一种桥梁健康监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种桥梁健康监测系统，包括数据采集子系统(1)、远程传输子系统(2)和监控中心计算机(3)，所述的数据采集子系统(1)包括数据采集单元(4)和多个传感器(5)；所述的数据采集单元(4)包括：信道选择模块(6)、激振模块(7)、拾振模块(8)、温度调理模块(9)、单片机模块(10)及串行数据通信模块(11)，信道选择模块(6)分别与传感器(5)、激振模块(7)、拾振模块(8)和温度调理模块(9)连接，单片机模块(10)分别与激振模块(7)、拾振模块(8)、温度调理模块(9)和串行数据通信模块(11)连接，串行数据通信模块(11)与远程传输子系统(2)连接，远程传输子系统(2)与监控中心计算机(3)连接。本实用新型可实现对桥梁的实时、高效、准确的监测。
【专利说明】一种桥梁健康监测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种桥梁健康监测系统，属于桥梁健康监测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 桥梁健康监测系统是一项融设计、开发、安装、观测和数据处理等多项任务为一体 的装置，而远程自动监测更是集自动控制、计算机、通信、电力电子等专业为一体的综合性 学科。因此，一个桥梁监测系统的成功与否除了与系统的软硬件资源有密切关系外，更重要 的是系统总体方案的设计。系统的总体结构设计是保证在特定布置方式下系统的硬件和软 件的结构以及基本功能的设计，它在一定程度上决定了系统的合理性与可靠性，同时也是 决定系统投资成本的一个重要因素。
[0003] 随着控制技术及计算机技术的迅速发展，同时考虑日后电力电子技术的不断发 展，桥梁应力监测系统应能自动完成远程监测任务。现场数据采集系统和监控中心控制系 统不间断地在线监测，确保及时发现随机出现的结构异常及报警。然而现有的桥梁健康监 测系统不仅结构复杂，监测不够实时、效率低、准确性差，而且其中的很多部件均需从国外 购买，成本高达万元，这在一定程度上大大限制了桥梁监测系统的应用范围。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于，提供一种桥梁健康监测系统，它可以有效解决现有技术 中存在的问题，尤其是监测不够实时、效率低、准确性差的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：一种桥梁健康监测系统， 包括数据采集子系统、远程传输子系统和监控中心计算机，所述的数据采集子系统包括数 据采集单元和多个传感器；所述的数据采集单元包括：信道选择模块、激振模块、拾振模 块、温度调理模块、单片机模块及串行数据通信模块，信道选择模块分别与传感器、激振模 块、拾振模块和温度调理模块连接，单片机模块分别与激振模块、拾振模块、温度调理模块 和串行数据通信模块连接，串行数据通信模块与远程传输子系统连接，远程传输子系统与 监控中心计算机连接。
[0006] 优选的，所述的信道选择模块包括：传感器接线端、继电器A5W-K、8路模拟开关 HCF4051、继电器驱动器ULN2008和抗雷管，继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关 HCF4051和继电器A5W-K连接，传感器接线端分别与继电器A5W-K和抗雷管连接，从而使其 与进口的信道选择模块具备相同性能的前提下大大降低了成本。
[0007] 更优选的，所述的激振模块包括：稳压管D52、稳压管D53、二极管D1、三极管Q1和 三极管Q2,二极管D1的输入端和输出端分别与稳压管D53的输出端、三极管Q1的输入端连 接，三极管Q2的输入端和输出端分别与三极管Q1的输出端、稳压管D52的输出端连接，稳 压管D52和稳压管D53的输入端接地，从而使其与进口的激振模块具备相同性能的前提下 进一步降低了成本。
[0008] 更优选的，所述的拾振模块包括滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的 输出端与整形变换电路的输入端连接，从而使其与进口的拾振模块具备相同性能的前提下 进一步降低了成本。
[0009] 更有选的，所述的温度调理模块包括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电 路，信号切换电路分别与恒流源电路和U/F转换电路连接，从而使其与进口的温度调理模 块具备相同性能的前提下进一步降低了成本。
[0010] 优选的，前述的传感器采用振弦式传感器，由于振弦式传感器输出的是频率信号， 抗干扰能力强，对电缆要求低，适合于远距离传输，因而获得的测量结果较为准确。
[0011] 优选的，所述的远程传输子系统主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组 成，信号转换器与网络中继器之间通过通讯电缆连接，从而可以实现高效、快速的传输信 号。
[0012] 前述的远程传输子系统也可采用GPRS模块，具有以下优点：a.由于GPRS模块具 有实时性在线特性，系统无时延，因而可以很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要 求；b. GPRS网络已经覆盖绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大范围的监测，测点布置 灵活；c.监控中心计算机可以灵活移动，只要能接入Internet，就可以对测点进行监控； d. -次传输的信息量可达1〇24个字节；e.通信速率高，可达40kbps ;f.采用GPRS公网平 台，无需建设网络，只需在测点安装GPRS模块即可，建设成本低。
[0013] 本实用新型中，所述的单片机模块采用TI MSP430F6638混合信号微处理器，从而 可以降低功耗，节约成本。
