一种用于桥梁形变的监测系统的制作方法

本实用新型属于桥梁领域，具体涉及一种用于桥梁形变的监测系统。

背景技术：

现在交通建设很快，特别是高速公路、铁路等大多采用高架桥方式建设，桥梁的变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震及交通负载引起的短期变形，其参数监测对于目标的安全评估分析具有重要的作用。现对高架桥的整体变形监测，以发现其异常现状和判断发展趋势，以便分析其变化的产生原因及其对桥梁安全的影响，并及时进行有效的治理，以减少和避免灾难性的事故发生。

目前所采用的桥梁形变监测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。但是，这些仪器并不能同时监测桥梁横向动转角和竖向动挠度，目前有一些设备监测桥梁横向动转角和竖向动挠度，但可以存在体积比较大、由于量程很小，常需要在安装好后，进行手工精确调零；手动调整初始位置，使用不便；收集到的数据混乱，后期处理不便。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于桥梁形变的监测系统，以解决背景技术中所提出的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供一种用于桥梁形变的监测系统，其特征在于，包括数据采集控制传输装置和与数据采集控制传输装置连接的桥梁状态感应装置、GPS 授时系统、无线数据传输装置及中心计算机；所述数据采集控制传输装置包括中央控制单元、与中央控制单元连接同步触发控制单元、数据处理单元、连接数据处理单元与桥梁状态感应装置的数据采集单元；所述桥梁状态感应装置包括第一力平衡式传感器、第二力平衡式传感器和安装架，所述安装架包括水平方向设置的第一安装杆、第二安装杆、连接第一安装杆与第二安装杆的连接杆，所述第一安装杆的长度小于第二安装杆的长度，所述连接杆为竖直方向设置；所述第一力平衡式传感器固定设置在第一安装杆上，所述第二力平衡式传感器固定设置在第二安装杆上，所述第二安装杆的两端均通过固定块固定设置在桥梁的梁体上，所述第一安装杆靠近连接杆一端通过固定块固定设置在桥梁的梁体上，所述第一安装杆与连接杆固定连接，所述第二安装杆的一端与连接杆转动连接；所述桥梁状态感应装置还包括加热装置，所述第一安装杆和第二安装杆内分别设置有第一加热丝和第二加热丝，所述第一安装杆和第二安装杆的外表面分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器和第二温度传感器的感应探头紧贴第一安装杆或第二安装杆的外表面，所述第一加热丝与第一温度传感器的常闭触点串联连接有一太阳能电池组件，所述第二加热丝与第二温度传感器的常闭触点串联连接在所述太阳能电池组件两端且与第一加热丝并联，所述太阳能电池组件固定设置在桥梁梁体上，所述太阳能电池组件为第一加热丝及第二加热丝供电；所述数据采集单元用于获取桥梁状态感应装置中第一力平衡式传感器、第二力平衡式传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的传感器数据；所述数据处理单元包括A/D转换模块和信号放大模块，将数据采集单元采集到的传感器数据经A/D转换模块将传感器的模拟信号转化为数字信号，且经信号放大模块将数字信号放大，所述数据处理单元用于对第一力平衡式传感器、第二力平衡式传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的传感器信号的分析，并按照 GPS 授时系统提供的时基信号，对传感器数据处理；所述同步触发控制单元按照 GPS 授时系统提供的时基信号，按设定的频率同步触发数据采集单元对第一力平衡式传感器、第二力平衡式传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的传感器信号进行采集；所述中央控制单元将经数据处理单元处理后的传感器数据经无线数据传输装置传出至中心计算机进行分析。

