一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置及使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路、应力传感器模块、信号处理及发送模块和基站，综合环境能量采集器将采集到的能量转化为电能，并存储在能量收集存储电路内，能量收集存储电路电性连接信号处理及发送模块，信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块，应力传感器模块用于监测桥梁的形变状态，并向信号处理及发送模块发送传感器信号，信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将数据发送至基站中，基站通过无线传输将数据发送至移动端设备中。本发明专利技术实现了系统的自供电，可以避免在桥梁上通过有线来为系统供电，从而更加便利。

A self powered high sensitivity bridge stress detection device based on comprehensive environmental energy acquisition and its application method

【技术实现步骤摘要】
一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置及使用方法
本专利技术涉及微能量收集
，尤其涉及一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置及使用方法。
技术介绍
桥梁安全是关系到国家安全，人民生命，财产安全的重点问题。随着经济的发展，桥梁建设变得频繁，建设的规模也变得越来越大型化，而由于种种原因，近些年，桥梁事故发生的频率也变得越来越高，造成桥梁事故的因素也比较复杂，有部分是因为桥梁设计问题和施工问题，还有部分原因是桥梁的使用年限长，桥梁需要长时间承受荷载，桥梁材料不可避免的发生老化和损伤。由于缺乏必要的桥梁状态监测方法，从而导致维护人员对桥梁结构的工作状态把握不准，这也是导致桥梁事故产生的重要原因，因此监测桥梁的结构状态是十分必要的，检测结构是否安全健康，为桥梁结构的施工、维修、加固和改建做出正确措施和避免桥梁坍塌事故均有重大的现实意义。由于桥梁结构的特殊性，直接采用有线电源进行供电会比较困难，通过采集环境中的能量来供电则比较合适，不需要线材，施工难度也将大大降低，对后期的维护和升级也有很大的便利。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有桥梁状态检测不便的问题，本专利技术提出一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置及使用方法。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，所述桥梁应力检测装置包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路、应力传感器模块、信号处理及发送模块和基站，所述综合环境能量采集器通过膨胀螺丝固定在桥墩上，并将采集到的能量转化为电能，同时所述综合环境能量采集器电性连接能量收集存储电路，将所述转化的电能存储在能量收集存储电路内，所述能量收集存储电路电性连接信号处理及发送模块，所述信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块，所述应力传感器模块设置在桥墩上，所述应力传感器模块用于监测桥梁的形变状态，同时所述应力传感器模块向信号处理及发送模块发送传感器信号，所述信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将所述数据发送至基站中，所述基站通过无线传输将所述数据发送至移动端设备中。进一步地讲，所述综合环境能量采集器包括有太阳能收集器、振动能量收集器和风能收集器，所述太阳能收集器设置在振动能量收集器的上端，所述振动能量收集器设置在风能收集器的上端；所述太阳能收集器用于将太阳能转化为电能，所述振动能量收集器用于将桥梁振动导致的压电悬臂上下振动转化为电能，所述风能收集器用于将风能转化为电能，所述太阳能收集器、振动能量收集器和风能收集器均将转化的电能发送至能量收集存储电路内。进一步地讲，所述能量收集存储电路包括有电源管理芯片、超级电容C4和超级电容C5，所述电源管理芯片的PZ1端口和PZ2端口均电性连接综合环境能量采集器的输出端，所述电源管理芯片的Vin端口电性连接第一电容C1的输入端、超级电容C4的输入端和第一二极管D1的阴极，所述第一电容C1的输出端电性连接电源管理芯片的CAP端口，所述第一二极管D1的阳极电性连接超级电容C4的输出端、超级电容C5的输入端和第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极电性连接超级电容C5的输出端、第三电容C3的输入端、电源管理芯片的D0端口和GND端口，所述第三电容C3的输出端电性连接电源管理芯片的Vin2端口和D1端口；所述电源管理芯片的SW端口电性连接第一电感L1的输入端，所述电源管理芯片的Vout端口电性连接第一电感L1的输出端和第二电容C2的输出端，所述电源管理芯片的GND端口电性连接第二电容C2的输入端，所述第二电容C2的输出端电性连接第一电感L1的输出端，所述第一电感L1的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。