风振监测器及拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统的制作方法

1.本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种风振监测器及拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统。


背景技术：

2.随着经济社会的快速发展，人类跨越海湾海峡阻隔的现实需求逐步增多，桥梁工程不断从内陆向近海延伸。然而，与内陆的桥梁相比，近海的桥梁将面临复杂严重的风场环境作用。风对桥梁的作用受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布都是即随时间变化的和随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂。风荷载会对拉索桥造成较为严重的结构安全危害，所以我们发展监测风荷载对桥梁影响情况的技术是十分必要的。
3.压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。因此压电贴片可用于监测拉索桥拉索的形变程度，进而可以监测风荷载程度。
4.云计算技术是分布式计算的一种，指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序。然后，通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。云计算的核心概念就是以互联网为中心，在网站上提供快速且安全的云计算服务与数据存储，让每一个使用互联网的人都可以使用网络上的庞大计算资源与数据中心。云计算平台在本发明中可以实现拉索桥集群的预警数据汇集和互动反馈功能。
5.目前的拉索桥风振监测技术有gps技术、空间变位与振动监测技术等，但是现有的拉索桥风振监测技术仍然存在需要改进之处。gps技术通过卫星云图发现拉索桥附近的风场情况，根据风速、风向等参数进行预警，这一技术存在定位拉索桥与风场位置关系不精准、实时更新速度较慢的缺点。空间变位与振动监测技术将传感器设置于桥面或者主梁上，这会存在无法分辨出车致振动和风致振动的问题。
6.与现有的拉索桥风振监测技术相比，本发明重点提高对风振的监测精度，并实现拉索桥集群的联动反馈。本发明设计新型结构安装压电贴片，缩小压电贴片的轴向形变，保留压电贴片的横向形变。本发明在数据分析芯片中编写车-桥耦合方程，计算车致振动造成的电压信号，在数据修订芯片中从采集到的电压信号中剥离车致电压信号，可以实现提高风振监测精度的功能。多根拉索上的多个传感器可以综合完整地计算拉索桥受风荷载的影响情况。基于云计算监控平台和5g通信基站的无线信号传输，可以实现桥梁监测信号的高时效性传输，以便及时作出反馈，有效提高预警和维护的效率。基于风振监测器外部的光伏电板和风振监测器内部的蓄电池，可以实现风振检测器的电能自给。


