技术特征：
1.一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统包括：综合环境能量采集模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过综合环境能量采集设备采集环境中存在的太阳能、桥梁振动能以及风能；能量收集存储模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过能量收集存储设备将采集到的太阳能、桥梁振动能以及风能进行存储；能量转换模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过能量转换装置将收集存储到的太阳能、桥梁振动能以及风能转换得到电能，包括：获取所述桥梁应力检测系统中多种类型的能量转换装置的剩余能量e(t)：其中，e
j
(t)为设备j在时刻t的剩余能量，m为分布式发电区域待统一管理的总设备数；将m台设备的使用时长，即下次更换时间t
change
记为：其中，t
change
为设备j下次更换时间；预先设置m台设备的最大更换时间间隔t
interval
，则m台设备的最早更换时间t
f
为：其中，t
ter
为m台设备的最晚更换时间，m台设备均需要在[t
f
,t
ter
]时间段内进行更换；获取所述桥梁应力检测系统多个负荷的需求供电量l(t)：l(t)＝[l1(t)，l2(t)，...，l
n
(t)]；其中，l
i
(t)为负荷i在时刻t所需电量，n为负荷端的负荷总数；信号处理及发送模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过信号处理程序将传感器矩阵采集的应力数据和应力预估模块的数据发送至中央处理器；中央控制和处理模块，与综合环境能量采集模块、能量收集存储模块、能量转换模块、信号处理及发送模块、应力预估模块、应力检测模块、应力数据获取模块、数据传输模块、移动终端模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统各个模块的正常运行，保证桥梁应力的检测精度，包括：根据输入应力数据计算误差值，根据误差值计算误差变化率；接收误差值和误差变化率，并利用模糊规则对pid控制器的pid参数进行自适应整定，输出pid参数的变化量；其中，所述pid参数包括比例调节系数、积分调节系数和微分调节系
数；接收所述误差值和误差变化率，并利用专家知识库得到pid参数的初始值；在每次pid计算时根据pid参数的初始值和变化量得到pid参数值，并根据该pid参数值计算控制输出量给被控对象；其中，通过以下公式计算pid参数值：kp＝kp0+δkpki＝ki0+δkikd＝kd0+δkd；其中，kp、ki和kd分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数的pid参数值；δkp、δki和δkd分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数的变化量；通过以下公式计算控制输出量：其中，u(k)为第k次的控制输出量，e(k)为第k次计算的误差值，e(j)为第j次计算的误差值；e(k
‑
1)为第k
‑
1次计算的误差值；应力预估模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过应力预估程序对桥梁的应力进行预测和估计；应力检测模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过应力检测装置对桥梁的应力进行实时的检测，包括：对初始电信号进行放大处理，获得所述激励电信号；向所述超声波发射探头发送所述激励电信号；控制所述超声波发射探头向所述桥梁发射超声波信号，并确定所述超声波信号的发射时间；其中，所述超声波信号为所述超声波发射探头接收到所述激励电信号之后，将所述激励电信号进行转换所获得的超声波信号；控制所述至少一个超声波接收探头接收超声波临界纵波信号，并确定所述至少一个超声波接收探头中的每个超声波接收探头接收到所述超声波临界纵波信号的接收时间；其中，所述超声波临界纵波信号为所述超声波信号接触到所述桥梁所获得的；根据所述超声波信号的发射时间以及所述至少一个超声波接收探头中的每个超声波接收探头接收到所述超声波临界纵波信号的接收时间，确定所述超声波发射探头与所述至少一个超声波接收探头中的每个超声波接收探头之间的桥梁所承受的应力变化：其中，δσ1为所述超声波发射探头与所述至少一个超声波接收探头中任意一个超声波接收探头之间的桥梁所承受的应力变化，e为杨氏弹性模量，l为超声波临界纵波信号在外加应力方向上传播的声弹常数，t*为超声波临界纵波信号在均匀、各向同性且应力自由的桥梁上，并在标准温度下由所述超声波发射探头传输至所述至少一个超声波接收探头中任意一个超声波接收探头的第一基准传输时间，δt1为所述至少一个超声波接收探头中任意一个超声波接收探头对应的第一传输时间与该超声波接收探头对应的第一基准传输时间
的差值，δt
t1
为温度对超声波临界纵波信号从所述超声波发射探头传输至所述至少一个超声波接收探头中任意一个超声波接收探头的传输时间的影响量；其中，δt
t1
通过以下公式表示：其中，d1为所述超声波发射探头与所述至少一个超声波接收探头中任意一个超声波接收探头之间的桥梁的长度，k
t
为与桥梁材料相关的常数，δt为温度变化量；应力数据获取模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过应力数据获取设备获取传感器矩阵采集的应力数据；数据传输模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过数据传输程序将处理后的数据及信号发送到电脑或手机；移动终端模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过移动终端接收数据传输模块传送的数据，并通过显示器进行数据的实时显示。2.如权利要求1所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述综合环境能量采集模块包括：太阳能收集器将太阳能转化为电能，所述振动能量收集器将桥梁振动导致的压电悬臂上下振动转化为电能，所述风能收集器将风能转化为电能；所述综合环境能量采集模块通过综合环境能量采集器获得综合环境能量，所述综合环境能量采集器通过膨胀螺栓固定在桥墩上。3.如权利要求1所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述能量转换装置包括电力变压器、微型燃气轮机、光伏发电装置。4.如权利要求1所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述应力预估模块中包括多个预估模型，每个预估模型与其对应的网格存在双射关系，所述预估模型网格对应的范围内的应力传感器采集的数据，并输出预估结果。5.如权利要求1所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述应力检测装置包括一个超声波发射探头和至少一个超声波接收探头，所述超声波发射探头和所述至少一个超声波接收探头依次设置于同一根轨道上，所述超声波发射探头和所述至少一个超声波接收探头可在所述轨道上移动。6.如权利要求1所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述应力传感器通过丙烯酸酯胶黏剂固定在桥墩表面，同时所述应力传感器模块采用石墨烯作为敏感栅极；所述应力传感器模块还包括应力传感器信号调理电路，并通过所述应力传感器信号调理电路向信号处理及发送模块发送传感器信号。7.如权利要求1所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述应力传感器模块中设有应力传感器网格，应力传感器布设在应力传感器网格中，传感器网格布设在桥梁的不同区域，用以感应桥梁应力，实现高灵敏度的检测；其中，所述应力传感器网格的形状为正方形，大小可以不一致。8.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以应用如权利要求1～7任意一项所述自供电的高灵敏度
的桥梁应力检测系统。9.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机应用如权利要求1～7任意一项所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统。10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于如权利要求1～7任意一项所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统。
技术总结
本发明属于桥梁应力检测技术领域，公开了一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法，所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统包括：综合环境能量采集模块、能量收集存储模块、能量转换模块、信号处理及发送模块、应力预估模块、应力检测模块、应力数据获取模块、数据传输模块、移动终端模块、中央控制和处理模块。本发明通过应力检测系统将太阳能、桥梁振动能、风能转换为电能，通过能量收集存储模块对电能进行存储，实现系统自供电，解决桥梁上通过有线电对桥梁应力检测系统进行供电的问题；应力传感器采用石墨烯为敏感栅极材料，可以增加对桥梁振动变化的感知能力，与移动终端模块相连接可以方便维护人员远程监测桥梁的安全状况。桥梁的安全状况。桥梁的安全状况。
技术研发人员：刘海鹏 刘彦 苏斌 张向永 关慧元 彭庭睿
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.05.28
技术公布日：2021/9/13