进一步地讲，所述应力传感器模块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，且所述石墨烯采用直角栅格式排布。进一步地讲，所述应力传感器模块包括有应力传感器和应力传感器信号调理电路，所述应力传感器用于监测桥梁的形变状态，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；所述应力传感器包括有应变片1、应变片2、应变片3和应变片4，所述应变片1和应变片4均采用水平安置方式，所述应变片2和应变片3采用竖直安置方式。进一步地讲，所述应力传感器信号调理电路包括有偏置电路、滤波器电路和放大电路，所述偏置电路包括有第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一滑动变阻器W1、第一运算放大器A1和第二运算放大器A2，所述第一运算放大器A1的反相输入端电性连接第一电阻R1的输出端和应力传感器的输出端，所述第一电阻R1的输出端电性连接外部电源的正极，所述第一运算放大器A1的同相输入端电性连接第二电阻R2的输入端和应力传感器的输出端，所述第二电阻R2的输出端接地，同时所述第一运算放大器A1的输出端电性连接滤波器电路的输入端，所述第一运算放大器A1的电源端电性连接第二运算放大器A2的反相输入端和输出端；所述第二运算放大器A2的同相输入端电性连接第一滑动变阻器W1的滑片端，第一滑动变阻器W1的输入端电性连接第三电阻R3的输出端，所述第三电阻R3的输入端电性连接外部电源的正极，所述第一滑动变阻器W1的输出端电性连接第四电阻R4的输入端，所述第四电阻R4的输出端接地。进一步地讲，所述滤波器电路第三运算放大器A3、第六电容C6和第七电容C7，所述第一运算放大器A1的输出端通过第五电阻R5电性连接第三运算放大器A3的同相输入端、第六电容C6的输入端和第七电阻R7的输入端，所述第三运算放大器A3的反相输入端电性连接第六电阻R6的输入端、第七电容C7的输入端和第八电阻R8的输入端；所述第三运算放大器A3一侧的电源端电性连接第六电容C6的输出端和第九电阻R9的输入端，所述第九电阻R9的输出端电性连接第七电阻R7的输出端和放大电路的输入端，所述第三运算放大器A3另一侧的电源端电性连接第七电容C7的输出端和第十电阻R10的输入端，所述第十电阻R10的输出端电性连接第八电阻R8的输出端和放大电路的输入端。进一步地讲，所述放大电路包括有第四运算放大器A4，所述第四运算放大器A4的同相输入端电性连接第九电阻R9的输出端和第十一电阻R11的输入端，所述第四运算放大器A4的反相输入端电性连接第十电阻R10的输出端和第十一电阻R11的输出端，所述第四运算放大器A4的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。进一步地讲，所述信号处理及发送模块包括有单片机和ZigBee无线发射模块，所述第四运算放大器A4的输出端电性连接信号单片机的输入端，所述单片机对应力传感器信号调理电路发送的传感器信号进行A/D转换，并根据表示桥梁位置的数据，将所述A/D转换后的传感器信号通过ZigBee无线发射模块发送至基站中。一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置的使用方法，所述使用方法具体包括如下步骤：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述桥梁应力检测装置包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路(4)、应力传感器模块(5)、信号处理及发送模块和基站(8)，所述综合环境能量采集器通过膨胀螺丝固定在桥墩上，并将采集到的能量转化为电能，同时所述综合环境能量采集器电性连接能量收集存储电路(4)，将所述转化的电能存储在能量收集存储电路(4)内，所述能量收集存储电路(4)电性连接信号处理及发送模块，所述信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块(5)，所述应力传感器模块(5)设置在桥墩上，所述应力传感器模块(5)用于监测桥梁的形变状态，同时所述应力传感器模块(5)向信号处理及发送模块发送传感器信号，所述信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将所述数据发送至基站(8)中，所述基站(8)通过无线传输将所述数据发送至移动端设备中。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述桥梁应力检测装置包括有综合环境能量采集器、能量收集存储电路(4)、应力传感器模块(5)、信号处理及发送模块和基站(8)，所述综合环境能量采集器通过膨胀螺丝固定在桥墩上，并将采集到的能量转化为电能，同时所述综合环境能量采集器电性连接能量收集存储电路(4)，将所述转化的电能存储在能量收集存储电路(4)内，所述能量收集存储电路(4)电性连接信号处理及发送模块，所述信号处理及发送模块电性连接应力传感器模块(5)，所述应力传感器模块(5)设置在桥墩上，所述应力传感器模块(5)用于监测桥梁的形变状态，同时所述应力传感器模块(5)向信号处理及发送模块发送传感器信号，所述信号处理及发送模块对传感器信号进行处理，生成相应数据，并将所述数据发送至基站(8)中，所述基站(8)通过无线传输将所述数据发送至移动端设备中。


