一种基于超声波原理的桥梁动挠度测量系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于超声波原理的桥梁动挠度测量系统及其方法，属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业。
【背景技术】
[0002]通过振动传感器测量桥梁动挠度，该技术属于目前最普遍成熟的技术，但是该方法相对操作过程比较繁琐而且成本较高，比如需要在桥面上指定的位置安装振动传感器，安装传感器需要租用昂贵的桥检车等，还需要需要相应的数据采集仪进行数据采集，需要对现场的传感器与采集设备保护，需要现场供电方便，防止人为破坏，偷盗等等。
【发明内容】
[0003]针对上述的问题，本发明专利解决了振动法面临的使用繁琐与成本高的问题。本发明采用超声波作为振动的传输介质，省去了购买与安装振动传感器的步骤，并且本发明采用超声波发送，接收，数据处理，存储为一体的便携式采集设计，极大地简化桥梁动挠度检测过程。
[0004]本发明采用如下技术方案:
一种基于超声波原理的桥梁动挠度测量系统，它包括微控制器、FPGA控制器、模数转换器、USB接口、RS232接口、数字隔离模块、超声波发射模块、超声波接收模块、笔记本电脑；微控制器与FPGA控制器连接，微控制器设有RS232接口，FPGA控制器通过USB接口与笔记本电脑连接；
FPGA控制器通过模数转换器与超声波接收模块连接；
FPGA控制器与数字隔离模块连接；数字隔离模块与超声波发射模块、超声波接收模块连接。
[0005]一种基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，FPGA控制器合成已调信号通过超声波发送模块发射，经过桥梁底部反射回来的波形再通过超声波接收模块进行解调得到占空比随桥梁振动而变化的方波，方波信号再通过FPGA控制器计算得出每个方波上升沿的时间差。
进一步的，FPGA控制器通过超声波发送模块发送已调信号。
[0006]进一步的，已调信号经过超声波接收模块得到占空比随桥梁振动而变化的方波。
[0007]进一步的，数字隔离模块将超声波发送模块和超声波接收模块的信号电平与FPGA控制器的逻辑电平隔离。
进一步的，笔记本电脑通过USB接口对微控制器的工作模式进行配置。
[0008]进一步的，微控制器与FPGA控制器继续数据传输和逻辑控制。
[0009]进一步的，模数转换器将超声波接收模块的解调信号进行采样得到高精度的方波信号。
[0010]本发明实现原理:该系统的诞生主要是为了解决传统检测桥梁动挠度方法的现场工作量大，成本高，灵活性小等而设计的一款低工作量，低成本，高灵活性的智能采集设备。
[0011]其主要工作原理是利用成熟的超声波测距原理，结合模仿电子学的模数转换器的采样方式，根据采样定理得出桥梁的动挠度变化。
[0012]系统工作流程:根据理论值计算的桥梁动挠度变化，设定智能采集仪的采样速率，此处的采样速率为采集设备以一定的周期发射等间隔的间歇式超声波信号(一般超声波频率设置为40KHz)，该周期既为采样速率，在分析桥梁动挠度变化时，采样速率的设定一定要满足采样定理的最低要求。反射波信号会在桥面上反射超声波信号，但是反射波信号携带了解购物的挠度变化信号，相当于将发射信号的周期进行调制，只能采集设备根据反射波的周期变化量即可得出结构物的挠度变化。因为是短时间的采集，而且时间变化求的是相对量，所以不会由于环境变化造成声速的变化导致系统的误差，所以本系统精度可达Imm0
[0013]本发明的有益效果:
本发明极大地简化了现场的检测步骤，不需要在危险的条件下安装振动传感器，只需要手持本设备，对准桥梁底部，设置好参数和采样时间后，进行采集即可，得到的数据可立即进行分析，省去了振动法测试的安装，调试，接电，等步骤。
【附图说明】
[0014]图1为本发明超声波测量模块框图；
图2为本发明超声波测量桥梁动挠度示意图；
图3为本发明超声波脉冲调制示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图1、2、3对本发明进行详细描述:
一种基于超声波原理的桥梁动挠度测量系统，它包括微控制器1、FPGA控制器2、模数转换器3、USB接口 4、RS232接口 5、数字隔离模块6、超声波发射模块7、超声波接收模块8、笔记本电脑9 ;
微控制器I与FPGA控制器2连接，微控制器I设有RS232接口 5，FPGA控制器2通过USB接口 4与笔记本电脑9连接；
FPGA控制器2通过模数转换器3与超声波接收模块8连接；
FPGA控制器2与数字隔离模块6连接；数字隔离模块6与超声波发射模块7、超声波接收模块8连接。
[0016]FPGA控制器2合成已调信号通过超声波发送模块7发射，经过桥梁底部反射回来的波形再通过超声波接收模块8进行解调得到占空比随桥梁振动而变化的方波，方波信号再通过FPGA控制器2计算得出每个方波上升沿的时间差。
FPGA控制器I通过超声波发送模块7发送已调信号。
[0017]已调信号经过超声波接收模块8得到占空比随桥梁振动而变化的方波。
[0018]数字隔离模块6将超声波发送模块7和超声波接收模块8的信号电平与FPGA控制器2的逻辑电平隔离。
笔记本电脑9通过USB接口 4对微控制器I的工作模式进行配置。
[0019]微控制器I与FPGA控制器2继续数据传输和逻辑控制。
[0020]模数转换器3将超声波接收模块8的解调信号进行采样得到高精度的方波信号。
[0021]本发明专利利用FPGA的高速并行处理能力，产生类似采样速率的调制信号，该信号可根据桥梁的基频配置成不同的采样速率，一般为128Hz、64Hz、32Hz、16Hz、8Hz ;FPGA同时产生40KHz的超声波载波信号，与调制信号信号相乘得到已调信号，通过超声波发射探头发送等间隔的已调信号。FPGA同时作为已调信号的接收端接收反射信号，可以检出每个脉冲超声波信号经过桥梁底部后的时间差，从而得出相对位移量。
