CN206096875U - 基于mems技术的桥梁远程自动化实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其***包括MEMS倾角传感器、MEMS加速度传感器、传输网络及数据中心，MEMS倾角传感器用于对桥梁构件的倾斜进行监测以获得桥梁在荷载作用下的静态挠度，MEMS加速度传感器用于监测加速度以获得桥梁动挠度函数和自振频率；MEMS倾角传感器、MEMS加速度传感器分别通过传输网络将所监测的桥梁数据信息发送给数据中心。本实用新型能实时拟合测量桥面的静态挠度、动态挠度、桥塔桥面以及桥墩的倾斜度，并可根据桥梁的动力响应来评估桥梁健康状态，为桥梁损伤的诊断、及时维修养护提供重要依据。

Description

基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置

技术领域：

本实用新型涉及到桥梁监测领域，具体涉及到基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置。

背景技术：

当前，国内对桥梁的监测绝大部分依然采用人工作业的方式来对相关数据进行测量、记录、分析和处理，这种监测方式存在多种弊端，例如：完成一个桥梁监测耗时长，难以保持各测点数据工作状态的一致性；难以消除不同时间测得数据受温度等其他因素影响造成的偏差；由于人工作业，主观性强，不可避免的引入了人为的误差甚至错误，数据处理流程复杂；部分桥梁测量活动需要高空和水上作业，存在较高的作业安全风险；无法做到实时监控，对于紧急突然情况(如自然灾害、超载、船舶撞击等)缺乏及时预警，例如发生船舶撞桥事故，无法第一时间通知救援维修人员到达现场，也很难及时告知过桥车辆，更无法对桥梁的安全状况进行快速的分析处理等。

由上可知，采用人工作业的方式无法对桥梁，尤其是大型复杂桥梁做到快速高效的监测。而采用传感器进行监测时，目前大多都是采用CAN总线或RS485总线等有线连接的方式，随着传感器数量和种类的增多，有线连接的线网复杂程度会成倍增加，进而造成了巨大的成本开支。

近年来，也有人提出了通过有线或无线方式实现本地网络与远程终端联接的桥梁监测技术，例如以中国发明专利200910211105.0为代表的基于传感器的桥梁自动检测***，设有多个现场监测子***和远程监测中心，其中每个现场监测子***包括本地控制计算机和联接在本地控制计算机上的信号采集装置，远程监测中心通过软总线平台与各信号采集装置联接，由软总线平台将数据进行转换并使远程监测中心与各信号采集装置实现数据交换，从而能够非常方便实现各个相同或不同的桥梁现场监测子***与远程监测中心的数据通讯。这类技术只是有效地解决现场监测子***与远程监测中心的数据交换、数据的分布式存储及设备扩容等问题，并未提及桥梁数据采集的准确性、实时性等问题，难以评估桥梁的健康状态。

因此有必要建立新型的桥梁自动化远程监测***，用以快速、高效、实时的监测和评估桥梁在运营期间的安全性和健康状况。

发明内容：

为了解决现有技术所存在的问题，本实用新型提出基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，能实时拟合测量桥面的静态挠度、动态挠度、桥塔桥面以及桥墩的倾斜度，并可根据桥梁的动力响应来评估桥梁健康状态，为桥梁损伤的诊断、及时维修养护提供重要依据。

本实用新型桥梁远程自动化实时监测***采用如下技术方案来实现：基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，包括MEMS倾角传感器、MEMS加速度传感器、传输网络及数据中心，MEMS倾角传感器用于对桥梁构件的倾斜进行监测以获得桥梁在荷载作用下的静态挠度，MEMS加速度传感器用于监测加速度以获得桥梁动挠度函数和自振频率；MEMS倾角传感器、MEMS加速度传感器分别与传输网络连接，通过传输网络将所监测的桥梁数据信息发送给数据中心。

优选地，所述MEMS倾角传感器包括依次连接的MEMS倾角信息采集模块、转换模块、主控模块及发送模块，主控模块根据MEMS倾角信息采集模块所获取的桥梁倾斜数据拟合得出桥梁在荷载作用下的静态挠度。所述MEMS倾角传感器优选安装在桥塔、桥面和桥墩位置，用于对桥梁构件的倾斜进行监测，其中桥面的倾斜监测包括顺桥向和横桥向的倾斜监测。