[0014] 本实用新型中，所述的串行数据通信模块与远程传输子系统之间采用RS-232接 口通信，远程传输子系统与监控中心计算机之间采用RS-485接口通信，从而可以满足系统 的需求，实现数据的准确传输。
[0015]前述的信道选择模块与传感器通过RS-485通信总线连接，从而可以提高数据传 输速率。
[0016]与现有技术相比，本实用新型通过利用数据采集单元，尤其是利用发明人亲自设 计的信道选择模块、激振模块、拾振模块及温度调理模块，可以实现实时、高效、准确的采集 数据，进而即可实现对桥梁的实时、高效、准确的监测；另外，本实用新型中的数据采集子系 统是一种分散采集、集中处理的系统，其布局灵活、扩展方便，可适用于各种工程规模的桥 梁监测系统中；此外，发明人所设计的信道选择模块、激振模块、拾振模块及温度调理模块 不仅性能优越，而且相对于进口的模块而言大大降低了系统的成本（本实用新型的系统仅 需一千元左右，而现有进口的单纯模块就需上万元），因而本实用新型的系统适于大规模推 广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本实用新型的一种实施例的结构连接示意图；
[0018] 图2是采用GPRS模块的监测系统示意图；
[0019]图3?图4是振弦式传感器的结构示意图；
[0020] 图5是信道选择模块的电路图；
[0021 ] 图6是激振模块的电路图；
[0022] 图7是拾振模块的电路图；
[0023]图8是信号传输采用的接口种类示意图；
[0024] 图9是太阳能电池供电模块的连接结构示意图；
[0025]图10是太阳能电池供电模块的安装示意图；
[0026]图11是本实用新型分散采集方式的结构连接示意图；
[0027]图12是比值采样法测电阻的电路连接图；
[0028] 图13是振弦式应变计的结构示意图；
[0029] 图14是温度修正模块的整体电路图。
[0030] 附图标记：1-数据采集子系统，2-远程传输子系统，3-监控中心计算机，4-数据采 集单元，5-传感器，6-信道选择模块， 7-激振模块，8-拾振模块，9-温度调理模块，?ο-单片 机模块，11-串行数据通信模块，12-太阳能供电模块。
[0031] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步的说明。
【具体实施方式】
[0032] 本实用新型的实施例1 :一种桥梁健康监测系统，如图1、图3?图14所示，一种桥 梁健康监测系统，包括数据采集子系统1、远程传输子系统2和监控中心计算机3,所述的数 据采集子系统1包括数据采集单元4和多个传感器5 ;所述的数据采集单元4包括：信道选 择模块6、激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9、单片机模块1〇及串行数据通信模块 U， 信道选择模块6分别与传感器5、激振模块7、拾振模块8和温度调理模块9连接，单片机模 块10分别与激振模块7、拾振模块8、温度调理模块9和串行数据通信模块11连接，串行数 据通信模块11与远程传输子系统2连接，远程传输子系统2与监控中心计算机3连接。所 述的信道选择模块6包括：传感器接线端（即图5中的JP1、JP2、JP8)、继电器A5W-K、8路 模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008和抗雷管（即图5中由上至下并列设置的R1、 R2、R3、R4)，继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关HCF4051和继电器A5W-K连接，传 感器接线端分别与继电器A5W-K和抗雷管连接。所述的激振模块7包括：稳压管D52、稳压 管D53、二极管D1、三极管Q1和三极管Q2,二极管D1的输入端、输出端分别与稳压管D53的 输出端、三极管Q1的输入端对应连接，三极管Q2的输入端、输出端分别与三极管Q1的输出 端、稳压管D52的输出端对应连接，稳压管D52和稳压管D53的输入端接地。所述的拾振模 块8包括：滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的输出端与整形变换电路的输入 端连接。所述的温度调理模块9包括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电路，信号切 换电路分别与恒流源电路和U/F转换电路连接。所述的传感器5采用振弦式传感器。所述 的远程传输子系统2主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组成，信号转换器与网 络中继器之间通过通讯电缆连接。所述的单片机模块10采用TI MSP430F6638混合信号微 处理器。所述的串行数据通信模块11与远程传输子系统2之间采用RS-232接口通信，远 程传输子系统2与监控中心计算机3之间采用RS-485接口通信。其余硬件均采用市售产 品。
[0033] 实施例2 : -种桥梁健康监测系统，如图1?图14所示，一种桥梁健康监测系统， 包括数据采集子系统1、远程传输子系统2和监控中心计算机3,所述的数据采集子系统1 包括数据采集单元4和多个传感器5 ;所述的数据采集单元4包括：信道选择模块6、激振模 块7、拾振模块8、温度调理模块9、单片机模块1〇及串行数据通信模块11，信道选择模块6 分别与传感器5、激振模块7、拾振模块8和温度调理模块9连接，单片机模块10分别与激 振模块7、拾振模块8、温度调理模块9和串行数据通信模块11连接，串行数据通信模块11 与远程传输子系统2连接，远程传输子系统2与监控中心计算机3连接。所述的信道选择 模块 6包括：传感器接线端、继电器A5W-K、8路模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008和 抗雷管组成,继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关HCF4051和继电器A5W-K连接，传 感器接线端分别与继电器A5W-K和抗雷管连接。