基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括多個設(shè)置在橋梁底板或腹板表面的振弦式應(yīng)變傳感器、多個振弦式讀數(shù)儀、接收器以及計算機(jī)；所述多個振弦式讀數(shù)儀通過導(dǎo)線與多個振弦式應(yīng)變傳感器一一對應(yīng)連接，所述接收器通過接口電路與計算機(jī)連接；所述每個振弦式讀數(shù)儀連接有第一無線通信模塊，所述接收器連接有第二無線通信模塊，所述第一無線通信模塊與第二無線通信模塊共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，部署靈活方便，不受地形環(huán)境限制，避免了鋪設(shè)線纜方式的缺點，可節(jié)省大量的人力物力，數(shù)據(jù)采集自動進(jìn)行，無需進(jìn)行人工干預(yù)，不僅采集的實時性有保障，也容易實現(xiàn)長期動態(tài)監(jiān)控。
【專利說明】基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是一種基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān) 測系統(tǒng)及方法，屬于土木工程應(yīng)變監(jiān)測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 靜態(tài)應(yīng)變測量是橋梁靜載試驗的重要內(nèi)容，而靜態(tài)應(yīng)變直接反映橋梁在外荷載作 用下的局部受力情況，是橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的重要參數(shù)和橋梁安全性評估的重要指標(biāo)，因 此，在橋梁施工、運營、維護(hù)中，通過對橋梁進(jìn)行應(yīng)變的實時監(jiān)測，對評定橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀 況有重要意義。
[0003] 在目前的工程監(jiān)測中，通常由測量人員使用數(shù)據(jù)采集儀依次對多個監(jiān)控點進(jìn)行數(shù) 據(jù)采集并作記錄，每到一個傳感器預(yù)埋點都需將傳感器線纜接入采集儀，再執(zhí)行數(shù)據(jù)采集， 這種方式的缺點是操作復(fù)雜，人工采集成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，部署靈活，且 數(shù)據(jù)采集自動進(jìn)行的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述系統(tǒng)的監(jiān)測方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0007] 基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個設(shè)置在橋梁底板或腹板表面的 振弦式應(yīng)變傳感器、多個振弦式讀數(shù)儀、接收器以及計算機(jī)；所述多個振弦式讀數(shù)儀通過導(dǎo) 線與多個振弦式應(yīng)變傳感器一一對應(yīng)連接，所述接收器通過接口電路與計算機(jī)連接；所述 每個振弦式讀數(shù)儀連接有第一無線通信模塊，所述接收器連接有第二無線通信模塊，所述 第一無線通信模塊與第二無線通信模塊共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0008] 作為一種優(yōu)選方案，所述每個振弦式讀數(shù)儀包括數(shù)據(jù)采集模塊、第一單片機(jī)以及 供電模塊，所述供電模塊用于為第一單片機(jī)提供電源，所述數(shù)據(jù)采集模塊與振弦式應(yīng)變傳 感器連接，所述第一單片機(jī)分別與數(shù)據(jù)采集模塊和第一無線通信模塊連接。
[0009] 作為一種優(yōu)選方案，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括高壓激勵電路和信號調(diào)理電路，所述 高壓激勵電路用于對振弦式應(yīng)變傳感器發(fā)起電磁激勵，所述信號調(diào)理電路用于對振弦式應(yīng) 變傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、整流和濾波處理。
[0010] 作為一種優(yōu)選方案，所述第一單片機(jī)米用ATMEGA8A芯片。
[0011] 作為一種優(yōu)選方案，所述供電模塊采用3. 7V鋰電池。
[0012] 作為一種優(yōu)選方案，所述接收器包括第二單片機(jī)、RS232接口電路以及RS232轉(zhuǎn) USB接口電路，所述第二單片機(jī)依次通過RS232接口電路和RS232轉(zhuǎn)USB接口電路與計算機(jī) 連接，所述第二單片機(jī)還與第二無線通信模塊連接。
[0013] 作為一種優(yōu)選方案，所述第二單片機(jī)采用STM32F103芯片，所述RS232接口電路采 用MAX3232芯片，STM32F103芯片的USART2接口配合I/O接口 一起組成第二無線通信模塊 的控制接口，USART1接口通過MAX3232芯片引接出RS232C接口。
[0014] 作為一種優(yōu)選方案，所述第一無線通信模塊和第二無線通信模塊均采用 UTC4432B1無線通信模塊。
[0015] 本發(fā)明的另一目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0016] 基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0017] 1)接收器從計算機(jī)的USB接口獲取電源，并將電壓輸出給第二單片機(jī)和第二無線 通信模塊，使第二單片機(jī)和第二無線通信模塊正常工作；
