一種基于超聲波原理的橋梁動撓度測量系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于超聲波原理的橋梁動撓度測量系統，屬于土木工程領域，應用于結構安全健康監測行業。
【背景技術】
[0002]通過振動傳感器測量橋梁動撓度，該技術屬于目前最普遍成熟的技術，但是該方法相對操作過程比較繁瑣而且成本較高，比如需要在橋面上指定的位置安裝振動傳感器，安裝傳感器需要租用昂貴的橋檢車等，還需要需要相應的數據采集儀進行數據采集，需要對現場的傳感器與采集設備保護，需要現場供電方便，防止人為破壞，偷盜等等。
【發明內容】
[0003]針對上述的問題，本實用新型專利解決了振動法面臨的使用繁瑣與成本高的問題。本實用新型采用超聲波作為振動的傳輸介質，省去了購買與安裝振動傳感器的步驟，并且本實用新型采用超聲波發送，接收，數據處理，存儲為一體的便攜式采集設計，極大地簡化橋梁動撓度檢測過程。
[0004]本實用新型采用如下技術方案:
[0005]一種基于超聲波原理的橋梁動撓度測量系統，它包括微控制器、FPGA控制器、模數轉換器、USB接口、RS232接口、數字隔離模塊、超聲波發射模塊、超聲波接收模塊、筆記本電腦；
[0006]微控制器與FPGA控制器連接，微控制器設有RS232接口，FPGA控制器通過USB接口與筆記本電腦連接；
[0007]FPGA控制器通過模數轉換器與超聲波接收模塊連接；
[0008]FPGA控制器與數字隔離模塊連接；數字隔離模塊與超聲波發射模塊、超聲波接收模塊連接。
[0009]一種基于超聲波原理的橋梁動撓度測量方法，FPGA控制器合成已調信號通過超聲波發送模塊發射，經過橋梁底部反射回來的波形再通過超聲波接收模塊進行解調得到占空比隨橋梁振動而變化的方波，方波信號再通過FPGA控制器計算得出每個方波上升沿的時間差。
[0010]進一步的，FPGA控制器通過超聲波發送模塊發送已調信號。
[0011]進一步的，已調信號經過超聲波接收模塊得到占空比隨橋梁振動而變化的方波。
[0012]進一步的，數字隔離模塊將超聲波發送模塊和超聲波接收模塊的信號電平與FPGA控制器的邏輯電平隔離。
[0013]進一步的，筆記本電腦通過USB接口對微控制器的工作模式進行配置。
[0014]進一步的，微控制器與FPGA控制器繼續數據傳輸和邏輯控制。
[0015]進一步的，模數轉換器將超聲波接收模塊的解調信號進行采樣得到高精度的方波信號。
[0016]本實用新型實現原理:該系統的誕生主要是為了解決傳統檢測橋梁動撓度方法的現場工作量大，成本高，靈活性小等而設計的一款低工作量，低成本，高靈活性的智能采集設備。
[0017]其主要工作原理是利用成熟的超聲波測距原理，結合模仿電子學的模數轉換器的采樣方式，根據采樣定理得出橋梁的動撓度變化。
[0018]系統工作流程:根據理論值計算的橋梁動撓度變化，設定智能采集儀的采樣速率，此處的采樣速率為采集設備以一定的周期發射等間隔的間歇式超聲波信號(一般超聲波頻率設置為40KHz)，該周期既為采樣速率，在分析橋梁動撓度變化時，采樣速率的設定一定要滿足采樣定理的最低要求。反射波信號會在橋面上反射超聲波信號，但是反射波信號攜帶了解購物的撓度變化信號，相當于將發射信號的周期進行調制，只能采集設備根據反射波的周期變化量即可得出結構物的撓度變化。因為是短時間的采集，而且時間變化求的是相對量，所以不會由于環境變化造成聲速的變化導致系統的誤差，所以本系統精度可達1mm η
[0019]本實用新型的有益效果:
[0020]本實用新型極大地簡化了現場的檢測步驟，不需要在危險的條件下安裝振動傳感器，只需要手持本設備，對準橋梁底部，設置好參數和采樣時間后，進行采集即可，得到的數據可立即進行分析，省去了振動法測試的安裝，調試，接電，等步驟。
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型超聲波測量模塊框圖；
[0022]圖2為本實用新型超聲波測量橋梁動撓度示意圖；
[0023]圖3為本實用新型超聲波脈沖調制示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖1、2、3對本實用新型進行詳細描述:
[0025]一種基于超聲波原理的橋梁動撓度測量系統，它包括微控制器1、FPGA控制器2、模數轉換器3、USB接口 4、RS232接口 5、數字隔離模塊6、超聲波發射模塊7、超聲波接收模塊8、筆記本電腦9 ;
[0026]微控制器1與FPGA控制器2連接，微控制器1設有RS232接口 5，FPGA控制器2通過USB接口 4與筆記本電腦9連接；
[0027]FPGA控制器2通過模數轉換器3與超聲波接收模塊8連接；
[0028]FPGA控制器2與數字隔離模塊6連接；數字隔離模塊6與超聲波發射模塊7、超聲波接收模塊8連接。
[0029]FPGA控制器2合成已調信號通過超聲波發送模塊7發射，經過橋梁底部反射回來的波形再通過超聲波接收模塊8進行解調得到占空比隨橋梁振動而變化的方波，方波信號再通過FPGA控制器2計算得出每個方波上升沿的時間差。
