CN112525399A - 一种道路桥梁应力检测*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种道路桥梁应力检测***，包括应力传感器模块、信号读写器模块、信号中继网关模块；应力传感器模块包括能量接收天线、能量转换模块、能量储存单元、若干个应力传感器、微控制单元和RF模块；所述信号读写器模块部署在车辆上，所述信号读写器模块与应力传感器模块无线通信，信号读写器模块包括GPRS模块，信号读写器模块通过无线接收应力传感器模块发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至云平台，云平台接收数据后，对数据进行显示、处理和存储；所述信号中继网关包括CPU、GPRS模块、网关RF模块和远距离无线充电基站。本发明能快速获取较大路程范围内预埋应力传感器的数据，判断道路情况，方便维修。

Description

一种道路桥梁应力检测***
技术领域
本发明涉及属于传感器技术领域，特别涉及一种旨在可靠地为嵌入在道路桥梁结构中的传感器供电、自动读取数据的检测***。
背景技术
随着我国基础设施道路及桥梁建设的大面积开展，现在已具备大量在线运营的道路以及桥梁。近年来，道路塌陷和桥梁坍塌时有发生。如何预测其健康度是一个越来越迫切的需求。传统的方法有以下几种：通过视频和图片采集、分析道路、桥梁表面的裂缝、凹坑等特征；通过预埋光纤分析收发两端光谱来判断结构错位；通过预埋的有线传感器读取应力数据。这些手段在现实管养过程中也起到了一定的作用。
视频图片采集和光纤传感器的采集分析方式，需在受测路桥已经引起内部位移、形变和裂缝等现象时才能感知到，无法在更前期引起预警。
预埋式有线传感器的方式可有效解决上述问题，但是随着道路的使用，电路老化、重型车辆倾轧等因素时常导致供电线路及通讯线路故障。维修成本高昂的同时，因为传感器一般需预埋在路桥的核心受力节点上，将其表面覆盖物打开的过程也对道路健康本身造成不可挽回的损失。
中国专利CN104155041A一种无线无源预应力检测***，公开了一种混凝土中钢索预应力的无线无源预应力检测***。整个***包括预埋的无线无源预应力传感器、以及外部的中距离射频读取器，中距离射频读取器实现对预应力传感器的无线提供能量和接收数据的双重功能。该解决方案是采用无源RFID芯片，所述无源RFID芯片可以内置于建筑道路构件中，并通过与其连接的传感器进行数据读取。在自由空间无源RFID芯片的感应距离能达到2-5米左右，但是无源RFID芯片内置之后，受到混凝土的影响，感应到的电磁波微弱，难以提供足够的电量，尤其是在特殊应用场景例如芯片植入混凝土结构物内部，感应距离将大大缩短。即使采用低功耗，在无源RFID芯片内置的电池容量被传感器消耗掉后，也不能继续工作，无法做到主动发送数据。
另外，道路桥梁布置RFID芯片，需要利用RFID阅读器沿线进行数据读取。道路桥梁中应力传感器模块数量大，缺乏一种读取器与车辆一体结合的装置，快速通行路面，从而能收集较大路程范围内预埋应力传感器的数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种道路桥梁应力检测***，提供针对应力传感器模块无线供电、主动数据传输和信号读写器模块读取数据两套并联方案，应力传感器模块能自主收集远距离无线充电基站发射的射频能量并为自身供电，并将接收到的数字信号转换为射频信号主动输出，信号读写器模块能快速获取较大路程范围内预埋应力传感器的数据。
本发明提出的技术方案为：一种道路桥梁应力检测***，包括应力传感器模块、信号读写器模块、信号中继网关模块；
应力传感器模块包括能量接收天线、能量转换模块、能量储存单元、若干个应力传感器、微控制单元和RF模块；应力传感器、RF模块分别与微控制单元连接，能量储存单元为应力传感器、RF模块、微控制单元供电，所述能量接收天线通过能量转换模块与能量储存单元相连接；
所述信号读写器模块与应力传感器模块无线通信，信号读写器模块包括第一GPRS模块，并与云平台通过无线网络相连，信号读写器模块通过无线接收应力传感器模块发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至云平台，云平台接收数据后，对数据进行显示、处理和存储；
所述信号中继网关包括CPU、第二GPRS模块、网关RF模块和远距离无线充电基站；所述第二GPRS模块一端连接云平台，另一端连接CPU，所述网关RF模块一端连接应力传感器模块的RF模块，另一端连接CPU，远距离无线充电基站发射固定频点的电磁波对应力传感器模块的能量接收天线进行远距离无线充电。
作为优选，能量储存单元采用超级电容，能量接收天线采用陶瓷patch天线，能量转换模块由采用P2110B能量转换芯片及其***电路构成，能量接收天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与超级电容相连。
作为优选，陶瓷patch天线有若干片。
