一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括給整個系統(tǒng)供電的供電電源，若干個壓電傳感器，所述壓電傳感器均勻的分布在橋梁內(nèi)部，所述壓電傳感器通過信號放大器連接單片機，所述單片機連接地址選擇器與第一報警器，所述單片機通過無線傳輸模塊連接上位機，所述上位機連接顯示模塊與第二報警器，所述上位機上設(shè)有數(shù)據(jù)存儲模塊，所述第一報警器安裝于橋梁防護欄上，所述第二報警器安裝于值班室內(nèi)。該系統(tǒng)具有壽命長、安裝方便等優(yōu)點，同時在橋梁防護欄上與值班室內(nèi)均安裝有報警器，當(dāng)橋梁承受壓力超過額定范圍時，橋梁報警器會提醒過往車輛行人注意安全，值班室內(nèi)的報警器會提醒工作人員目前橋梁的健康情況以及時采取應(yīng)對策略。
【專利說明】一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，尤其涉及一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近幾年以來我國多處發(fā)生橋梁垮塌事件，直接給社會帶來的巨大的經(jīng)濟損失，同時也在嚴重威脅人們的生命安全。雖然相關(guān)部門會定期對橋梁進行質(zhì)量檢測，然而該周期較長不是防止橋梁坍塌的有效手段，因此需要一種能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁運行狀態(tài)的系統(tǒng)，用于完成對橋梁各種參數(shù)的監(jiān)測工作，當(dāng)橋梁運行狀況出現(xiàn)異常時能夠及時通知橋梁管理人員采取相應(yīng)的措施，從而在最大程度上降低損失。
[0003]目前監(jiān)測橋梁健康的傳感器主要是光纖光柵應(yīng)力傳感器。光纖光柵技術(shù)是利用紫外曝光技術(shù)在光纖芯中引起折射率的周期性變化而形成的。光纖光柵中折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致某一特定波長光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。光纖光柵應(yīng)力傳感器通常是將光纖光柵附著在某一彈性體上，同時進行保護封裝。反射光的波長對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變非常敏感，當(dāng)彈性體受到壓力時時，光纖光柵與彈性體一起發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量來實現(xiàn)對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測。除了光纖光柵應(yīng)力傳感器之外，還有位移傳感器以及形狀記憶合金等被應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。然而上述幾種傳感器都存在著費用高、壽命短、安裝復(fù)雜等問題。尤其是使用壽命短導(dǎo)致了很多問題的產(chǎn)生:因為一般的傳感器都被埋在橋面一下以感應(yīng)橋梁的應(yīng)力，所以當(dāng)傳感器壞掉就必須得對傳感器進行重新埋設(shè)才能保證整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，這就會造成人力物力的浪費；而且上述傳感器的原理就導(dǎo)致了其對應(yīng)用環(huán)境以及安裝過程的要求較為苛亥|J，稍有不慎就會造成傳感器件的損壞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有價格低廉、精度高鋪設(shè)方便、使用壽命長等優(yōu)點。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括給整個系統(tǒng)供電的供電電源，若干個壓電傳感器，所述壓電傳感器均勻的分布在橋梁內(nèi)部，所述壓電傳感器通過信號放大器連接單片機，所述單片機連接地址選擇器與第一報警器，所述單片機通過無線傳輸模塊連接上位機，所述上位機連接顯示模塊與第二報警器，所述上位機上設(shè)有數(shù)據(jù)存儲模塊，所述第一報警器安裝于橋梁防護欄上，所述第二報警器安裝于值班室內(nèi)。
[0007]所述單片機為STC12C5A60S，所述單片機連接有重置電路與晶振電路；所述重置電路為:所述STC12C5A60S的RST引腳通過開關(guān)SI連接電壓源VCC，所述電壓源VCC依次通過串聯(lián)連接的電容Cl與電阻Rl接地；所述晶振電路為:STC12C5A60S的XTALl引腳通過電容C4接地，所述STC12C5A60S的XTAL2引腳通過電容C5接地，所述STC12C5A60S的XTALl引腳與XTAL2弓丨腳之間連接晶振Yl，所述STC12C5A60S的電壓源引腳連接電壓源VCC，所述STC12C5A60S的GND引腳接地。