[0030]FPGA控制器1通過超聲波發送模塊7發送已調信號。
[0031]已調信號經過超聲波接收模塊8得到占空比隨橋梁振動而變化的方波。
[0032]數字隔離模塊6將超聲波發送模塊7和超聲波接收模塊8的信號電平與FPGA控制器2的邏輯電平隔離。
[0033]筆記本電腦9通過USB接口 4對微控制器1的工作模式進行配置。
[0034]微控制器1與FPGA控制器2繼續數據傳輸和邏輯控制。
[0035]模數轉換器3將超聲波接收模塊8的解調信號進行采樣得到高精度的方波信號。
[0036]本實用新型專利利用FPGA的高速并行處理能力，產生類似采樣速率的調制信號，該信號可根據橋梁的基頻配置成不同的采樣速率，一般為128Hz、64Hz、32Hz、16Hz、8Hz ;FPGA同時產生40KHz的超聲波載波信號，與調制信號信號相乘得到已調信號，通過超聲波發射探頭發送等間隔的已調信號。FPGA同時作為已調信號的接收端接收反射信號，可以檢出每個脈沖超聲波信號經過橋梁底部后的時間差，從而得出相對位移量。
[0037]在實際測量時，首先通過筆記本電腦配置采集模塊的采樣速率、采樣點數等關鍵參數，然后將采集設備的超聲波發射探頭對準橋梁底部，一般要求距離在100米以內。通過筆記本電腦點擊啟動采樣，此時設備啟動工作，采集模塊發送1024個經過調制后的脈沖超聲波信號，信號到達橋梁底部后發射回來，再經過超聲波的接收探頭進行解調，因為橋梁在垂直方向振動的時候，每個脈沖超聲波信號到達橋梁底部被反射的時間都不相同，從而通過檢測反射回來的脈沖超聲波每個調制周期的時間差即可得出橋梁動撓度的變化頻率，再通過計算出當前環境下的超聲波波速，即可得出橋梁實際的動撓度波形圖。
[0038]因考慮到橋梁的漫反射，為保證數據的精度，故系統中采用了高速的模數轉換器進行高速采樣，采樣后的數據經過算法處理解調出精確的已調信號每個方波波形間的時間差。
[0039]數字隔離的作用是因為FPGA的邏輯電瓶與超聲波驅動電平不一樣而做的隔離。
[0040]微控制器的作用是驅動USB、RS232接口，控制FPGA的工作方式，與FPGA進行數據通信等功能。
[0041]圖2實用新型超聲波測量橋梁動撓度示意圖中:11橋梁；12發射波；13反射波；14超聲波發射探頭；15超聲波接收探頭；16超聲波測量模塊。
[0042]圖3為本實用新型超聲波脈沖調制示意圖:
[0043]21:調制信號(根據實際采樣速率設定，默認128Hz);
[0044]22:40KHz的超聲波載波信號經過調制后的發送波形(未接觸橋面)；
[0045]23:經過橋梁底部反射回來的已調信號(接觸橋面后)；
[0046]24:經過解調后的占空比變化的方波。
[0047]簡要說明:已調信號經過橋面發射后，經過接收電路解調，得到一個占空比隨橋梁振動而變化的方波。
[0048]接觸橋面后反射回來的已調信號，從第一個方波上升沿波信開始計時，計算每兩個方波上升沿之間的時間差A tn其中n=l，2，3…1024 ;再通過當時的溫度、濕度因素得出即時絕對聲速V，通過Sn=vAtn得出每個波信之間的絕對位移差，然后以第一個波信的起點為之間基準點，可描繪出一個橫坐標為時間(橫坐標的時間是根據采樣速率Fs得到的時間間隔Ts=l/Fs)，縱坐標為位移及撓度的時域波信，通過分析波信，我們可以得到橋梁的基頻和撓度等關鍵信息。
【主權項】
1.一種基于超聲波原理的橋梁動撓度測量系統，其特征在于:它包括微控制器(1)、FPGA控制器(2 )、模數轉換器(3 )、USB接口( 4 )、RS232接口( 5 )、數字隔離模塊(6 )、超聲波發射模塊(7 )、超聲波接收模塊(8 )、筆記本電腦(9 ); 微控制器(1)與FPGA控制器(2 )連接，微控制器(1)設有RS232接口( 5 )，FPGA控制器(2)通過USB接口(4)與筆記本電腦(9)連接； FPGA控制器(2)通過模數轉換器(3)與超聲波接收模塊(8)連接； FPGA控制器(2)與數字隔離模塊(6)連接；數字隔離模塊(6)與超聲波發射模塊(7)、超聲波接收模塊(8 )連接。
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于超聲波原理的橋梁動撓度測量系統，屬于土木工程領域，應用于結構安全健康監測行業。本實用新型極大地簡化了現場的檢測步驟，不需要在危險的條件下安裝振動傳感器，只需要手持本設備，對準橋梁底部，設置好參數和采樣時間后，進行采集即可，得到的數據可立即進行分析，省去了振動法測試的安裝，調試，接電，等步驟。
【IPC分類】G01B17/04
【公開號】CN204988220
【申請號】CN201520733506
【發明人】劉文峰, 王輔宋, 謝鎮, 劉國勇, 劉付鵬, 徐帆, 李松
【申請人】江西飛尚科技有限公司
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年9月22日