作为优选，微控制单元采用32位低功耗ARM处理器STM32L053R8T6，RF模块通信采用CC3000MODT。
作为优选，所述应力传感器采用混凝土应变片和/或钢筋应变片。
作为优选，云平台包括云平台和Web端，所述云平台与Web端通过HTTP协议进行通信。
作为优选，信号中继网关还包括太阳能电池板管理模块，通过太阳能电池板供电。
作为优选，还包括设置于工程车表面的升降装置，所述升降装置包括固定于工程车表面的步进电机、与步进电机连接的丝杆、设置于丝杆上可以随着丝杆转动而上下运动的移动板、设置于移动板两端的一对导柱，所述移动板上设有与丝杆配合的移动螺母，移动板的左右两端设有与导柱匹配的导孔，导柱的两端设有连接块，通过连接块连接于工程车表面，所述信号读写器模块通过安装件固定于移动板上。
采用上述方案的优点在于：
1、能量接收天线会面临难以获取充足的能量，所以在道路桥梁中设置了较多应力传感器模块的地点布置远距离无线充电基站，实现对应力传感器模块的充电，使得能够持续工作。
2、提供针对应力传感器模块无线供电、主动数据传输和信号读写器模块读取数据两套并联方案，应力传感器模块能自主收集远距离无线充电基站发射的射频能量并为自身供电，并将接收到的数字信号转换为射频信号主动输出。当信号中继网关没有覆盖到应力传感器模块的路段，车载信号读写器模块能快速获取较大路程范围内预埋应力传感器的数据。
3、通过设置于工程车表面的升降装置来实现信号读写器模块的升降功能，以适应在不同道路上进行线路故障检测，以及更好降低高度检测预埋混凝土内的应力传感器模块。
4、在搜集全面应力数据的基础上，随着算法的完善，实际验证模型数量的丰富，可形成越来越科学的预测结果。将路桥健康预测引入持续更迭优化的轨道。
附图说明
图1为本发明装载信号读写器模块的立体结构示意图。
图2为图1A部分局部放大图。
图3为本发明的另一侧立体结构示意图。
图4为图3B部分局部放大图。
图5为本发明的电路模块示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图5所示，一种道路桥梁应力检测***，包括应力传感器模块10、信号读写器模块20、信号中继网关模块30。
应力传感器模块10包括能量接收天线101、能量转换模块102、能量储存单元103、若干个应力传感器104、微控制单元105和RF模块106。应力传感器104、RF模块106分别与微控制单元105连接，能量储存单元103为应力传感器104、RF模块106、微控制单元105供电，所述能量接收天线101通过能量转换模块102与能量储存单元103相连接。
所述信号读写器模块20部署在车辆上，所述信号读写器模块20与应力传感器模块10无线通信，信号读写器模块20包括第一GPRS模块201，并与云平台40通过无线网络相连，信号读写器模块20通过无线接收应力传感器模块10发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至云平台40，云平台40接收数据后，对数据进行显示、处理和存储。
所述信号中继网关设置30在预埋应力传感器的道路桥梁附近，包括CPU301、第二GPRS模块302、网关RF模块303和远距离无线充电基站304。所述第二GPRS模块302一端连接云平台40，另一端连接CPU301，所述网关RF模块303一端连接应力传感器模块10的RF模块106，另一端连接CPU301，远距离无线充电基站304发射固定频点的电磁波对应力传感器模块的能量接收天线101进行远距离无线充电。
所述应力传感器模块设置在道路、桥梁内部的关键应力点处，应力传感器模块收集远距离无线充电基站发送的射频能量从而为模块自身供电，所述能量接收天线将无线电波能量持续收集并存储到能量存储单元。但是，能量接收天线会面临难以获取充足的能量，所以在道路桥梁中设置了较多应力传感器模块的地点布置远距离无线充电基站，实现对应力传感器模块的充电，使得能够持续工作。
能量储存单元采用超级电容，能量接收天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块与超级电容相连。能量接收天线采用中心频率为1015MHz的陶瓷patch天线，陶瓷patch天线有若干片，多天线结构可以获取一个更大范围的射频能量。接收远距离无线充电基站发射的电磁波并将其转换为高频直流电；能量转换模块由采用P2110B能量转换芯片及其***电路构成，将天线所产生的高频直流电转换为低频直流电并存储在超级电容当中；应力传感器采用混凝土应变片和/或钢筋应变片。应力传感器获取的数据通过微控制单元发送到RF模块，RF模块将数字信号转换为射频信号输出。微控制单元采用32位低功耗ARM处理器STM32L053R8T6，RF模块通信采用CC3000MODT。微控制单元连接的存储器初始内容包含了微控制单元固定位置、编号、绑定数据以及扫描初始化数据。
云平台包括云平台和Web端，所述云服务器与Web端通过HTTP协议进行通信，内嵌太阳能电池板管理模块。
