[发明专利]一种基于PSD算法的低功耗实时振动监控系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及基础设施结构安全状态的应急监测和预警控制技术，具体涉及一种应用于重大基础设施结构健康监测的低功耗实时振动监控系统。

背景技术

桥梁、隧道等重大基础设施在运营期内期由于材料老化，其结构性能将不断退化，导致其安全性不断降低；与此同时，各种自然灾害（台风、洪水、地震）、人为灾害（交通事故、恐怖活动）以及持续的交通荷载也将导致基础设施结构产生各类损伤，可能产生基础设施突然垮塌事故，危害公共安全，造成国家、人民生命财产损失。此外，在对基础设施进行养护过程中，因为缺乏设施结构的实时数据信息，养护过程往往代价很大，却收效甚微。因此，通过对基础设施结构状况进行实时监控，获得基础设施结构的状态信息，能够在基础设施结构处于不安全状态时立即发出预警信号，从而及时采取措施。在对基础设施进行养护时，能够确切判断出基础设施的损伤位置，损伤情况，使得养护措施能够更加精确，更加有效，不仅能够提高基础设施运营安全，还能够大幅降低养护费用。

目前我国大部分重大基础设施如桥梁等，都部署了结构健康监测系统，一般都包括对振动信息的监控。然而，目前已经实施的用于基础设施结构监测系统的振动监控装置均存在一系列局限性，其一，抗干扰能力差，基础设施结构健康监测系统通常运行在复杂的外界环境中，在各种因素的影响下，梁结构健康监测系统总是受到噪声的干扰，结构的大量状态信息淹没在噪声之中，导致损伤识别率偏低，使得无法直接通过采样信号准确识别结构损伤；其二，供能受限，系统寿命较短。针对基础设施结构状态的监控，往往需要采集的数据量巨大，在数据处理和传输过程中，能耗非常多，而受限于结构健康监测环境，很多振动监控系统往往需要电池供电，而在基础设施运营期间，对结构健康监测系统进行电池更换是非常不方便的，这就使得设备的工作寿命大大缩短；其三，无法做到实时监控。受限于能耗和设备运行稳定性，目前应用于基础设施结构健康监测领域的振动监控系统无法做到对结构状态的实时监控。

因此，针对复杂环境的重大基础设施结构健康监测，需要一种全新的振动监控系统，能够满足监控现场低功耗、低噪声、实时监控的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于重大基础设施结构健康监测的振动实时监控系统和方法。针对前述振动监控系统存在的问题，设计一种新型的应用于重大基础设施结构健康监测的振动实时监控系统。该系统的特点是，低噪声、低功耗、能够实现实时监控，适用于复杂环境的重大基础设施结构安全监测。

本发明的目的是这样实现的，一种基于PSD算法的低功耗实时振动监控系统，包括传感采集模块，数据处理模块，数据通信模块，和电源模块；

所述传感采集模块，对基础设施结构关键点的振动信息进行数据采集，将采集到的三维方向加速度模拟数据信号进行处理，输出一组三维方向的加速度数值；

所述数据处理模块，对传感采集模块中输出的三维方向的加速度数值进行预处理，并采用PSD对数据进行计算，得出一组功率谱密度数据，再对这组数据进行数据打包，输出一组通信协议格式的数据包；

所述数据通信模块，将数据处理模块中打包好的数据发送至网络设备；

所述电源模块，为整个系统提供稳定的直流电压。

所述传感采集模块利用低噪声加速度传感器对基础设施结构关键点的振动信息进行数据采集，并对采集到的三维方向加速度模拟数据信号以电压的形式进行放大、滤波处理后，再按10-280Hz的采样频率进行A/D转换，转换成三维方向的加速度数值输出。

本发明的改进是：所述传感采集模块中的三维方向加速度模拟数据信号采集方法：采用三片M1221芯片，相互垂直焊接，X、Y、Z三个方向的加速度数据被独立采集，并通过不同的通道发送至核心芯片进行处理，形成一个三维方向的加速度采集系统。

所述传感采集模块中对基础设施结构关键点的振动信息进行数据采集是连续的；所述传感采集模块接受数据处理模块的配置参数，所述参数包括采样频率、滤波器截止频率。

所述电源模块的电源可以是电池供电、太阳能供电和风力供电中的一种或两种以上的组合。

所述数据通信模块采用TCP/IP协议与网关设备有线连接发送数据，或者采用Zigbee协议与基站设备进行无线通信发送数据；所述数据通信模块传输过程中采用统一的数据格式，所述数据格式包括数据标识、时间戳、加速度方向、传感数据域。