专利名称：桥梁重要构件应力分布的监测方法
桥梁重要构件应力分布的监测方法(一)所属领域本发明用于桥梁应力的监测，利用振弦式表面应变计对桥梁进行长期的受应力监 测。其中包括传感器在现场的布置，数据采集，数据传输和数据分析四个部分。
背景技术：
随着我国社会经济和交通运输事业的快速发展，交通压力越来越大，一方面大型 和特大型的桥梁正在快速的增加以达到缓解交通压力大缩短运输距离的目的，另一方面过 去年代修建于各级公路上的桥梁担负着十分沉重的交通荷载和繁重的交通道口。由于历史 的种种原因导致致在设计上或多或少存在一些缺点，施工也留下不同程度的缺陷。为此。桥 梁的安全监测就显得十分的迫在眉睫。在我国，由于灾害频繁，更加导致桥梁的损坏，所以 由于桥梁的安全问题导致的人民生命财产安全损失巨大。传统的桥梁并没有设置科学的检测系统，大多都是靠人工定期检查作为桥梁监测 手段，人工监测存在着固有的缺陷，人眼难以辨别桥梁受到的应力，也不能实时监控桥梁的 情况。所以，指定一套科学的系统才是桥梁安全检测的可信之路。随着现代科技的进步，逐 渐形成了利用传感器来对桥梁进行各项指标的安全检测方式，但其中存在着很多缺点。目 前的检测都还没有形成科学的系统，利用传感器加输出设备的模式。本专利在目前已有的监测方法的基础上，采用了先进的多点采集和无线传输技 术，实现了系统的远程综合统一管理方案。
发明内容
在一种桥梁应力的检测系统中，主要是由现场监测设备和远程分析系统两部分组 成。其中现场监测设备包括了振弦式表面应变计、多通道频率采模块和GPRS无线数据传输 模块三部分组成。远程分析设备由专用PC机和专用的软件构成。振弦式表面应变计分散的安装在大桥的桥梁上，振弦式表面应变计检测到桥梁上 多个点的应力参数之后把信号传输到多通道频率采集模块上，经过A/D转换变为数字信 号，处理后的数据经过连接在多通道频率采集模块上的GPRS无线传输模块。再由GPRS无 线传输模块传输给远程PC机，通过专用软件处理得到的数据，最后得出桥梁所受的应力分 布情况。(一 )现场监测设备1)振弦式表面应变计振弦式表面应变计用于测量桥梁受的应力，其结构如图2所示由一根拉紧的钢弦 和一个线圈构成敏感器件，同时还设有温度传感器以监测环境温度从而决定是否对振弦式 表面应变计输出的值进行补偿。在桥梁受到压力时，安装于桥梁上的振弦式表面应变计中 拉紧的钢弦振动频率会改变，有如下的关系ε = K (f^+fo2)+Kt (Ti-T0)(1)其中
ε —当前时刻相对初始位置的应变量，10_6K——振弦式应变计与频率的系数——振弦式应变计当前时刻的输出频率，Hzf0——振弦式应变计初始的输出频率，HzKt——温度修正系数，10_7°CTi——振弦式应变计当前时刻的温度值，°CT0——测量fQ时的温度值，V通过式⑴可以得出桥面受的应变，应变和材料弹性模量的乘积即为应力。研究 表明振弦式应变计初始的输出频率以4 110% f0为宜，有些振弦式表面应变计测试精度 较高，对于安装的平顺度有一定的要求，否则由于传感器存在过大弯曲，会导致读数偏差甚 至错误。2)多通道频率采集模块多通道频率采集模块用于采集振弦式表面应变计阵列产生的模拟信号，输入的模 拟信号通过多通道频率采集仪最终变为有效的数字信号。频率采集模块如图3所示是由模 拟信号前端调理电路、通道选择开关电路、MCU控制和FFT算法、RS485工业传输、供电控制 和实时时钟六个部分组成。其中模拟信号前端调理电路为多通道频率采集模块提供弦式传 感器的内阻判断、激励电压的电压控制、有效波形信号的放大、滤波等功能。振弦式表面应 变计产生的模拟信号经过该电路后得到的是滤除了大部分杂波的频率信号。频率信号送到 MCU内进行FFT处理前还需要通过光耦继电器的译码来实现各路多通道的前端模拟和MCU 主控制器的一一连通。MCU单片机是频率采集模块的核心元件，他完成了对传感器通道的选 择、数据命令的响应、实时时钟控制、存储模块的文件系统实现、供电控制。主要实现FFT频 谱分析算法。本专利选用具有24位AD转换的ADucS单片机作为核心处理元件，他能满足多 通道AD转换的功能。此外多通道频率采集模块还设计了为系统提供稳定的5V和3. 3V电 源的供电部分，为系统提供精确时钟的实时时钟模块和可存储大量数据实现微文件系统， 实现数据插入，数据删除，数据查找的存储模块。RS485通讯质量稳定，不容易受到外界干 扰。3) GPRS无线传输模块GPRS无线传输模块是用于对数据的远程传输，即实现把数据从现场传输到远程分 析设备上。GPRS无线传输模块如图4所示由五部分组成，无线MCU控制器、RS485传输模 块、太阳能电池供电模块、RF模块接口和SIM模块和GPRS模块。在本系统中无线MCU控制 器使用TI公司的MSP430超低功耗芯片，采用了 TI公司最新的低功耗技术。工作在1. 8 3.6V电压下。RS485传输模块输出标准RS485信号，便于和PC机进行通信。