2.根据权利要求1所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述综合环境能量采集器包括有太阳能收集器(1)、振动能量收集器(2)和风能收集器(3)，所述太阳能收集器(1)设置在振动能量收集器(2)的上端，所述振动能量收集器(2)设置在风能收集器(3)的上端；
所述太阳能收集器(1)用于将太阳能转化为电能，所述振动能量收集器(2)用于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(3)用于将风能转化为电能，所述太阳能收集器(1)、振动能量收集器(2)和风能收集器(3)均将转化的电能发送至能量收集存储电路(4)内。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述能量收集存储电路(4)包括有电源管理芯片、超级电容C4(36)和超级电容C5(37)，所述电源管理芯片的PZ1端口和PZ2端口均电性连接综合环境能量采集器的输出端，所述电源管理芯片的Vin端口电性连接第一电容C1的输入端、超级电容C4(36)的输入端和第一二极管D1的阴极，所述第一电容C1的输出端电性连接电源管理芯片的CAP端口，所述第一二极管D1的阳极电性连接超级电容C4(36)的输出端、超级电容C5(37)的输入端和第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极电性连接超级电容C5(37)的输出端、第三电容C3的输入端、电源管理芯片的D0端口和GND端口，所述第三电容C3的输出端电性连接电源管理芯片的Vin2端口和D1端口；
所述电源管理芯片的SW端口电性连接第一电感L1的输入端，所述电源管理芯片的Vout端口电性连接第一电感L1的输出端和第二电容C2的输出端，所述电源管理芯片的GND端口电性连接第二电容C2的输入端，所述第二电容C2的输出端电性连接第一电感L1的输出端，所述第一电感L1的输出端电性连接信号处理及发送模块的输入端。


4.根据权利要求3所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述应力传感器模块(5)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(5)采用石墨烯(39)作为敏感栅极，且所述石墨烯(39)采用直角栅格式排布。


5.根据权利要求3所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述应力传感器模块(5)包括有应力传感器和应力传感器信号调理电路，所述应力传感器用于监测桥梁的形变状态，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；
所述应力传感器包括有应变片1、应变片2、应变片3和应变片4，所述应变片1和应变片4均采用水平安置方式(43)，所述应变片2和应变片3采用竖直安置方式(44)。


6.根据权利要求5所述的一种基于综合环境能量采集的自供电的高灵敏度的桥梁应力检测装置，其特征在于，所述应力传感器信号调理电路包括有偏置电路、滤波器电路和放大电路，所述偏置电路包括有第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一滑动变阻器W1、第一运算放大器A1和第二运算放大器A2，所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加宏，王超，冒晓莉，裴昱，王忠宇，张宇，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32