基于现有传感器的桥梁无线检测技术的研究

论文摘要

桥梁作为国家基础设施的重要组成部分,在国民经济和社会生活中的作用越来越重要,人们对大型桥梁的安全性、耐久性及正常使用功能日益关注和重视。随着世界范围内桥梁结构的检测、监测、损伤、老化、病害及事故等问题再次突出。尤其近期国内外桥梁接连发生重大事故,桥梁安全面临严重挑战。为确保桥梁的安全运营,应对桥梁进行科学的检测,现有的桥梁检测过程中均采用有线方式进行数据传输。此技术手段虽有数据传输效率高和技术成熟的优点,但在大跨度桥梁结构测试中,布线、撤线和安装费用高等问题尤为突出。桥梁无线测试系统采用无线通信手段替换有线传输链路部分,解决了上述问题,因此开展大型桥梁结构的无线检测技术的研究非常必要。本论文结合桥梁结构测试技术、计算机技术、现代传感技术、无线通信技术及信号与系统技术,提出了桥梁无线测试系统的整体结构。桥梁无线测试系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件的系统结构由主站和若干副站组成,主站主要由控制中心子系统、数据传输子系统组成。副站主要由数据传输子系统、采集子系统组成。软件系统由主控程序、数据处理算法程序和单片机程序组成。在数据采集子系统方面,开展了适用于桥梁静态测试常用的电阻应变式和振弦式传感器和动态测试常用的941B型拾振器的数据采集节点的研发工作,其具有单个采集节点控制多个传感器,实现单节点采集、存储和共有单个发射机进行数据传输特点。进行了对采集节点电源供应、相关电路、检测单元电路和信号处理的软硬件等进行设计、调试,最终集成了副站的无线数据采集节点。实验室的试验表明,所研发的静动态数据采集节点能够满足桥梁工程的测量精度。在数据传输子系统方面,借鉴国际标准化组织的OSI七层通信协议标准,并考虑桥梁无线测试系统本身复杂程度的实际特点,分析其协议的有效性及无线传输可靠性,将无线通信的通信协议简化成三层,构筑独立的通信平台,而不是使用现有的无线通信模块或者现有的通信网络,提高了通信协议的传输效率、准确性和灵活性。在控制中心子系统方面,进行了软件设计与编程工作,完成了单片机控制程序、主控程序、数据库程序及静动态数据后处理算法程序的设计、实现。最后对所研发的桥梁无线测试系统进行了室内外试验验证,研究结果表明:所研发的无线测试系统,具有采集准确、精度高、传输可靠、操作简单和稳定性强等特点,能够完成对结构的静态应变、挠度及动态的加速度、速度信号测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外桥梁无线测试系统的现状与分析
• 1.3 桥梁无线测试系统的整体结构
• 1.4 无线通信的承载方式
• 1.5 桥梁无线测试系统的问题与分析
• 1.6 桥梁无线测试系统的网络化
• 1.6.1 桥梁无线测试系统的无线通信模式
• 1.6.2 无线传感器网络
• 1.6.3 桥梁无线测试系统的网络化
• 1.7 本论文的主要研究内容
• 第2章 桥梁无线静态应变测试系统的研究及设计
• 2.1 引言
• 2.2 控制中心子系统的结构设计
• 2.3 数据采集子系统的关键技术与硬件研究及设计
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 传感器原理
• 2.3.3 前端逻辑电路模块研究及设计
• 2.3.4 单片机控制模块设计
• 2.3.5 电压调整模块设计
• 2.3.6 模数转换模块设计
• 2.4 数据传输子系统的研究及设计
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 射频收发模块设计
• 2.4.3 帧格式研究及设计
• 2.4.4 通信协议的研究及设计
• 2.4.5 无线信道纠错技术研究及设计
• 2.4.6 串口通信模块设计
• 2.4.7 桥梁无线静态测试系统的性能分析
• 2.5 桥梁无线静态测试系统的成套设备
• 2.6 本章小结
• 第3章 桥梁无线动态测试系统的研究及设计
• 3.1 引言
• 3.2 无线动态测试系统的整体结构设计
• 3.3 无线动态测试系统的采集子系统的设计
• 3.3.1 振动传感器的工作原理
• 3.3.2 桥梁无线动态测试系统的调理模块的设计
• 3.3.3 桥梁无线动态测试系统的单片机控制模块的设计
• 3.3.4 桥梁无线动态测试系统的数据采集和射频模块的设计
• 3.4 桥梁无线动态测试系统的通信协议的研究及设计
• 3.4.1 通信帧格式的研究及设计
• 3.4.2 动态系统通信协议的设计
• 3.5 无线测试系统的动态信号数据后处理的算法及程序实现
• 3.5.1 离散傅里叶变换（DFT）基础理论
• 3.5.2 动态信号数据分析与结果评定
• 3.6 桥梁无线动态测试的成套设备
• 3.7 本章小结
• 第4章 桥梁无线测试系统的软件开发
• 4.1 引言
• 4.2 桥梁无线测试系统终端程序
• 4.2.1 C++ Builder 简述
• 4.2.2 软件要求
• 4.2.3 SQLServer 2000 简述
• 4.2.4 数据库结构设计
• 4.2.5 桥梁无线测试系统软件管理功能的设计与实现
• 4.2.6 桥梁无线测试系统软件数据采集窗体的设计
• 4.2.7 无线测试系统主程序流程的设计
• 4.3 桥梁无线测试系统前端数据采集节点程序设计
• 4.3.1 桥梁无线静态系统数据采集节点程序设计
• 4.3.2 桥梁无线动态测试系统的数据采集节点的程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 桥梁无线测试系统的检验
• 5.1 引言
• 5.2 静态测试系统的试验
• 5.2.1 实验室试验
• 5.2.2 通化西昌斜拉桥现场试验
• 5.3 动态测试系统的试验
• 5.3.1 实验室试验
• 5.3.2 哈尔滨四方台斜拉桥现场测试试验
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间撰写的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历