一种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统的制作方法
【专利摘要】一种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，涉及桥梁拉索检测与监测【技术领域】，包括信号采集装置和与其通过无线信号连接的分析终端，信号采集装置设置在拉索上；信号采集装置包括感应拉索振动的微机电加速度芯片、信号放大滤波器、数模转换器和发送拉索振动信号的无线发射模块；信号放大滤波器分别与微机电加速度芯片的输出端、数模转换器的输入端相连，数模转换器的输出端与无线发射模块相连；分析终端包括接收无线发射模块发送振动信号的无线接收模块、实时显示波形信号及实时频谱分析的信号处理模块，无线接收模块与信号处理模块相连。该系统体积质量小、价格低廉、耗能低、谐振频率高和响应时间短，降低了测试成本且减小了安全隐患。
【专利说明】—种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及桥梁拉索检测与监测【技术领域】，具体来讲是一种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统。
【背景技术】
[0002]拉索是缆索桥梁结构中重要的传力与受力构件，一般包括斜拉桥的斜拉索、悬索桥和拱桥的吊索(或吊杆)。拉索索力的大小将直接影响到全桥在施工和服役期间的安全状况，因此它的准确测量在该类桥梁施工控制、后期桥梁养护管理与健康监测有着非常重要的作用。
[0003]目前国内外工程应用中，拉索索力常用的测量方法有油压表测定法、压力传感器法、电磁测量法、振动频率法等。振动频率法由于测量简便易行、准确度高、成本低廉而得到广泛推广应用，目前国内的成桥拉索检测或健康监测工作都是采用频率法。频率法测量索力一般是将加速度传感器固定在拉索表面拾取振动信号，经信号放大、滤波和数模转换，再对信号进行频谱分析获取拉索固有频率，然后通过拉索频率与索力之间的函数关系计算出拉索的索力值。
[0004]基于频率法的索力测量仪在工程上广泛应用，现有的索力测量仪通常采用传统的加速度传感器和有线通信方式，并且需要配备专门的信号处理及分析设备，在信号采集完成后进行频谱分析得到拉索固有频率。在工程现场使用时，有线通信方式会降低工作效率，线路容易损坏并且存在一定的安全隐患；在桥梁运营期间以频率法测量拉索索力时，过往车辆和环境荷载都会对拉索振动产生一定影响，不同时段采集的信号质量相对于拉索固有频率测量有好有差，频谱分析在信号采集完成后再进行分析，则不能及时判断正在采集的振动信号质量，有可能得到不准确的拉索固有频率。
[0005]另外，传统的传感器外形均为圆柱型，有的传感器底部有一圈磁铁，用于测量时吸附在拉索表面上，有的则没有，则需要用绳带绑扎在拉索上。传感器固定在桥梁拉索上时，传感器底面与拉索表面接触，由于拉索表面为圆柱面，而传统传感器底面为平面或者单圆弧曲面，因此传感器与拉索之间的接触为单线接触，这种固定方式并不十分稳固，会对采集信号的质量产生一定的影响。
实用新型内容
[0006]针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，本实用新型具有体积质量小、价格低廉、耗能低、谐振频率高和响应时间短等优点，降低了测试成本且减小了安全隐患。
[0007]为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是:一种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，系统包括信号采集装置和与其通过无线信号连接的分析终端，所述信号采集装置设置在拉索上；信号采集装置包括感应拉索振动的微机电加速度芯片、信号放大滤波器、数模转换器和发送拉索振动信号的无线发射模块；所述信号放大滤波器分别与微机电加速度芯片的输出端、数模转换器的输入端相连，数模转换器的输出端与无线发射模块相连；分析终端包括接收无线发射模块发送振动信号的无线接收模块、实时显示波形信号及实时频谱分析的信号处理模块，无线接收模块与信号处理模块相连。
[0008]在上述技术方案的基础上，所述分析终端为智能手机或PC平板。
[0009]在上述技术方案的基础上，所述信号放大滤波器包括两级放大电路、抗混叠滤波电路和128阶数字滤波器。
[0010]在上述技术方案的基础上，所述信号采集装置与分析终端之间采用无线wifi网络进行通信。
[0011]在上述技术方案的基础上，信号采集装置的外壳与拉索外表面接触的部位为双圆弧曲面，其与拉索外表面接触部位的横截面为两点接触。
[0012]本实用新型的有益效果在于:
[0013]1、本实用新型采用了微机电加速度芯片，与同层次性能的传统加速度传感器相t匕，具有体积质量小、价格低廉、耗能低、谐振频率高和响应时间短等优点。
[0014]2、本实用新型采用人们随身携带的智能手机或PC平板作为分析终端，代替了传统的数据处理及分析设备，降低了测试成本。
[0015]3、本实用新型中信号采集装置和分析终端之间采用无线wifi网络进行数据通信，不存在有线通信线路，现场测试时方便快捷，且减小了安全隐患。
[0016]4、本实用新型的分析终端上进行实时的振动波形显示和频谱分析，使得工程人员能够方便判断采集信号的质量和所测拉索频率的准确性。
[0017]5、本实用新型中信号采集装置的外壳与拉索表面接触部位设计为双圆弧曲面，其与拉索外表面接触部位的横截面为双点接触，因此固定效果良好，拉索振动信号能够较好地得到采集。