所述的激振模块7包括：稳压管D52、稳压 管D53、二极管D1、三极管Q1和三极管Q2,二极管D1的输入端和输出端分别与稳压管D53 的输出端、三极管Q1的输入端对应连接，三极管Q2的输入端和输出端分别与三极管Q1的 输出端、稳压管D52的输出端对应连接，稳压管D52和稳压管D53的输入端接地。所述的拾 振模块8包括：滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的输出端与整形变换电路的 输入端连接。所述的温度调理模块9包括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电路，信 号切换电路分别与恒流源电路和U/F转换电路连接。所述的传感器5采用振弦式传感器。 所述的远程传输子系统2采用GPRS模块。所述的单片机模块10采用TI MSP430F6638混 合信号微处理器。所述的串行数据通信模块11与远程传输子系统2之间采用RS-232接口 通信，远程传输子系统 2与监控中心计算机3之间采用RS-485接口通信。其余硬件均采用 市售产品。
[0034] 本实用新型的一种实施例的工作原理：
[0035]数据采集子系统1中的传感器5分散的布置在桥梁内部获取桥梁各个部分的信 息，传感器5获得的信号信息经过RS-232通信总线传输到数据采集单元4。数据采集单元 4通过信道选择模块6、激振模块 7、拾振模块8、温度调理模块9、单片机模块10及串行数据 通信模块11完成测点传感器5的激励、测量及数据暂存后，通过远程传输子系统2将监测 数据传输给监控中心计算机3,监控中心计算机3根据该监测数据判断桥梁当前的健康状 况。
[0036] 具体的，本实用新型中各个部件的工作原理如下：
[0037] 振弦式传感器：
[0038]振弦式传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦，在电激励下，振弦按其 固有频率振动；改变振弦的张力F，可以得到不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值 函数关系，其结构如图3、图4所示。随着加载在振弦端部的力发生变化，振弦的谐振频率也 会发生相应的变化。通过一组不同频率的脉冲来激励振弦振动，引起振弦的共振，测得共振 频率，就可计算出传感器的受力情况及工程值。
[0039]根据动力学原理，任意机械振动系统的谐振频率可根据下式计算：
[0040]
【权利要求】
1. 一种桥梁健康监测系统，其特征在于：包括数据采集子系统（1)、远程传输子系统 (2)和监控中心计算机（3)，所述的数据采集子系统（1)包括数据采集单元（4)和多个传感 器（5);所述的数据采集单元（4)包括：信道选择模块（6)、激振模块（7)、拾振模块（8)、温 度调理模块（9)、单片机模块（10)及串行数据通信模块（11)，信道选择模块（6)分别与传 感器（5)、激振模块（7)、拾振模块（8)和温度调理模块（9)连接，单片机模块（10)分别与 激振模块（7)、拾振模块（8)、温度调理模块（9)和串行数据通信模块（11)连接，串行数据 通信模块（11)与远程传输子系统（2)连接，远程传输子系统（2)与监控中心计算机（3)连 接。
2. 根据权利要求1所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的信道选择模块（6)包 括：传感器接线端、继电器A5W-K、8路模拟开关HCF4051、继电器驱动器ULN2008和抗雷管， 继电器驱动器ULN2008分别与8路模拟开关HCF4051和继电器A5W-K连接，传感器接线端 分别与继电器A5W-K和抗雷管连接。
3. 根据权利要求2所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的激振模块（7)包括： 稳压管D52、稳压管D53、二极管D1、三极管Q1和三极管Q2,二极管D1的输入端和输出端分 别与稳压管D53的输出端和三极管Q1的输入端对应连接，三极管Q2的输入端和输出端分 别与三极管Q1的输出端和稳压管D52的输出端对应连接，稳压管D52和稳压管D53的输入 端接地。
4. 根据权利要求3所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的拾振模块（8)包括： 滤波放大电路和整形变换电路，滤波放大电路的输出端与整形变换电路的输入端连接。
5. 根据权利要求4所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的温度调理模块（9)包 括：恒流源电路、信号切换电路和U/F转换电路，信号切换电路分别与恒流源电路和U/F转 换电路连接。
6. 根据权利要求1所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的传感器（5)采用振弦 式传感器。
7. 根据权利要求1所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的远程传输子系统（2) 主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组成，信号转换器与网络中继器之间通过通 讯电缆连接。
8. 根据权利要求1或5所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的单片机模块 (10) 采用TI MSP430F6638混合信号微处理器。
9. 根据权利要求8所述的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述的串行数据通信模块 (11) 与远程传输子系统（2)之间采用RS-232接口通信，远程传输子系统⑵与监控中心计 算机（3)之间采用RS-485接口通信。
【文档编号】G01N29/12GK204086219SQ201420545796
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】吴朝霞, 邵元隆, 李俞呈, 王立夫, 金伟, 赵玉倩 申请人:东北大学