优选地，所述MEMS加速度传感器包括依次连接的MEMS加速度信息采集模块、转换模块、主控模块及发送模块；主控模块采用自补偿算法对MEMS加速度信息采集模块所获取的加速度值进行修正，计算出桥梁动挠度函数和自振频率，以加速度值为基础获取桥梁的加速度响应，进而评估桥梁结构的整体动力特性。所述MEMS加速度传感器优选安装在桥面和桥塔位置，用于对桥面和桥塔的水平和竖向加速度值进行监测。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型的倾角传感器和加速度传感器是基于MEMS技术的，能实时监测桥梁的倾斜、振动和挠度，实时拟合测量桥面的静态挠度、动态挠度、桥塔桥面以及桥墩的倾斜度、并可根据桥梁的动力响应来评估桥梁健康状态，为桥梁损伤的诊断、及时维修养护提供重要依据，能实时、准确地监测桥梁健康状况。

2、所有传感器内部都设置了信号采集和无线发送模块，用以对采集的数据进行预处理、存储和发送；然后数据通过无线网络将反映桥梁运行状态的信息传送到桥梁健康监测软件中，用以对数据信息进行分析、处理和显示，桥梁管理和维护人员据此来实时监测桥梁的运行状况。

3、为了避免MEMS加速度传感器的飘移影响，采用自补偿算法，利用无荷载条件下桥梁振动速度为0的特性，将加速度值进行修正，计算出桥梁动挠度函数和自振频率等动力参数。

附图说明：

图1是本实用新型基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测***框图；

图2中，(a)是本实用新型MEMS倾角传感器硬件结构图，(b)是MEMS加速度传感器硬件结构图；

图3是本实用新型传感器在桥梁结构的布置示意图；

图4是本实用新型基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测方法的设计流程图；

上述图中，1、MEMS倾角传感器；2、MEMS加速度传感器；3、应变计；4、大量程位移计；5、温湿度传感器；6、索力计；7、桥塔；8、桥面；9、桥墩；10、拉索。

具体实施方式：

下面将结合实施例和说明书附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实用新型桥梁远程自动化监测***，包括传感器、传输网络、数据中心、桥梁健康监测指挥中心和移动客户端，其中传感器包括MEMS倾角传感器、MEMS加速度传感器和其它传感器，其它传感器包括应变计、索力计、大量程位移计和温湿度传感器等。MEMS倾角传感器和MEMS加速度传感器用于实时监测桥梁的倾斜、振动和挠度。所有传感器内部均设置有信号采集和无线发送模块，并分别与传输网络连接，通过传输网络将所监测的桥梁数据信息发送给数据中心；数据中心对桥梁数据信息进行分析、处理，评估桥梁的健康状况，桥梁健康监测指挥中心和移动客户端通过对数据中心的访问，获得桥梁的健康状况。传输网络优选无线传输网络，例如GPRS、3G或4G移动网络。

MEMS倾角传感器包括依次连接的MEMS倾角信息采集模块、转换模块、主控模块及发送模块，前述模块由高精度稳压电源供电，如图2(a)所示。MEMS加速度传感器包括依次连接的MEMS加速度信息采集模块、转换模块、主控模块及发送模块，前述模块由高精度稳压电源供电，如图2(b)所示。MEMS倾角信息采集模块、MEMS加速度信息采集模块内均可设置温度传感器；也可将温度传感器设置在MEMS倾角信息采集模块、MEMS加速度信息采集模块外，温度传感器与转换模块连接。

参见图3，为了准确、实时监测桥梁的健康数据信息，本实用新型将MEMS倾角传感器1安装在桥塔7、桥面8和桥墩9位置，用于对桥梁构件的倾斜进行监测，其中桥面的倾斜监测包括顺桥向和横桥向的倾斜监测，利用倾斜数据拟合得出运营桥梁在荷载作用下的静态挠度。若要提高静态挠度的拟合精度，可以适当增加MEMS倾角传感器的数量，以提高MEMS倾角传感器安装在顺桥向的密度。

将MEMS加速度传感器2安装在桥面8和桥塔7位置，用于对桥面和桥塔的水平和竖向加速度进行监测。为了避免MEMS加速度传感器的飘移影响，本实用新型采用自补偿算法，利用无荷载条件下桥梁振动速度为0的特性，对加速度值进行修正，计算出桥梁动挠度函数和自振频率等动力参数。以MEMS加速度传感器所监测的加速度信号为基础，获取桥梁的加速度响应，进而评估桥梁结构的整体动力特性，据此对桥梁的损伤和健康状况进行诊断和评估。

