一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术属于桥梁应力检测技术领域，公开了一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法，所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统包括：综合环境能量采集模块、能量收集存储模块、能量转换模块、信号处理及发送模块、应力预估模块、应力检测模块、应力数据获取模块、数据传输模块、移动终端模块、中央控制和处理模块。本发明专利技术通过应力检测系统将太阳能、桥梁振动能、风能转换为电能，通过能量收集存储模块对电能进行存储，实现系统自供电，解决桥梁上通过有线电对桥梁应力检测系统进行供电的问题；应力传感器采用石墨烯为敏感栅极材料，可以增加对桥梁振动变化的感知能力，与移动终端模块相连接可以方便维护人员远程监测桥梁的安全状况。桥梁的安全状况。桥梁的安全状况。

【技术实现步骤摘要】
一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法


[0001]本专利技术属于桥梁应力检测
，尤其涉及一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法。

技术介绍

[0002]目前，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。
[0003]桥梁检测的常规定期检测包括桥面系检测、上部结构检测和下部结构检测。通常使用的方式是人工巡检。但是人工巡检人力成本过高，并且检测结果受限于人工的个人水平，难以得到稳定的检测结果。而人工无法实时对桥梁进行检测，无法预测桥梁的裂隙风险，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。因此，亟需一种新的、成本低、检测精度高的桥梁应力检测系统及检测方法。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)现有人工巡检方法人力成本过高，并且检测结果受限于人工的个人水平，难以得到稳定的检测结果。
[0006](2)现有人工巡检方法无法实时对桥梁进行检测，无法预测桥梁的裂隙风险，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。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统及检测方法，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系统及检测方法。
[0008]本专利技术是这样实现的，一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统包括：
[0009]综合环境能量采集模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过综合环境能量采集设备采集环境中存在的太阳能、桥梁振动能以及风能；
[0010]能量收集存储模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过能量收集存储设备将采集到的太阳能、桥梁振动能以及风能进行存储；
[0011]能量转换模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过能量转换装置将收集存储到的太阳能、桥梁振动能以及风能转换得到电能，包括：
[0012]获取所述桥梁应力检测系统中多种类型的能量转换装置的剩余能量E(t)：
[0013][0014]其中，E
j
(t)为设备j在时刻t的剩余能量，m为分布式发电区域待统一管理的总设备数；将m台设备的使用时长，即下次更换时间T
change
记为：
[0015][0016]其中，T
change
为设备j下次更换时间；
[0017]预先设置m台设备的最大更换时间间隔T
interval
，则m台设备的最早更换时间T
f
为：
[0018][0019]其中，T
ter
为m台设备的最晚更换时间，m台设备均需要在[T
f
,T
ter
]时间段内进行更换；
[0020]获取所述桥梁应力检测系统多个负荷的需求供电量L(t)：
[0021]L(t)＝[L1(t)，L2(t)，...，L
n
(t)]；
[0022]其中，L
i
(t)为负荷i在时刻t所需电量，n为负荷端的负荷总数；
[0023]信号处理及发送模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过信号处理程序将传感器矩阵采集的应力数据和应力预估模块的数据发送至中央处理器；
[0024]中央控制和处理模块，与综合环境能量采集模块、能量收集存储模块、能量转换模块、信号处理及发送模块、应力预估模块、应力检测模块、应力数据获取模块、数据传输模块、移动终端模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统各个模块的正常运行，保证桥梁应力的检测精度，包括：
[0025]根据输入应力数据计算误差值，根据误差值计算误差变化率；
[0026]接收误差值和误差变化率，并利用模糊规则对PID控制器的PID参数进行自适应整定，输出PID参数的变化量；其中，所述PID参数包括比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数；
[0027]接收所述误差值和误差变化率，并利用专家知识库得到PID参数的初始值；在每次PID计算时根据PID参数的初始值和变化量得到PID参数值，并根据该PID参数值计算控制输出量给被控对象；
[0028]其中，通过以下公式计算PID参数值：
[0029]Kp＝Kp0+ΔKp
[0030]Ki＝Ki0+ΔKi
[0031]Kd＝Kd0+ΔKd；
[0032]其中，Kp、Ki和Kd分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数的PID参数值；ΔKp、ΔKi和ΔKd分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数的变化量；
[0033]通过以下公式计算控制输出量：