进一步的，所述监测系统还包括电池以及电源管理模块，所述电池管理模块与电池连接，用于为所述第一力平衡式传感器、第二力平衡式传感器和数据采集控制传输装置供电。

进一步的，所述第一力平衡式传感器和第二力平衡式传感器均为MEMS力平衡式传感器。

进一步的，所述固定块为铁磁材料。

进一步的，所述无线数据传输装置采用由CC2530芯片为核心而构成的DRF2617A-ZigBee无线模块。

进一步的，所述太阳能电池组件包括光伏蓄电池。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：本实用新型将 GPS 的时间信号引入测量结果，并为第一力平衡式传感器和第二力平衡式传感器的输出数据增加了时间标示码，实现了数据的精确同步，为后续棋谱分析等数据处理过程和分析提供了同步基准，便于后期数据分析；同时，本实用新型通过设置有第一安装杆及第二安装杆，第一安装杆固定安装有第一力平衡式传感器，用于检测纵向振动加速度，第二安装杆上固定安装有第二力平衡式传感器，既可以检测梁体的纵向振动加速度，也可以感应梁体的横向角加速度，将第一力平衡式传感器和第二力平衡式传感器的输出相减既可以去除纵向振动加速度，由此，可以方便的获取横向转角参数，基于横向转角参数，可以方便地计算挠度等；通过设定有加热装置，避免由于天气温度变化对采集数据的准确性带来的影响，尤其是北方地区，冬季过低的温度，第一安装杆和第二安装杆由于热胀冷缩现象，会影响第一力平衡式传感器、第二力平衡式传感器的准确性；因此，增加加热装置能够有效提高监测系统的准确性。

附图说明

图1为本实用新型的电路关系示意图；

图2为本实用新型中桥梁状态感应装置的结构示意图；

图3为本实用新型的加热装置的电路关系示意图。

附图标记说明：1、数据采集控制传输装置；11、中央控制单元；12、同步触发单元；13、数据处理单元；14、数据采集单元；2、桥梁状态感应装置；21、第一力平衡式传感器；22、第二力平衡式传感器；23、安装架；231、第一安装杆；232、第二安装杆；233、连接杆；234、固定块；24、加热装置；241、第一加热丝；242、第二加热丝；243、太阳能电池组件；244、第一温度传感器；245、第二温度传感器；3、GPS授时系统；4、无线数据传输装置；5、中心计算机；6、电池；7、电源管理模块。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1、图2和图3所示，一种用于桥梁形变的监测系统，包括数据采集控制传输装置1和与数据采集控制传输装置1连接的桥梁状态感应装置2、GPS 授时系统3、无线数据传输装置4及中心计算机5。

所述数据采集控制传输装置1包括中央控制单元11、与中央控制单元11连接同步触发控制单元12、数据处理单元13、连接数据处理单元13与桥梁状态感应装置2的数据采集单元14。

所述桥梁状态感应装置2包括第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22和安装架23，可行的，所述第一力平衡式传感器21和第二力平衡式传感器22均为MEMS力平衡式传感器，MEMS力平衡式传感器是一种既可感应水平向振动加速度也可感应角加速度的传感器，对其角加速度值进行反正切变换可得布置位置的横向转角值。所述安装架23包括水平方向设置的第一安装杆231、第二安装杆232、连接第一安装杆231与第二安装杆232的连接杆，所述第一安装杆231的长度小于第二安装杆232的长度，所述连接杆233为竖直方向设置；所述第一力平衡式传感器21固定设置在第一安装杆231上，所述第二力平衡式传感器22固定设置在第二安装杆232上，所述第二安装杆232的两端均通过固定块234固定设置在桥梁的梁体上，所述第一安装杆231靠近连接杆233一端通过固定块234固定设置在桥梁的梁体上，另一端与桥梁的梁体不固定，所述第一安装杆231在固定块234一端与连接杆233固定连接，所述第二安装杆232的一端与连接杆233转动连接，连接杆233与第二安装杆232的一端转动连接，以方便调节第一安装杆231和第二安装杆232的相对位置，使得安装时安装架23可以方便地安装在桥梁梁体的各个位置，适应性能强；由于第二安装杆232的两端均与梁体固定，因此，梁体的横向和纵向形变均会传到第二安装杆232并被设置与其上的第二力平衡式传感器22检测。优选的，所述固定块234为铁磁材料，所述固定块234上设置有用于螺栓连接通孔，所述固定块234通过螺栓连接第一安装杆231与桥梁梁体、第二安装杆232与桥梁梁体，固定块234通过螺栓固定在第一安装杆231和第二安装杆232上；同时由于桥梁梁体一般为铁质材质，固定块234为铁磁材料，固定块234可吸附在梁体上，增加固定块234与桥梁梁体之间固定效果，使用更加可靠。可行的，连接杆233与第二安装杆232通过双自由度铰链活动连接，从而可以使得更加方便调节。