能量接收天线采用FR-4印刷电路板(PCB)材料制造，能量接收天线中还包含了一个导通发光二极管(LED)，用于指示捕获到的电压值在0.01Vdc至3.94Vdc间的能量。能量接收天线由微波天线、预整流滤波器、整流电路以及将输入电磁(EM)波整流成直流电流的直流低通滤波器(LPF)组成。整流电路可以是多种类型中的任意一种——比如全波桥式整流器或采用单个分流器的全波整流器。为了实现最优的电力传送，在天线和整流器之间使用了低通滤波器(LPF)进行阻抗匹配。一旦信号经过整流后，就用直流低通滤波器，通过衰减环境中存在的射频信号中的高频谐波，来平滑输出直流电压和电流。在将能量传送给整流二极管之前尽量收集最大的功率，然后抑制由二极管产生、并从天线那里辐射出来作为损失功率的谐波。远距离无线充电基站为射频发射站，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；能量接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，载波信号为电磁波的一种，能量接收天线将载波信号传送到能量转换模块转换为能量储存于能量储存模块内。
如图1-4，信号读写器模块20为矩形壳体可挂载在工程车表面升降装置，该装置上下移动可提高信息接收模块的灵敏度，以期更快速地完成信息读取。
所述升降装置包括固定于工程车表面的步进电机2、与步进电机连接的丝杆3、设置于丝杆上可以随着丝杆转动而上下运动的移动板4、设置于移动板两端的一对导柱5，所述移动板4上设有与丝杆3配合的移动螺母6，移动板的左右两端设有与导柱匹配的导孔，导柱的两端设有连接块7，通过连接块7连接于工程车表面，所述信号读写器模块通过安装件8固定于移动板4上。
具体的，丝杆3与步进电机2为一体式结构，移动板上靠近工程车表面的一侧中部设有安装孔，其孔径大于丝杆3直径5mm，安装孔下表面安装有移动螺母6，移动螺母6与丝杆2螺纹配合，移动板4上靠近工程车表面的一侧两端设有导孔，导柱5贯穿于其中，导孔和导柱5在移动板上下运动中起到导向作用，安装件8为一块垂直板，一条垂直边连接于信号读写器模块20上，另一条边连接于移动板上，丝杆牵引着移动板上下运动时，信号读写器模块20会随之上下运动。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种道路桥梁应力检测***，包括应力传感器模块、信号读写器模块、信号中继网关模块；
应力传感器模块包括能量接收天线、能量转换模块、能量储存单元、若干个应力传感器、微控制单元和RF模块；应力传感器、RF模块分别与微控制单元连接，能量储存单元为应力传感器、RF模块、微控制单元供电，所述能量接收天线通过能量转换模块与能量储存单元相连接；
所述信号读写器模块与应力传感器模块无线通信，信号读写器模块包括第一GPRS模块，并与云平台通过无线网络相连，信号读写器模块通过无线接收应力传感器模块发送的应力检测数据，并将该数据进行处理后发送至云平台，云平台接收数据后，对数据进行显示、处理和存储；
所述信号中继网关包括CPU、第二GPRS模块、网关RF模块和远距离无线充电基站，所述第二GPRS模块一端连接云平台，另一端连接CPU，所述网关RF模块一端连接应力传感器模块的RF模块，另一端连接CPU，远距离无线充电基站发射固定频点的电磁波对应力传感器模块的能量接收天线进行远距离无线充电。
2.根据权利要求1所述的一种道路桥梁应力检测***，其特征在于，能量储存单元采用超级电容，能量接收天线采用陶瓷patch天线，能量转换模块由采用P2110B能量转换芯片及其***电路构成，能量接收天线与能量转换模块经过阻抗匹配后相连，能量转换模块分别与超级电容相连。
3.根据权利要求2所述的一种道路桥梁应力检测***，其特征在于，陶瓷patch天线有若干片。
4.根据权利要求1所述的一种道路桥梁应力检测***，其特征在于，微控制单元采用32位低功耗ARM处理器STM32L053R8T6，RF模块通信采用CC3000MODT。
5.根据权利要求1所述的一种道路桥梁应力检测***，其特征在于，所述应力传感器采用混凝土应变片和/或钢筋应变片。
6.根据权利要求1所述的一种道路桥梁应力检测***，其特征在于，云平台包括云平台和Web端，所述云平台与Web端通过HTTP协议进行通信。
7.根据权利要求1所述的一种道路桥梁应力检测***，其特征在于，信号中继网关还包括太阳能电池板管理模块，通过太阳能电池板供电。
8.根据权利要求1所述的一种道路桥梁应力检测***，其特征在于，还包括设置于工程车表面的升降装置，所述升降装置包括固定于工程车表面的步进电机、与步进电机连接的丝杆、设置于丝杆上可以随着丝杆转动而上下运动的移动板、设置于移动板两端的一对导柱，所述移动板上设有与丝杆配合的移动螺母，移动板的左右两端设有与导柱匹配的导孔，导柱的两端设有连接块，通过连接块连接于工程车表面，所述信号读写器模块通过安装件固定于移动板上。
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