【技术】中小跨径桥梁结构安全监测系统开发(二)

2021-01-21 10:04:30 4

关键词:桥梁监测;安全监测;传感器;采集仪


系统硬件集成设计与实施


监测系统的硬件部分是一个集合,包括前面提到的传感器子系统、数据采集子系统、数据传输和处理子系统三部分。

(一)传感器系统

为了突出传感器选型的经济性,挑选有代表性的监测指标显得尤为重要。通过调研中小跨径混凝土桥梁病害情况,总结出较为突出的病害集中在跨中处下挠过大和支点处产生大量的腹板斜裂缝。针对该类病害,确定了5个能够反映该类桥梁长期性能的安全监测参数:变形监测是对跨中变形进行监测,了解桥梁挠度变化,确保桥梁运营安全;裂缝监测是对支点附近箱梁腹板剪切裂缝进行观测,了解裂缝的发展;应变监测用来获取桥梁关键截面应力变化;温度监测是为实桥结构分析提供基础数据,用来计算挠度和应变的补偿值;振动监测可以获取桥梁的动力特性。基于上述五种物理量类型,选择性能可靠,精度适合,性价比高的传感器。经过市场调研,最终决定采用振弦式传感器用于变形,裂缝,应变和温度测试,采用低频响应好的加速度传感器用于振动测试。对于静态信号,即振弦式传感器信号同步主要体现在时间上的同时开始,其时间相关性要求不高,只要满足时间戳一致,时间精度在一分钟即可满足要求。对于动态信号,即加速度传感器信号同步不仅是简单的同时开始采集,振动信号后期的分析中对于相位的同步也有很高的要求,时间精度在纳秒范围内。本系统基于测点数量,目前采用单机箱多板卡同步方式完成动态信号采集。


(二)数据采集子系统

数据采集系统主要由美国National Instruments(简称NI) CompactRIO(简称cRIO)核心模块、振弦式传感器采集模块和控制中心服务器三部分组成。系统由cRIO嵌入式平台加振弦式传感器采集模块完成数据采集、存储与上传功能,将采集到的数据传输至控制中心服务器,该设备用以远程数据的接收、存储、显示及分析等功能。本系统的核心基于cRIO嵌入式系统。cRIO可编程自动控制器(PAC)是一款针对高可靠性和高性能应用的嵌入式控制及采集系统,具有小尺寸、坚固性及灵活性等特点,尤其适用于在低温、振动等恶劣环境下运行。cRIO控制器包括一个处理器和可重配置FPGA。振弦式传感器主要用以完成信号转换,例如跨中挠度,支点附近箱梁腹板剪切裂缝,关键截面应力及环境温度等。振弦式模块内含 CPU、时钟、非易失性存储器、A/D转换器等,用于实现系统的自检、测量与控制、被测数据存储、数据通讯等。


(三)数据传输和处理子系统

本系统的数据传输功能由无线DTU模块实现。由系统中核心控制单元cRIO控制器上的串口RS-232与无线DTU通信,将实时数据发送到公网内,供服务器端接收数据。无线DTU的四个核心功能:内部集成TCP/IP协议栈;提供串口数据双向转换功能;支持自动心跳,保持永远在线;支持参数配置,永久保存。


(四)硬件系统封装

系统硬件设备封装箱体结构坚固、可靠、防尘、抗干扰能力强,能适应较为恶劣的测试环境长期、稳定的运行。具备安装、携带、固定、操作、连接方便等特点。系统电源和信号的连接,均使用专用插接头,各个电缆连接接头相互独立,使用航空接头或BNC接头,并在接头连接面板上丝印插头编号永久标记。

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