技术实现要素：

7.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种风振监测器及拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统技术方案。
8.本发明提供一种风振监测器，配合安装于拉索上，包括两组拉索安装件、两组安装支架、两组第一磁铁和压电贴片，两组所述拉索安装件沿拉索轴向间隔布置，两组所述安装支架分别设置于两组拉索安装件上并且沿拉索轴向相对设置，两组第一磁铁分别连接于两组安装支架上并且沿拉索径向相对设置，所述压电贴片位于两组第一磁铁之间以及两组安装支架之间，压电贴片沿拉索轴向的两侧分别与对应安装支架之间设置弹簧，所述压电贴片沿拉索径向的两侧分别设置一组第二磁铁，所述第二磁铁与对应侧的第一磁铁相对设置，并且相对的第一磁铁与第二磁铁相斥，所述压电贴片将拉索振动而产生的形变转化为电压信号。
9.进一步地，还包括包覆于拉索安装件、安装支架、第一磁铁和压电贴片外的壳体组件。
10.进一步地，所述拉索安装件为抱箍结构。
11.进一步地，所述安装支架为l形结构，其包括与拉索轴向对应的轴向部和与拉索径向对应的径向部，所述第一磁铁与对于安装支架的轴向部相连。
12.进一步地，所述风振监测器还包括光伏电板和蓄电池，所述光伏电板将太阳能转换为电能，所述蓄电池储存光伏电板转换的电能。
13.本发明还提供一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统，包括数据采集单元、数据分析单元、数据修订单元、云计算监控平台、警示器及如上所述的风振监测器；
14.所述数据采集单元采集压电贴片产生的电压信号并将其传输至数据分析单元；
15.所述数据分析单元对电压信号进行分析处理并传输给数据修订单元；
16.所述数据修订单元根据电压信号设置阈值；
17.所述云计算监控平台根据电压信号与阈值的关系判定是否危险，监测拉索桥集群的安全情况，并提前安排车辆分流与维修任务；
18.所述警示器根据数据修订单元的指令发出警报。
19.进一步地，还包括车辆监测装置，所述车辆监测装置采集车辆的参数数据并将之传输至数据分析单元，该参数数据包括车速、位移、质量中的一种或多种。
20.进一步地，还包括通信基站，所述通信基站将车辆监测装置采集的参数数据传输至数据分析单元，还将报警指令传输至警示器。
21.进一步地，所述数据采集单元、数据分析单元和数据修订单元均设置于风振监测器内。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.本发明基于信号识别、压电效应和云计算技术，实现提高桥梁受风荷载影响下的监测精度以及通过云计算监控平台的拉索桥集群监测和联动反馈功能。与现有的拉索桥风振监测技术相比，本发明重点提高对风振的监测精度，并实现拉索桥集群的联动反馈。本发明设计新型结构安装压电贴片，缩小压电贴片轴向形变，保留压电贴片在拉索垂直方向上的形变。本发明在数据分析单元中编写车-桥耦合方程，计算车致振动造成的电压信号，在数据修订单元中从采集到的电压信号中剥离车致电压信号，可以实现提高风振监测精度的
功能。基于云计算监控平台和通信基站的无线信号传输，可以实现桥梁监测信号的高时效性传输，以便及时作出反馈，有效提高预警和维护的效率。基于风振监测器外部的光伏电板和风振检测器内部的蓄电池，可以实现风振检测器的电能自给。
附图说明
24.图1为本发明的一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统结构示意图；
25.图2为本发明的一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统中风振监测器的线路图；
26.图3为本发明的一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统中风振监测器的剖面图；
27.图4为本发明的一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统中压电贴片安装结构示意图；
28.图5为本发明的一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统的有车通过拉索桥时的工作示意图；
29.图6为本发明的一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统的无车通过拉索桥时的工作示意图；
30.图7为本发明的一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统的电路关系图。
31.图中：1-拉索；2-上部单元；3-下部单元；4-光伏电板；5-通信基站；6-警示器；7-车辆监测装置；8-数据采集单元；9-数据分析单元；10-数据修订单元；11-压电贴片；12-蓄电池；13-安装支架；14-第一磁铁；15-第二磁铁；16-弹簧；17-拉索安装件；18-云计算监控平台。
具体实施方式
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”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发明和简化描述，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发明的限制。
33.下面结合附图对本发明作进一步说明。
34.请参阅图1-7，一种拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统，包括通信基站5、车辆监测装置7、数据采集单元8、数据分析单元9、数据修订单元10、云计算监控平台18、警示器6及风振监测器。
35.风振监测器配合安装于拉索1上，其包括两个拉索安装件17、两个安装支架13、两片第一磁铁14和压电贴片11，两个拉索安装件17沿拉索1轴向间隔布置，拉索安装件17为抱箍结构，通过螺栓抱紧于拉索1上，两个安装支架13分别设置于两组拉索安装件17上并且沿拉索1轴向相对设置，两片第一磁铁14均为方形板状永久磁铁，分别连接于两个安装支架13上并且沿拉索1径向相对设置，压电贴片11位于两片第一磁铁14之间以及两个安装支架13之间，压电贴片11沿拉索1轴向的两侧分别与对应安装支架13之间设置弹簧16，压电贴片11沿拉索1径向的两侧分别设置一片第二磁铁15，第二磁铁15为微型板状永久磁铁，其与第一磁铁14两两相对设置，并且相对的第一磁铁14与第二磁铁15相斥，压电贴片11将拉索1振动