[0008]所述信號放大器電路包括:集成運算放大器0PA2334，所述0PA2334的OUTB引腳、IVin-弓丨腳、Vin+弓丨腳連接在一起組成電壓跟隨，所述0PA2334的IVin+弓丨腳連接壓電傳感器的輸出端，所述0PA2334的Vin-引腳與GND引腳之間連接電阻R20，所述0PA2334的GND引腳接地，所述0PA2334的Vin-引腳與OUTA引腳之間連接可調(diào)電阻R21，所述0PA2334的OUTA引腳連接STC12C5A60S的ADCO引腳。
[0009]所述無線傳輸模塊采用XL02-232AP1半雙工無線傳輸模塊。
[0010]所述的供電電源包括太陽能電池板與蓄電池，所述太陽能電池板并聯(lián)連接蓄電池，所述太陽能電池板并聯(lián)連接有極性電容C6，所述有極性電容C6的正極連接太陽能電池板正極，所述太陽能電池板正極連接穩(wěn)壓電源Ul的輸入端，所述太陽能電池板負極接地，所述穩(wěn)壓電源Ul為7805，所述7805的接地端接地，所述7805的輸出端與地之間連接電容C8，所述電容C8并聯(lián)連接有極性電容C7，所述有極性電容正極連接7805的輸出端。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:
[0012]1、壓電傳感器的靈敏度高、使用壽命長，安裝方便，成本低；
[0013]2、采用XL02-232AP1半雙工無線傳輸模塊，節(jié)省了布線的繁瑣，利用空間規(guī)劃，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，節(jié)省了人力物力；
[0014]3、在橋梁防護欄上與值班室內(nèi)均安裝有報警器，當(dāng)橋梁承受壓力超過額定范圍時，橋梁報警器會提醒過往車輛行人注意安全，值班室內(nèi)的報警器會提醒工作人員目前橋梁的健康情況以及時采取應(yīng)對策略；
[0015]4、上位機具有兩種工作模式，手動模式與自動模式，手動模式下為工作人員認為操作控制，自動模式下上位機會自行有序的采集信息并對信息進行處理，兩種模式減少了系統(tǒng)對人力的依賴程度，有效的節(jié)約了人力成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1本發(fā)明的系統(tǒng)框架圖；
[0017]圖2本發(fā)明的單片機最小系統(tǒng)圖；
[0018]圖3集成運放電路；
[0019]圖4地址選擇器電路圖；
[0020]圖5供電電路圖；
[0021]圖6壓電傳感器等效電路。

【具體實施方式】
[0022]為了更好的了解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]壓電傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，其傳感元件是壓電材料，它以壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換機理實現(xiàn)力到電量的轉(zhuǎn)換。壓電傳感器可以實現(xiàn)對各種動態(tài)力、機械沖擊和震動進行測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、導(dǎo)航方面得到廣泛的應(yīng)用。
[0024]具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常用的壓電材料有單晶體和人工壓電兩種。在壓電材料受到外力時，在發(fā)生形變的同時內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其表面會產(chǎn)生符號相反的電荷。當(dāng)外力去掉時，又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，當(dāng)作用力改變后電荷的極性也隨之改變。
[0025]如圖1所示，一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括:供電電源，若干個壓電傳感器，壓電傳感器安裝在橋梁內(nèi)部，壓電傳感器通過信號放大器連接單片機，單片機連接地址選擇器與第一報警器，單片機通過無線傳輸模塊連接上位機，上位機連接顯示模塊與第二報警器，第一報警器安裝于橋梁防護欄上，第二報警器安裝于值班室內(nèi)。若干個壓電傳感器均勻的分布在橋梁的內(nèi)部，具體分布為:每一個車道上，在距離該車道兩側(cè)邊緣20-30CM處，橋梁上表面20-30CM處埋設(shè)壓電傳感器，該車道同一側(cè)的相鄰兩個壓電傳感器之間的距離為4.5-5.5m。這種埋設(shè)方案使得壓電傳感器可以敏銳的感應(yīng)到橋梁的應(yīng)力變化，同時多個傳感器均勻設(shè)置在橋梁本體內(nèi)部，保證了采集橋梁本身整體的受力情況的全面性與真實性。
[0026]上位機上設(shè)有數(shù)據(jù)存儲模塊，用于對采集的數(shù)據(jù)進行存儲，方便工作人員日后對數(shù)據(jù)進行調(diào)度，為日后的安全措施提供了有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。