应变计3设置于需要监测的钢筋混凝土内，用于对钢筋和混凝土的应变进行监测；索力计6附着在拉索上，用于对桥梁拉索10的基频、拉力和振幅进行监测；大量程位移计4安装在桥墩位置，用于对桥墩9的沉降进行监测；温湿度传感器5安装在对温度和湿度敏感的桥梁部位，用于温度和湿度的监测。若有其它监测需求，例如对于桥梁周边风力的监测，可以在相应位置安装对应的传感器。

本实用新型监测***启动之前，调试所有传感器，包括信号采集和无线发送模块，保证所有的设备都正常工作。本实用新型桥梁远程自动化实时监测***，工作过程包括以下步骤：

S1、通过MEMS倾角传感器测量桥面、桥墩和桥塔的倾斜状况，转换成相应的倾角信息，由主控模块进行处理，拟合得出运营桥梁在荷载作用下的静态挠度，并通过发送模块传输给数据中心。静态挠度拟合精度可以通过适当增加MEMS倾角传感器的数量来提高。

S2、通过MEMS加速度传感器测量桥面和桥塔的水平和竖向振动状况，转换成相应的加速度信号，主控模块根据加速度信号，获取桥梁的加速度响应，计算桥梁动参数和动力属性，评估桥梁结构的整体动力特性及损伤情况，并通过发送模块传输给数据中心。

S3、通过应变计、索力计、大量程位移计和温湿度传感器分别测量桥梁的应变参数、拉索参数、位移量及温湿度等，并通过发送模块传输给数据中心。

S4、数据中心对步骤S1‐3所传输的反映桥梁健康状况的数据信息进行分析、处理和显示，对桥梁的健康状态进行评估，并对超限数据信息进行及时报警。

S5、桥梁管理和维护人员无论是在桥梁健康监测指挥中心，还是在现场通过移动客户端，都可以通过访问数据中心，实时掌控桥梁的运行状况，从而实现了桥梁健康的远程自动化实时监测。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，包括MEMS倾角传感器、MEMS加速度传感器、传输网络及数据中心，MEMS倾角传感器用于对桥梁构件的倾斜进行监测以获得桥梁在荷载作用下的静态挠度，MEMS加速度传感器用于监测加速度以获得桥梁动挠度函数和自振频率；MEMS倾角传感器、MEMS加速度传感器分别与传输网络连接，通过传输网络将所监测的桥梁数据信息发送给数据中心。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，所述MEMS倾角传感器包括依次连接的MEMS倾角信息采集模块、转换模块、主控模块及发送模块，主控模块根据MEMS倾角信息采集模块所获取的桥梁倾斜数据拟合得出桥梁在荷载作用下的静态挠度。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，所述MEMS倾角传感器安装在桥塔、桥面和桥墩位置，用于对桥梁构件的倾斜进行监测，其中桥面的倾斜监测包括顺桥向和横桥向的倾斜监测。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器包括依次连接的MEMS加速度信息采集模块、转换模块、主控模块及发送模块；主控模块采用自补偿算法对MEMS加速度信息采集模块所获取的加速度值进行修正，计算出桥梁动挠度函数和自振频率，以加速度值为基础获取桥梁的加速度响应，进而评估桥梁结构的整体动力特性。

5.根据权利要求4所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器安装在桥面和桥塔位置，用于对桥面和桥塔的水平和竖向加速度值进行监测。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，还包括与传输网络连接的应变计，所述应变计设置于需要监测的钢筋混凝土内，用于对钢筋和混凝土的应变进行监测。

7.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，还包括与传输网络连接的索力计，所述索力计附着在桥梁拉索上，用于对桥梁拉索的基频、拉力和振幅进行监测。

8.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，还包括：与传输网络连接的大量程位移计，所述大量程位移计安装在桥墩位置，用于对桥墩的沉降进行监测；以及分别与数据中心连接的桥梁健康监测指挥中心、移动客户端。

9.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，所述传输网络为无线网络。

10.根据权利要求9所述的基于MEMS技术的桥梁远程自动化实时监测装置，其特征在于，所述无线网络为GPRS、3G或4G移动网络。