隧道環境無線傳感檢測裝置和方法

2023-09-17 08:54:35

專利名稱：隧道環境無線傳感檢測裝置和方法
技術領域：
本發明涉及隧道環境檢測裝置和方法。
背景技術：
道路運輸是國民經濟的大動脈，而運輸安全又是道路運輸的重中之重。然而，由於我國地形複雜，道路路段中隧道是道路的重要組成部分。隧道的安全也就成了運輸安全中重要的一項，也就是說隧道環境的安全關係著運輸安全，甚至是人命關天的大問題。目前對隧道工程中隧道環境的檢測一般採用有線應變片或者弦振檢測裝置對隧道環境進行監測。但該檢測裝置和方法存在儀器笨重、安裝複雜、成本高的問題，特別在施工過程中，有線的監測設備很容易被施工弄斷，施工後成活率低，影響監測效果
發明內容
本發明的目的是為了解決現有檢測裝置和方法存在儀器笨重、安裝複雜、成本高的問題，提供一種隧道環境無線傳感檢測裝置和方法。隧道環境無線傳感檢測裝置，它由N個無線傳感發射節點和無線信息收集節點組成，N為大於2的整數，所述N個無線傳感發射節點與無線信息收集節點的數據交換採用無線方式通訊；無線傳感發射節點由傳感器、一號單片機處理單元、一號供電單元和一號無線通信單元組成，傳感器信號的輸出端與一號單片機處理單元的傳感信號的輸入端連通，一號供電單元的電源輸出端與一號單片機處理單元的電源的輸入端連通，一號無線通信單元的一個數據交換端與一號單片機處理單元的通信數據交換端連通，一號無線通信單元的另一個數據交換端為無線傳感發射節點的數據交換端；無線信息收集節點由二號單片機處理單元、顯示控制單元、報警單元、二號供電單元和二號無線通信單元構成，二號無線通信單元的一個數據交換端為無線信息收集節點的數據交換端，二號無線通信單元的另一個數據交換端與二號單片機處理單元的通信數據交換端連通，二號供電單元的電源輸出端與二號單片機處理單元的電源的輸入端連通，顯示控制單元的數據交換端與二號單片機處理單元的顯示控制數據交換端連通，二號單片機處理單元的報警啟動控制的輸出端與報警單元的啟動控制輸入端連通。隧道環境無線傳感檢測方法，它包括具體步驟如下N個無線傳感發射節點分別嵌固在隧道拱頂的N處水泥層中，無線信息收集節點暴露或隱埋在隧道地面；步驟一、無線傳感發射節點中的一號單片機處理單元給傳感器以一固定頻率激勵信號fL開始掃頻；步驟二、判斷傳感器是否出現共振是，則執行步驟四；否，則執行步驟三；步驟三、4+ Λ，判斷4+ Δ < fm,是，則執行步驟二 ；否，則執行步驟一 ；fm為最高掃頻頻率，△為掃描頻率的步長；步驟四、檢測電路將檢測到的信號傳到一號單片機處理單元，一號單片機處理單元的傳感數據處理程序對所述信號處理，由無線傳輸程序控制傳輸到一號無線通信單元，通過電磁波發送給無線信息收集節點；步驟五、無線信息收集節點接收信息到二號單片機處理單元進行處理、顯示和判斷；二號單片機處理單元判斷出隧道環境參數為危險值，則啟動報警單元報警。本發明通過將N個無線傳 感發射節點設置在隧道一斷面的N處水泥層中，檢測隧道環境參數包括應變、多點位移和土壓參數；當檢測傳感器出現共振時，無線傳感發射節點通過電磁波將所述信號發送給無線信息收集節點，無線傳感信息收集節點對接收信息進行處理、顯示和判斷隧道環境參數的信息。無線傳感檢測裝置的特點包括體積小、便於安裝鋪設、成本低和低功耗；還包括施工威脅極小、使用方便和安全可靠。