[0034][0035]其中，u(k)为第k次的控制输出量，e(k)为第k次计算的误差值，e(j)为第j次计算的误差值；e(k
‑
1)为第k
‑
1次计算的误差值；
[0036]应力预估模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过应力预估程序对桥梁的应力进行预测和估计；
[0037]应力检测模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过应力检测装置对桥梁的应力进行实时的检测，包括：
[0038]对初始电信号进行放大处理，获得所述激励电信号；向所述超声波发射探头发送所述激励电信号；
[0039]控制所述超声波发射探头向所述桥梁发射超声波信号，并确定所述超声波信号的发射时间；其中，所述超声波信号为所述超声波发射探头接收到所述激励电信号之后，将所述激励电信号进行转换所获得的超声波信号；
[0040]控制所述至少一个超声波接收探头接收超声波临界纵波信号，并确定所述至少一个超声波接收探头中的每个超声波接收探头接收到所述超声波临界纵波信号的接收时间；其中，所述超声波临界纵波信号为所述超声波信号接触到所述桥梁所获得的；
[0041]根据所述超声波信号的发射时间以及所述至少一个超声波接收探头中的每个超声波接收探头接收到所述超声波临界纵波信号的接收时间，确定所述超声波发射探头与所述至少一个超声波接收探头中的每个超声波接收探头之间的桥梁所承受的应力变化：
[0042][0043]其中，Δσ1为所述超声波发射探头与所述至少一个超声波接收探头中任意一个超声波接收探头之间的桥梁所承受的应力变化，E为杨氏弹性模量，L为超声波临界纵波信号在外加应力方向上传播的声弹常数，t*为超声波临界纵波信号在均匀、各向同性且应力自由的桥梁上，并在标准温度下由所述超声波发射探头传输至所述至少一个超声波接收探头中任意一个超声波接收探头的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统，其特征在于，所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统包括：综合环境能量采集模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过综合环境能量采集设备采集环境中存在的太阳能、桥梁振动能以及风能；能量收集存储模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过能量收集存储设备将采集到的太阳能、桥梁振动能以及风能进行存储；能量转换模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过能量转换装置将收集存储到的太阳能、桥梁振动能以及风能转换得到电能，包括：获取所述桥梁应力检测系统中多种类型的能量转换装置的剩余能量E(t)：其中，E
j
(t)为设备j在时刻t的剩余能量，m为分布式发电区域待统一管理的总设备数；将m台设备的使用时长，即下次更换时间T
change
记为：其中，T
change
为设备j下次更换时间；预先设置m台设备的最大更换时间间隔T
interval
，则m台设备的最早更换时间T
f
为：其中，T
ter
为m台设备的最晚更换时间，m台设备均需要在[T
f
,T
ter
]时间段内进行更换；获取所述桥梁应力检测系统多个负荷的需求供电量L(t)：L(t)＝[L1(t)，L2(t)，...，L
n
(t)]；其中，L
i
(t)为负荷i在时刻t所需电量，n为负荷端的负荷总数；信号处理及发送模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过信号处理程序将传感器矩阵采集的应力数据和应力预估模块的数据发送至中央处理器；中央控制和处理模块，与综合环境能量采集模块、能量收集存储模块、能量转换模块、信号处理及发送模块、应力预估模块、应力检测模块、应力数据获取模块、数据传输模块、移动终端模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述所述自供电的高灵敏度的桥梁应力检测系统各个模块的正常运行，保证桥梁应力的检测精度，包括：根据输入应力数据计算误差值，根据误差值计算误差变化率；接收误差值和误差变化率，并利用模糊规则对PID控制器的PID参数进行自适应整定，输出PID参数的变化量；其中，所述PID参数包括比例调节系数、积分调节系数和微分调节系
数；接收所述误差值和误差变化率，并利用专家知识库得到PID参数的初始值；在每次PID计算时根据PID参数的初始值和变化量得到PID参数值，并根据该PID参数值计算控制输出量给被控对象；其中，通过以下公式计算PID参数值：Kp＝Kp0+ΔKpKi＝Ki0+ΔKiKd＝Kd0+ΔKd；其中，Kp、Ki和Kd分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数的PID参数值；ΔKp、ΔKi和ΔKd分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数的变化量；通过以下公式计算控制输出量：其中，u(k)为第k次的控制输出量，e(k)为第k次计算的误差值，e(j)为第j次计算的误差值；e(k
‑
1)为第k
‑
1次计算的误差值；应力预估模块，与中央控制和管理模块连接，用于通过应力预估程序对桥梁的应力进行预测和估计；应力检测模块，与中央控制和处理模块连接，用于通过应力检测装置对桥梁的应力进行实时的检测，包括：对初始电信号进行放大处理，获得所述激励电信号；向所述超声波发射探头发送所述激励电信号；控制所述超声波发射探头向所述桥梁发射超声波信号，并确定所述超声波信号的发射时间；其中，所述超声波信号为所述超声波发射探头接收到所述激励电信号之后，将所述激励电信号进行转换所获得的超声波信号；控制所述至少一个超声波接收探头接收超声波临界纵波信号，并确定所述至少一个超声波接收探头中的每个超声波接收探头接收到所述超声波临界纵波信号的接收时间；其中，所述超声波临界纵波信号为所述超声波信号接触到所述桥梁所获得的；根据所述超声波信号的发射时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海鹏，刘彦，苏斌，张向永，关慧元，彭庭睿，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：