[0018] 2)振弦式讀數(shù)儀通電后，通過第一無線通信模塊接收計算機(jī)的指令，由第一單片 機(jī)輸出PWM信號控制高壓激勵電路獲得150V?180V的脈沖高電壓，然后第一單片機(jī)將該 電壓加載到振弦式應(yīng)變傳感器的兩端，使振弦式應(yīng)變傳感器受高壓脈沖的激勵開始衰減振 蕩并輸出電壓信號，信號調(diào)理電路對振弦式應(yīng)變傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、整流和濾波 處理，得到某個頻率的方波信號，第一單片機(jī)內(nèi)置的定時器采集方波信號，并經(jīng)過計算得到 頻率值；
[0019] 3)第一單片機(jī)通過第一無線通信模塊將頻率值傳輸給第二無線通信模塊，再由第 二無線通信模塊將頻率值傳輸給接收器的第二單片機(jī)；
[0020] 4)第二單片機(jī)啟動A/D轉(zhuǎn)換器將接收到的頻率值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng) 由RS232接口電路傳到RS232轉(zhuǎn)USB接口電路，由RS232轉(zhuǎn)USB接口電路轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù) 后傳輸給計算機(jī)；
[0021] 5)在計算機(jī)中實時查看數(shù)據(jù)變化趨勢曲線，對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實現(xiàn)異常數(shù)據(jù) 報警。
[0022] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：
[0023] 1、本發(fā)明的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，部署靈活方便，不受地形環(huán)境限制，避免 了鋪設(shè)線纜方式的缺點，可節(jié)省大量的人力物力。
[0024] 2、本發(fā)明的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)利用振弦式應(yīng)變傳感器和振弦式讀數(shù)儀實現(xiàn)數(shù)據(jù) 采集，并通過無線通信模塊自動將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)接收器傳輸給計算機(jī)，無需進(jìn)行人工干預(yù)， 不僅采集的實時性有保障，也容易實現(xiàn)長期動態(tài)監(jiān)控。
[0025] 3、本發(fā)明的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)在將數(shù)據(jù)自動存入計算機(jī)后，可在計算機(jī)中實時查 看數(shù)據(jù)變化趨勢曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)異常數(shù)據(jù)告警，利于數(shù)據(jù)對比分析，可顯著減輕數(shù)據(jù)處理的 工作量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中振弦式應(yīng)變傳感器位 置設(shè)置不意圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中振弦式應(yīng)變傳感器工 作原理示意圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中振弦式讀數(shù)儀的結(jié)構(gòu) 原理框圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中高壓激勵電路原理圖。
[0031] 圖6為本發(fā)明的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中信號調(diào)理電路原理圖。
[0032] 圖7為本發(fā)明的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中接收器的結(jié)構(gòu)原理框 圖。
[0033] 其中，1-振弦式應(yīng)變傳感器，2-振弦式讀數(shù)儀，3-接收器，4-計算機(jī)，5-第一無線 通信模塊，6-第二無線通信模塊，7-鋼弦，8-感應(yīng)線圈，9-激振線圈，10-數(shù)據(jù)采集模塊， 11-第一單片機(jī)，12-供電模塊，13-第二單片機(jī)，14-RS232接口電路，15-RS232轉(zhuǎn)USB接口 電路。

【具體實施方式】
[0034] 實施例1 :
[0035] 如圖1所示，本實施例的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個振弦 式應(yīng)變傳感器1、多個振弦式讀數(shù)儀2、接收器3以及計算機(jī)4 ;所述多個振弦式讀數(shù)儀2通 過導(dǎo)線與多個振弦式應(yīng)變傳感器1 一一對應(yīng)連接，所述接收器3通過接口電路與計算機(jī)4 連接；所述每個振弦式讀數(shù)儀2連接有第一無線通信模塊5,所述接收器3連接有第二無線 通信模塊6,所述第一無線通信模塊5與第二無線通信模塊6共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其 中：