使用高性能的 太阳能电池供电模块为整机提供3. 3V的工作电压。RF模块接口采用Nordic公司推出的 单片射频发射器芯片nRF905，工作电压为1. 9-3. 6V，工作于433/868/915MHZ3个ISM开放 频带。riRF905可以自动完成处理字头和循环冗余码校验的工作，可由片内硬件自动完成曼 彻斯特编码/解码，使用高速同步串行口接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常 低，以-IOdBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12. 5mA。nRF905单片 无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器， 一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作的特点是自动产生前导码和循环冗余码校验，可
4以很容易通过高速同步串行口接口进行编程配置。在SIM模块和GPRS模块中GPRS模块利 用GPRS网进行数据通信，本专利使用的是WAVEC0M的WISMO模块，其接口简单、使用方便 且功能非常强大。GPRS模块微控制器间是通过串行口进行通信的，通信速率最快可以达到 115b/s 200b/s。模块与控制器间的通信协议是AT命令集，其中大部分命令是符合协议 "AT command set for GSM MobileEquipment (GSM 移动设备的 AT 指令集)”的，但也有一 些是WAVEC0M自己定义的AT命令。为了简化微控制器的控制，硬件设计时没有使用全部的 硬件握手信号，而只使用数据载波检测和终端准备信号。DCD信号可以检测GPRS模块是处 于数据传送状态还是处于AT命令传送状态。DTR信号用来通知GPRS模块传送工作已经结 束。GPRS DTU(GPRS数据终端设备)采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系 统为软件支撑平台，超大内存，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议。为用户提供高速，稳定可 靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟网络。( 二 )远程分析系统1) PC机和专用软件信号经过GPRS无线传输模块传输到专用PC机，其中有两个过程，一是GPRS无线 传输模块和PC机的通信，二是对传入的数据进行分析处理。第一个过程是由PC机查找GPRS 无线传输模块中的SIM模块的动态IP地址实现通信。第二个过程是由通过专用数据分析 软件解析输入的数据最后得出桥梁的安全状况。
图1是一种桥梁应力的监测系统结构框2是振弦式表面应变计结构3是多通道频率采集模块结构图
图4是GPRS无线传输模块结构5是桥梁应力的监测系统工程实际安装图
(五)具体实施方案如图5所示振弦式表面应变计分散的安装在大桥的桥梁上，振弦式表面应变计检 测到桥梁上各个点所受应力之后把吧信号传输到多通道频率采集模块上，经过处理受变为 有效的数字信号。处理后的数据经过连接在多通道频率采集模块上的GPRS无线传输模块。 再由GPRS无线传输模块传输给远程PC机，通过专用软件处理得到的数据，最后得出桥梁所 受的应力。
权利要求
一种桥梁应力分布的监测方法，检测系统由现场监测设备和远程分析系统两部分组成。其中现场监测设备包括了振弦式表面应变计、多通道频率采模块和GPRS无线数据传输模块三部分组成。远程分析设备由专用PC机和专用的软件构成，其特征在于振弦式表面应变计分散的安装在大桥的桥梁上，振弦式表面应变计检测到桥梁上多个点的应力参数之后把信号传输到多通道频率采集模块上，经过A/D转换变为数字信号，处理后的数据经过连接在多通道频率采集模块上的GPRS无线传输模块。再由GPRS无线传输模块传输给远程PC机，通过专用软件处理得到的数据，最后得出桥梁所受的应力分布情况。
全文摘要
一种桥梁重要构件应力的监测系统用于实时监测桥梁应力情况。这一监测系统是利用分散安装在大桥的桥梁上的振弦式表面应变计检测到桥梁上各个点所受应力，检测到各点应力之后把信号传输到多通道频率采集模块上，经过处理变为有效的数字信号。处理后的数据经过连接在多通道频率采集模块上的GPRS无线传输模块。再由GPRS无线传输模块传输给远程PC机，通过专用软件处理得到的数据，最后得出桥梁所受的应力。实现了实时监控桥梁重要构件应力的目标。
文档编号G01L1/10GK101963532SQ201010251548
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月12日 优先权日2010年8月12日
发明者刘文峰, 张廷栋, 朱琳, 李彦斌, 李永清, 王辅宋, 韩伟 申请人:刘文峰