[0027]本發(fā)明的壓電傳感器為多晶體壓電陶瓷傳感器。
[0028]多晶體壓電陶瓷的靈敏度比壓電單晶體要高得多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個電極，當(dāng)壓電晶片受到力的作用時，便有電荷聚集在兩極上，一面為正極，一面為等量的負電荷，這種情況和電容十分相似，所不同的是晶片表面上的電荷會隨時間的推移逐漸漏掉，因為壓電晶體材料的絕緣電阻雖然很大，但畢竟不是無窮大，從信號變換角度來看，壓電元件相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個電容器。因此，通常將壓電元件等效為一個電荷源和電容并聯(lián)的電路。
[0029]如圖6所示，其中Ea = Q/Ca,式中，Ea為壓電晶體受力后所呈現(xiàn)出電壓，也稱為極板上的開路電壓；Q為壓電晶片表面上的電荷，Ca為壓電晶片的電容。
[0030]實際的壓電傳感器中，往往用兩片或者兩片以上的壓電晶片進行并聯(lián)或者串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián)時兩片正極集中在中間極板上，負電極在兩側(cè)的電極上，因此電容量大，輸出電荷量大、易于測量緩慢的信號并以電荷量作為輸出。
[0031]如圖2所示，單片機為STC12C5A60S，圖2為單片機最小系統(tǒng)圖，該單片機連接有重置電路與晶振電路，重置電路為:STC12C5A60S的RST引腳通過開關(guān)SI連接電壓源VCC，電壓源VCC依次通過串聯(lián)連接的電容Cl與電阻Rl接地；晶振電路為:STC12C5A60S的XTALl引腳通過電容C4接地，STC12C5A60S的XTAL2引腳通過電容C5接地，STC12C5A60S的XTALl引腳與XTAL2引腳之間連接晶振Yl，STC12C5A60S的電壓源引腳連接電壓源VCC，STC12C5A60S的GND引腳接地。STC12C5A60S2單片機是臺灣宏晶公司生產(chǎn)的單時鐘周期單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機。
[0032]如圖3所示，信號放大器電路包括:集成運算放大器0PA2334，0PA2334的OUTB引腳、IVin-引腳、Vin+引腳連接在一起組成電壓跟隨，0PA2334的IVin+引腳連接壓電傳感器的輸出端，0PA2334的Vin-引腳與GND引腳之間連接電阻R20, 0PA2334的GND引腳接地，0PA2334的Vin-引腳與OUTA引腳之間連接可調(diào)電阻R21，0PA2334的OUTA引腳連接STC12C5A60S的ADCO引腳。0PA2334的OUTB引腳為端子VOUTl采用TI生產(chǎn)的0PA2234集成運放作為電壓跟隨和電壓放大器，它是低功耗、精密單電源運放放大器，尤其是在手持設(shè)備中采用單電源運可以減少電池的數(shù)量、提供系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時該芯片內(nèi)部集成了兩個獨立的運放，一個可以作為電壓跟隨器，另外可以作為普通放大器使用。
[0033]如圖4所示，地址選擇器包括:撥碼開關(guān)SW DIP-5，撥碼開關(guān)SW DIP-5的第I至5引腳均通過一個阻值為IK的電阻分別連接STC12C5A60S的P2.0至P2.4引腳，撥碼開關(guān)Sff DIP-5的第6至10引腳均接地。地址選擇器用來選擇單片機需要發(fā)送的地址，通過判斷主機發(fā)送過來的指令判斷需要上傳數(shù)據(jù)的設(shè)備號，與當(dāng)前自身的地址選擇器的狀態(tài)進行對t匕，若主機發(fā)送的設(shè)備號與自身設(shè)備號相同則向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，否則停止發(fā)送。
[0034]無線傳輸模塊采用XL02-232AP1半雙工無線傳輸模塊，它是UART接口，工作電壓為5V。通訊速率最大為38400bps,通常狀況下為保證通信的穩(wěn)定性、降低功耗、一般選著9600bps的通信速。通訊格式為8個數(shù)據(jù)位、I個停止位、無校驗位。XL02-232AP1可工作在433MHz公用頻段，符合歐洲ETSI (EN300-220-1和EN301-493-3)，滿足無線管制要求，無須申請頻率使用許可證。
[0035]如圖5所示，供電電源包括太陽能電池板與蓄電池，太陽能電池板并聯(lián)連接蓄電池，太陽能電池板并聯(lián)連接有極性電容C6，有極性電容C6的正極連接太陽能電池板正極，太陽能電池板正極連接穩(wěn)壓電源Ul的輸入端，太陽能電池板負極接地，穩(wěn)壓電源Ul為7805,7805的接地端接地，7805的輸出端與地之間連接電容C8，電容C8并聯(lián)連接有極性電容C7，有極性電容正極連接7805的輸出端。采用太陽能電池板和鋰電池組合的供電方式，當(dāng)陽光充足時太陽能電池板除了提供設(shè)備正常工作的電能，還對鋰電池進行充電，以保證在陰雨和夜間設(shè)備的正常工作。