[0022]在实际测量时，首先通过笔记本电脑配置采集模块的采样速率、采样点数等关键参数，然后将采集设备的超声波发射探头对准桥梁底部，一般要求距离在100米以内。通过笔记本电脑点击启动采样，此时设备启动工作，采集模块发送1024个经过调制后的脉冲超声波信号，信号到达桥梁底部后发射回来，再经过超声波的接收探头进行解调，因为桥梁在垂直方向振动的时候，每个脉冲超声波信号到达桥梁底部被反射的时间都不相同，从而通过检测反射回来的脉冲超声波每个调制周期的时间差即可得出桥梁动挠度的变化频率，再通过计算出当前环境下的超声波波速，即可得出桥梁实际的动挠度波形图。
因考虑到桥梁的漫反射，为保证数据的精度，故系统中采用了高速的模数转换器进行高速采样，采样后的数据经过算法处理解调出精确的已调信号每个方波波形间的时间差。
[0023]数字隔离的作用是因为FPGA的逻辑电瓶与超声波驱动电平不一样而做的隔离。
[0024]微控制器的作用是驱动USB、RS232接口，控制FPGA的工作方式，与FPGA进行数据通?目等功能。
图2发明超声波测量桥梁动挠度示意图中:11桥梁；12发射波；13反射波；14超声波发射探头；15超声波接收探头；16超声波测量模块。
[0025]图3为本发明超声波脉冲调制示意图:
21:调制信号(根据实际采样速率设定，默认128Hz);
22:40KHz的超声波载波信号经过调制后的发送波形(未接触桥面)；
23:经过桥梁底部反射回来的已调信号(接触桥面后)；
24:经过解调后的占空比变化的方波。
[0026]简要说明:已调信号经过桥面发射后，经过接收电路解调，得到一个占空比随桥梁振动而变化的方波。
[0027]接触桥面后反射回来的已调信号，从第一个方波上升沿波信开始计时，计算每两个方波上升沿之间的时间差Atn其中n=l，2，3…1024 ;再通过当时的温度、湿度因素得出即时绝对声速V，通过Sn=V Atn得出每个波信之间的绝对位移差，然后以第一个波信的起点为之间基准点，可描绘出一个横坐标为时间(横坐标的时间是根据采样速率Fs得到的时间间隔Ts=l/Fs)，纵坐标为位移及挠度的时域波信，通过分析波信，我们可以得到桥梁的基频和挠度等关键信息。
【主权项】
1.一种基于超声波原理的桥梁动挠度测量系统，其特征在于:它包括微控制器(1)、FPGA控制器(2 )、模数转换器(3 )、USB接口( 4 )、RS232接口( 5 )、数字隔离模块(6 )、超声波发射模块(7 )、超声波接收模块(8 )、笔记本电脑(9 ); 微控制器(I)与FPGA控制器(2 )连接，微控制器(I)设有RS232接口( 5 )，FPGA控制器(2)通过USB接口(4)与笔记本电脑(9)连接； FPGA控制器(2)通过模数转换器(3)与超声波接收模块(8)连接； FPGA控制器(2)与数字隔离模块(6)连接；数字隔离模块(6)与超声波发射模块(7)、超声波接收模块(8 )连接。2.—种基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，其特征在于:FPGA控制器(2)合成已调信号通过超声波发送模块(7)发射，经过桥梁底部反射回来的波形再通过超声波接收模块(8)进行解调得到占空比随桥梁振动而变化的方波，方波信号再通过FPGA控制器(2)计算得出每个方波上升沿的时间差。3.根据权利要求2所述的基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，其特征在于:FPGA控制器(I)通过超声波发送模块(7)发送已调信号。4.根据权利要求3所述的基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，其特征在于:已调信号经过超声波接收模块(8 )得到占空比随桥梁振动而变化的方波。5.根据权利要求2所述的基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，其特征在于:数字隔离模块(6)将超声波发送模块(7)和超声波接收模块(8)的信号电平与FPGA控制器(2)的逻辑电平隔离。6.根据权利要求2所述的基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，其特征在于:笔记本电脑(9 )通过USB接口( 4 )对微控制器(I)的工作模式进行配置。7.根据权利要求2所述的基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，其特征在于:微控制器(I)与FPGA控制器(2 )继续数据传输和逻辑控制。8.根据权利要求2所述的基于超声波原理的桥梁动挠度测量方法，其特征在于:模数转换器(3)将超声波接收模块(8)的解调信号进行采样得到高精度的方波信号。
【专利摘要】本发明涉及一种基于超声波原理的桥梁动挠度测量系统及其方法，属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业。本发明极大地简化了现场的检测步骤，不需要在危险的条件下安装振动传感器，只需要手持本设备，对准桥梁底部，设置好参数和采样时间后，进行采集即可，得到的数据可立即进行分析，省去了振动法测试的安装，调试，接电，等步骤。
【IPC分类】G01B17/04
【公开号】CN105136075
【申请号】CN201510603803
【发明人】刘文峰, 王辅宋, 谢镇, 刘国勇, 刘付鹏, 徐帆, 李松
【申请人】江西飞尚科技有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月22日