[0018]6、本实用新型中多个信号采集装置固定放置在多个拉索上，组建形成索力测试网络，能够对桥梁进行全面有效的监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型实施例中基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统的结构示意图；
[0020]图2为本实用新型实施例中信号采集装置的结构示意图；
[0021]图3为本实用新型实施例中基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统的组成框图。
[0022]附图标记:
[0023]I—彳目号米集装置；11 一微机电加速度芯片；12—/[目号放大滤波器；13—数模转换器；14一无线发射模块；
[0024]2—分析终端；21—无线接收模块；22—信号处理模块；
[0025]3—拉索。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细说明。
[0027]参见图1所示，一种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，包括信号采集装置I和与其通过无线信号连接的分析终端2，所述信号采集装置I设置在拉索3上。
[0028]参见图2所示，信号采集装置I的外壳与拉索3外表面接触的部位为双圆弧曲面，其与拉索3外表面接触部位的横截面为双线接触，能够适应当前桥梁中不同直径的拉索3，与拉索3接触方式是双线接触，固定方式稳固有效，能够避免传统传感器形式在拉索3上固定不够稳固对信号采集带来的一定干扰。
[0029]优选的，所述分析终端2为智能手机或PC平板。利用人们随身携带的智能手机或PC平板，方便快捷，不再需要额外的分析处理设备；代替了传统的数据处理及分析设备，降低了测试成本。
[0030]优选的，所述信号采集装置I与分析终端2之间采用无线wifi网络进行通信，不再使用有线通信方式，能够提高工作效率，减小安全隐患。
[0031]参见图3所示，信号采集装置I包括感应拉索3振动的微机电(MEMS)加速度芯片11、信号放大滤波器12、数模转换器13、发送拉索3振动信号的无线发射模块14，本实用新型采用微机电加速度芯片代替的传统加速度传感器，具有体积质量小、价格低廉、耗能低、谐振频率高和响应时间短等优点。所述信号放大滤波器12分别与微机电加速度芯片11的输出端、数模转换器13的输入端相连，数模转换器13的输出端与无线发射模块14相连；所述信号放大滤波器12包括两级放大电路、抗混叠滤波电路和128阶数字滤波器，能够有效压缩信号噪声，进一步提高振动信号的信噪比。
[0032]分析终端2包括无线接收模块21和信号处理模块22，无线接收模块21与信号处理模块22相连；所述无线接收模块21接收无线发射模块14发送过来的拉索3振动信号，并通过信号处理模块22进行实时波形信号显示和实时频谱分析。
[0033]本实用新型的使用方法:
[0034]在进行桥梁拉索3索力的测量时，信号采集装置I固定在桥梁拉索3上，微机电加速度芯片11采集拉索3的振动信号并转换成模拟电压信号，然后经信号滤波放大器12对振动信号进行放大并滤波，以去除一定的噪声因素，接下来通过数模转换器13转成数字信号，再经无线发射模块14传送至智能手机终端2。智能手机终端2中无线接收模块21接收来自信号采集装置I的振动信号，信号处理模块22进行实时波形信号显示和实时频谱分析。
[0035]本实用新型不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本实用新型相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，其特征在于:系统包括信号采集装置(I)和与其通过无线信号连接的分析终端(2)，所述信号采集装置(I)设置在拉索(3)上； 信号采集装置(I)包括感应拉索(3)振动的微机电加速度芯片(11)、信号放大滤波器(12)、数模转换器(13)和发送拉索(3)振动信号的无线发射模块(14);所述信号放大滤波器(12)分别与微机电加速度芯片(11)的输出端、数模转换器(13)的输入端相连,数模转换器(13)的输出端与无线发射模块(14)相连； 分析终端(2)包括接收无线发射模块(14)发送振动信号的无线接收模块(21)、实时显示波形信号及实时频谱分析的信号处理模块(22)，无线接收模块(21)与信号处理模块(22)相连。
2.如权利要求1所述的基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，其特征在于:所述分析终端(2)为智能手机或PC平板。
3.如权利要求1所述的基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，其特征在于:所述信号放大滤波器(12)包括两级放大电路、抗混叠滤波电路和128阶数字滤波器。
4.如权利要求1所述的基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，其特征在于:所述信号采集装置(I)与分析终端(2)之间采用无线wifi网络进行通信。
5.如权利要求1所述的基于微机电加速度芯片的无线索力测试系统，其特征在于:信号采集装置(I)的外壳与拉索(3)外表面接触的部位为双圆弧曲面，其与拉索(3)外表面接触部位的横截面为两点接触。
【文档编号】G01L5/00GK204064530SQ201420430648
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】王波, 伊建军, 荆国强, 柴小鹏, 王翔, 刘鹏飞, 马长飞 申请人:中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司, 中铁大桥局集团有限公司