[0036]多傳感器的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)就是通過分布在各個節(jié)點的獨立壓電傳感器采集各處對應(yīng)物理量，利用無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到位于監(jiān)控室的上位機，在上位機包括圖像處理模塊并將圖像輸出至顯示模塊，管理人員可以直接查看當(dāng)前各個傳感器的運行狀態(tài)、從而可以對參數(shù)進行分析得出橋梁運行狀態(tài)相應(yīng)的結(jié)論，協(xié)助管理人員實現(xiàn)對橋梁的整體監(jiān)測。用戶可以通過上位機設(shè)置故障報警閾值，當(dāng)實際測量的數(shù)值超出設(shè)定值范圍時，上位機會發(fā)出報警信號，報警器開始報警，提醒工作人員及時采取相應(yīng)的措施，保證橋梁的安全運行。上位機還可以運行在自動工作模式下，上位機會自動采用輪流的方式依次對各個傳感器的數(shù)據(jù)進行采集匯總，當(dāng)某個傳站點數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時會主動切換到相應(yīng)的通道，并能夠?qū)υ擖c數(shù)據(jù)進行集中采集，確保故障點數(shù)據(jù)的及時傳輸。
[0037]上位機具有兩種工作模式，手動模式與自動模式，手動模式下為工作人員認為操作控制，自動模式下上位機會自行有序的采集信息并對信息進行處理，兩種模式減少了系統(tǒng)對人力的依賴程度，有效的節(jié)約了人力成本。
[0038]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，包括給整個系統(tǒng)供電的供電電源，若干個壓電傳感器，所述壓電傳感器均勻的分布在橋梁內(nèi)部，所述壓電傳感器通過信號放大器連接單片機，所述單片機連接地址選擇器與第一報警器，所述單片機通過無線傳輸模塊連接上位機，所述上位機連接顯示模塊與第二報警器，所述上位機上設(shè)有數(shù)據(jù)存儲模塊，所述第一報警器安裝于橋梁防護欄上，所述第二報警器安裝于值班室內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述單片機為STC12C5A60S，所述單片機連接有重置電路與晶振電路；所述重置電路為:所述STC12C5A60S的RST弓丨腳通過開關(guān)SI連接電壓源VCC，所述電壓源VCC依次通過串聯(lián)連接的電容Cl與電阻Rl接地；所述晶振電路為:STC12C5A60S的XTALl引腳通過電容C4接地，所述STC12C5A60S的XTAL2引腳通過電容C5接地，所述STC12C5A60S的XTALl引腳與XTAL2引腳之間連接晶振Y1，所述STC12C5A60S的電壓源引腳連接電壓源VCC，所述STC12C5A60S的GND引腳接地。
3.如權(quán)利要求2所述的一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述信號放大器電路包括:集成運算放大器0PA2334，所述0PA2334的OUTB引腳、IVin-引腳、Vin+引腳連接在一起組成電壓跟隨，所述0PA2334的IVin+引腳連接壓電傳感器的輸出端，所述0PA2334的Vin-弓丨腳與GND引腳之間連接電阻R20，所述0PA2334的GND引腳接地，所述0PA2334的Vin-引腳與OUTA引腳之間連接可調(diào)電阻R21，所述0PA2334的OUTA引腳連接STC12C5A60S的ADCO引腳。
4.如權(quán)利要求2或3所述的一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述無線傳輸模塊采用XL02-232AP1半雙工無線傳輸模塊。
5.如權(quán)利要求2或3所述一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的供電電源包括太陽能電池板與蓄電池，所述太陽能電池板并聯(lián)連接蓄電池，所述太陽能電池板并聯(lián)連接有極性電容C6，所述有極性電容C6的正極連接太陽能電池板正極，所述太陽能電池板正極連接穩(wěn)壓電源Ul的輸入端，所述太陽能電池板負極接地，所述穩(wěn)壓電源Ul為7805，所述7805的接地端接地，所述7805的輸出端與地之間連接電容C8，所述電容C8并聯(lián)連接有極性電容C7，所述有極性電容正極連接7805的輸出端。
【文檔編號】G01L1/16GK104406723SQ201410783367
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月16日
【發(fā)明者】任宏偉, 王建波, 田 浩, 秦磊, 程新功 申請人:濟南大學(xué)