第二安装杆232的横向转角的大小由第二安装杆232自身的变形和第二安装杆232两端的竖向位移差值决定。很显然，第二安装杆232两端的竖向位移差引起的横向转角值是我们所需要的值。可行的，为了减少第二安装杆232自身的弯曲变形，我们采用了质量轻、刚度大的碳纤维复合材料，第一安装杆231、第二安装杆232及连接杆233均采用聚甲醛-铁氟龙(POM+PTFE)混合型复合材料)来制造。

所述桥梁状态感应装置2还包括加热装置24，所述第一安装杆231和第二安装杆232内分别设置有第一加热丝241和第二加热丝242，所述第一安装杆231和第二安装杆232的外表面分别设置有第一温度传感器244和第二温度传感器245，所述第一温度传感器244和第二温度传感器245的感应探头紧贴第一安装杆231或第二安装杆232的外表面，所述第一加热丝241与第一温度传感器244的常闭触点串联连接有一太阳能电池组件243，所述第二加热丝242与第二温度传感器245的常闭触点串联连接在所述太阳能电池组件243两端且与第一加热丝241并联，所述太阳能电池组件243固定设置在桥梁梁体上，所述太阳能电池组件243为第一加热丝241及第二加热丝242供电；可行的，所述太阳能电池组件243包括光伏蓄电池，所述光伏蓄电池用于储存太阳能电池组件243所产生的电能。本实用新型通过在第一安装杆231和第二安装杆232内设置有第一加热丝241和第二加热丝242，当温度低于下限设定值的时候，第一温度传感器244或第二温度传感器245的常闭触点闭合，太阳能电池组件243为第一加热丝241或第二加热丝242供电，第一加热丝241或第二加热丝242对第一安装杆231和第二安装杆232进行加热，当第一安装杆231或第二安装杆232的温度超过上限设定值时，第一温度传感器244或第二温度传感器245的常闭触点断开，停止加热；通过设定有加热装置24，避免由于天气温度变化对采集数据的准确性带来的影响，尤其是北方地区，冬季过低的温度，第一安装杆231和第二安装杆232由于热胀冷缩现象，会影响第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22的准确性；因此，增加加热装置24能够有效提高监测系统的准确性；同时，增加加热装置24，可避免第一安装杆231和第二安装杆232在低温环境下变脆的现象，有效延长第一安装杆231和第二安装杆232的使用寿命。

所述数据采集单元14用于获取桥梁状态感应装置2中第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22、第一温度传感器244和第二温度传感器245的传感器数据。

所述数据处理单元13包括A/D转换模块和信号放大模块，将数据采集单元采集14到的传感器数据经A/D转换模块将传感器的模拟信号转化为数字信号，且经信号放大模块将数字信号放大，所述数据处理单元13用于对第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22、第一温度传感器244和第二温度传感器245的传感器信号的分析，并按照 GPS 授时系统3提供的时基信号，对传感器数据处理。

所述同步触发控制单元12按照 GPS 授时系统3提供的时基信号，按设定的频率同步触发数据采集单元12对第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22、第一温度传感器244和第二温度传感器245的传感器信号进行采集。

所述中央控制单元11将数据处理单元13处理后的传感器数据经无线数据传输装置4传出至中心计算机5进行后续分析。

进一步的实施例中，所述监测系统还包括电池6以及电源管理模块7，所述电池管理模块7与电池6连接，用于为所述第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22和数据采集控制传输装置1供电。

优选的，所述无线数据传输装置4采用由CC2530芯片为核心而构成的DRF2617A-ZigBee无线模块。无线数据传输装置4用于以无线方式向中心计算机5发送第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22、第一温度传感器244和第二温度传感器245经数据处理单元13后的数据信号。

所述中心计算机5用于根据第一力平衡式传感器21、第二力平衡式传感器22的第一数字检测信号和第二数字检测信号的差值输出表征横向转角的检测信号、并根据奇异谱分析方法进行分析，对根据第一温度传感器244和第二温度传感器245得到的第三数字检测信号、第四数字检测信号进行保存记录，对不符合常理的现象进行报警，例如，第三数字检测信号与第四数字检测信号的数值偏差很大或第一温度传感器244、第二温度传感器245损坏导致不采集数据的现象。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。