[0036] 如圖2所示，所述振弦式應(yīng)變傳感器1可以設(shè)置在橋梁底板或腹板表面，其采用 BGK-4000型振弦式應(yīng)變計，工作原理如圖3所示，可以看到振弦式傳感器內(nèi)部是一根張緊 的鋼弦7,置于電磁場之中.激勵電流通過磁鐵線圈使磁鐵磁性增強并吸住振弦，電流斷開 后，由于慣性作用，鋼弦7開始自由振動，感應(yīng)線圈8產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，經(jīng)過放大輸出，并 通過電壓比較器將輸出信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，所測的感應(yīng)電動勢的頻率即為振弦的振動頻 率；同時，輸出信號的一部分將反饋到激振線圈9,再加上電路的穩(wěn)幅措施，使鋼弦7達(dá)到電 路所保持的等幅、連續(xù)的振動，只要測出鋼弦7的振動頻率，就可以通過鋼弦7的頻率與應(yīng) 變的物理關(guān)系求出應(yīng)變；頻率與應(yīng)變的關(guān)系為 ：
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：包括多個設(shè)置在橋梁底板或 腹板表面的振弦式應(yīng)變傳感器、多個振弦式讀數(shù)儀、接收器以及計算機(jī)；所述多個振弦式讀 數(shù)儀通過導(dǎo)線與多個振弦式應(yīng)變傳感器一一對應(yīng)連接，所述接收器通過接口電路與計算機(jī) 連接；所述每個振弦式讀數(shù)儀連接有第一無線通信模塊，所述接收器連接有第二無線通信 模塊，所述第一無線通信模塊與第二無線通信模塊共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述 每個振弦式讀數(shù)儀包括數(shù)據(jù)采集模塊、第一單片機(jī)以及供電模塊，所述供電模塊用于為第 一單片機(jī)提供電源，所述數(shù)據(jù)采集模塊與振弦式應(yīng)變傳感器連接，所述第一單片機(jī)分別與 數(shù)據(jù)采集模塊和第一無線通信模塊連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述 數(shù)據(jù)采集模塊包括高壓激勵電路和信號調(diào)理電路，所述高壓激勵電路用于對振弦式應(yīng)變傳 感器發(fā)起電磁激勵，所述信號調(diào)理電路用于對振弦式應(yīng)變傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、整 流和濾波處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述 第一單片機(jī)采用ATMEGA8A芯片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述 供電模塊采用3. 7V鋰電池。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述 接收器包括第二單片機(jī)、RS232接口電路以及RS232轉(zhuǎn)USB接口電路，所述第二單片機(jī)依次 通過RS232接口電路和RS232轉(zhuǎn)USB接口電路與計算機(jī)連接，所述第二單片機(jī)還與第二無 線通信模塊連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述 第二單片機(jī)采用STM32F103芯片，所述RS232接口電路采用MAX3232芯片，STM32F103芯 片的USART2接口配合I/O接口 一起組成第二無線通信模塊的控制接口，USART1接口通過 MAX3232芯片引接出RS232C接口。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述 第一無線通信模塊和第二無線通信模塊均采用UTC4432B1無線通信模塊。
9. 基于無線通信技術(shù)的橋梁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 接收器從計算機(jī)的USB接口獲取電源，并將電壓輸出給第二單片機(jī)和第二無線通信 模塊，使第二單片機(jī)和第二無線通信模塊正常工作； 2) 振弦式讀數(shù)儀通電后，通過第一無線通信模塊接收計算機(jī)的指令，由第一單片機(jī)輸 出PWM信號控制高壓激勵電路獲得150V?180V的脈沖高電壓，然后第一單片機(jī)將該電壓 加載到振弦式應(yīng)變傳感器的兩端，使振弦式應(yīng)變傳感器受高壓脈沖的激勵開始衰減振蕩并 輸出電壓信號，信號調(diào)理電路對振弦式應(yīng)變傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、整流和濾波處理， 得到某個頻率的方波信號，第一單片機(jī)內(nèi)置的定時器采集方波信號，并經(jīng)過計算得到頻率 值； 3) 第一單片機(jī)通過第一無線通信模塊將計算得到的頻率值傳輸給第二無線通信模塊， 再由第二無線通信模塊將頻率值傳輸給接收器的第二單片機(jī)； 4) 第二單片機(jī)啟動A/D轉(zhuǎn)換器將接收到的頻率值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)由 RS232接口電路傳到RS232轉(zhuǎn)USB接口電路，由RS232轉(zhuǎn)USB接口電路轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)后傳 輸給計算機(jī)； 5)在計算機(jī)中實時查看數(shù)據(jù)變化趨勢曲線，對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)報警。
【文檔編號】G08C17/02GK104091430SQ201410301591
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】余曉琳, 顏全勝, 陳雙銳, 李偉 申請人:華南理工大學(xué)