而产生的形变转化为电压信号。
36.风振监测器还包括包覆于拉索安装件、安装支架、第一磁铁和压电贴片外的壳体组件，壳体组件分为上部单元2和下部单元3，两者材质均为特种工程塑胶材料，上部单元2和下部单元3用螺栓固定于拉索1上，两者之间采用中空设计。
37.两个安装支架13均为l形结构，其包括与拉索1轴向对应的轴向部和与拉索1径向对应的径向部，第一磁铁14与对于安装支架13的轴向部相连。左右两个安装支架13及两片第一磁铁14围成一个矩形框架几个，将压电贴片11包围在内。
38.在拉索1垂直方向上的两对第一磁铁14和第二磁体15相互作用，使得压电贴片11处在结构的中央。弹簧16在拉索1发生沿着拉索1轴向振动时，对压电贴片11起到缓冲的作用，减少压电贴片11轴向形变。拉索安装件17采用螺钉固定于拉索1上，拉索安装件17采用塑胶材料。安装支架13与第一磁铁14采用螺纹和螺钉固定，安装支架13采用塑胶材料。第二磁铁15固定于压电贴片11两侧。
39.风振监测器还包括电连接的光伏电板4和蓄电池12，光伏电板4将太阳能转换为电能，蓄电池12储存光伏电板4转换的电能，光伏电板4设置于壳体组件外部，蓄电池12安装于壳体组件的中空部分。
40.数据采集单元8、数据分析单元9和数据修订单元10均设置于壳体组件的中空部分内。
41.数据采集单元8采集压电贴片11产生的电压信号并将其传输至数据分析单元9。
42.数据分析单元9对电压信号进行分析处理并传输给数据修订单元10，数据分析单元9还可根据车-桥耦合方程计算车致电压信号。数据分析单元9得到的车致电压信号有线传输至数据修订单元10。
43.数据修订单元10修订电压信号与时间图像，评估阈值，将多根拉索1上的多个风振监测器的修订后数据构建成拉索桥风振模型，并将得到的综合电压信号传输至云计算监控平台18。
44.云计算监控平台18根据电压信号与阈值的关系判定是否危险，监测拉索桥集群的安全情况，并提前安排车辆分流与维修任务。
45.警示器6根据数据修订单元10的指令发出警报。
46.车辆监测装置7为本领域的公知技术，主要包含测速摄像头与安装在上桥路面上的称重传感器，当车辆准备开上桥梁时，通过采集车辆的参数数据并将之传输至数据分析单元9，该参数数据包括车速、质量等。具体地，拉索桥上安装一拱门架，警示器6和车辆监测装置7的主体安装于拱门架上，。
47.通信基站5安装于拉索桥上，其将车辆监测装置7采集的参数数据传输至数据分析单元9，还将报警指令传输至警示器6，实现桥梁集群的预警和联动反馈。
48.其中，压电贴片11、数据采集单元8、数据分析单元9和数据修订单元10依次电连接，数据采集单元8、数据分析单元9和数据修订单元10三者均为芯片结构，车辆监测装置7和数据修订单元10分别与通信基站5通过无线通信技术实现无线通信，具体可为4g芯片或5g芯片。
49.以图1，5，7为例解释拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统在有车经过下的工作过程：
50.当车辆在有风的情况下经过拉索桥，拉索桥的拉索1会产生轴向的位移和横向的位移。风振监测器内的第一磁铁14会因为拉索1的径向位移而产生位移，风振监测器内的压电贴片11因受力不平衡而产生形变，进而产生电压信号，装置的轴向位移对压电贴片11的影响则因为内部弹簧16的作用而减小。电压信号采集到数据采集单元8中。电压信号随后有线传输至数据分析单元9中，车辆的相关参数从车辆监测装置7通过通信基站5传输至数据分析单元9，在数据分析单元9内部联立车-桥耦合方程，计算车致电压信号并传输至数据修订单元10。在数据修订单元10中，剥离车致电压信号，设置阈值。多根拉索上的多个风振监测器根据修订后的数据综合得到拉索桥受风振影响的电压信号，通过通信基站5传输至警示器6和云计算监控平台18。云计算监控平台18根据电压信号与阈值的关系判定是否危险，监测拉索桥集群的安全情况，并及时安排车辆分流与维修任务，当电压高于阈值时，数据修订单元10发送指令给警示器6，警示器6发出警报。
51.以图1，6，7为例解释拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统在无车经过下的工作过程。拉索桥的拉索1会产生横向的位移。风振监测器内的第一磁铁14会因为拉索1的径向位移而产生位移，风振监测器内的压电贴片11因受力不平衡而产生形变，进而产生电压信号。电压信号采集到数据采集单元8中。电压信号随后有线传输至数据分析单元9中，数据分析单元9分析不需要计算车-桥耦合方程，直接传输至数据修订单元10。在数据修订芯片10中，设置阈值。多根拉索上的多个风振监测器根据修订后的数据综合得到拉索桥受风振影响的电压信号，通过通信基站5传输至警示器6和云计算监控平台18。云计算监控平台18根据电压信号与阈值的关系判定是否危险，监测拉索桥集群的安全情况，并提前安排车辆分流与维修任务，当电压高于阈值时，数据修订单元10发送指令给警示器6，警示器6发出警报。
52.以图2为例解释拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统的内部线路分布。光伏电板4与蓄电池12共同工作保持风振监测器能够正常地工作，光伏电板4能给蓄电池12充电。
53.以图3，4为例解释拉索桥风致振动定向精确监测感知预警系统的内部构造分布。上部单元2与下部单元3之间是中空结构，中空结构的一侧依次放置了数据采集单元8、数据分析单元9、蓄电池12、数据修订单元10，这些零件都用固定板、螺帽和螺栓固定在结构中，防止电线在监测器内部紊乱。风振在拉索1上主要表现为垂直于拉索的位移，车致振动在拉索1上主要表现为沿着拉索方向的位移。中空结构的另一侧是安装压电贴片11的特殊结构，沿着拉索1方向装有4根弹簧16，在拉索1垂直的方向上有第一磁铁14和压电贴片11上的第二磁铁15相对，以便让压电贴片11在特殊结构的中间，且减小压电贴片13的轴向形变，提高对于风振的监测精度。
54.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。