊，用以實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)管理功能；同時(shí)預(yù)留了USB接口，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并存儲(chǔ)到其他設(shè)備上。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。