圖I為本發明裝置處於工作狀態的結構布置示意圖，圖中A標識隧道混凝土內牆，B標識隧道混凝土外牆；圖2為本發明裝置的無線傳感發射節點的組成結構示意圖，圖3為本發明裝置的無線信息收集節點的組成結構示意圖，圖4為單片機數據處理單元電路示意圖，圖5為傳感器驅動和檢測電路示意圖，圖6為數據顯示單元電路示意圖，圖7為報警部分電路原理示意圖，圖8為實施方式一無線通信單元的電路示意圖，圖9為傳感器檢測程序框圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖I至圖8說明本實施方式，本實施方式所述隧道環境無線傳感檢測裝置，它由N個無線傳感發射節點I和無線信息收集節點2組成，N為大於2的整數，所述N個無線傳感發射節點I與無線信息收集節點2的數據交換採用無線方式通訊；無線傳感發射節點I由傳感器1-2、一號單片機處理單兀1-1、一號供電單兀1-5和一號無線通信單元1-6組成，傳感器1-2的信號的輸出端與一號單片機處理單元1-1的傳感信號的輸入端連通，一號供電單兀1-5的電源輸出端與一號單片機處理單兀1-1的電源的輸入端連通，一號無線通信單元1-6的一個數據交換端與一號單片機處理單元1-1的通信數據交換端連通，一號無線通信單元1-6的另一個數據交換端為無線傳感發射節點I的數據交換端；無線信息收集節點2由二號單片機處理單元2-1、顯示控制單元2-3、報警單元2-4、二號供電單元2-5和二號無線通信單元2-6構成，二號無線通信單元2-6的一個數據交換端為無線信息收集節點2的數據交換端，二號無線通信單元2-6的另一個數據交換端與二號單片機處理單元2-1的通信數據交換端連通，二號供電單元2-5的電源輸出端與二號單片機處理單元2-1的電源的輸入端連通，顯示控制單元2-3的數據交換端與二號單片機處理單元2-1的顯示控制數據交換端連通，二號單片機處理單元2-1的報警啟動控制的輸出端與報警單元2-4的啟動控制輸入端連通。一號單片機處理單元1-1的原理圖如圖4所示，傳感器1-2的信號驅動電路和檢測電路如圖5所示，一號無線通信單元1-6的原理圖如圖8所示，一號供電單元1-5的電源由3. 3V可充電鋰電池提供；二號單片機處理單元2-1的基本原理如圖4所示，顯示控制單元2-3原理如圖6所示，報警單元2-4原理如圖7所示，二號無線通信單元2-6的原理圖如圖8所示，二號供電單元21-5的電源由3. 3V可充電鋰電池提供。本發明通過將N個無線傳感發射節點設置在隧道拱頂的N處水泥層中，檢測隧道環境參數；當監測到物理量時，無線傳感發射節點通過電磁波將所述信號發送給無線信息收集節點，無線傳感信息收集節點對接收信息進行處理、顯示和判斷隧道環境參數的信息，如果超過隧道安全值，即發出預警警報。無線傳感檢測裝置的特點包括體積小、便於安裝鋪設、成本低和功耗低；同時施工過程損傷小、使用方便和傳感器成活率高。
具體實施方式
二 本實施方式是對具體實施方式
一所述隧道環境無線傳感檢測裝置的進一步限定，一號單片機處理單元1-1包括單片機、傳感器驅動及檢測電路和程序軟體，傳感器驅動及檢測電路的輸出端與傳感器1-2的輸入端連通，傳感器驅動及檢測電路信號的輸入端與傳感器1-2的信號的輸出端連通，傳感器驅動及檢測電路控制信號的輸入端與單片機的傳感及檢測控制信號的輸出端連通，所述程序軟體由掃頻程序、測頻程序、傳感數據處理程序和無線傳輸程序組成，程序軟體固化在單片機的存儲器中。
具體實施方式
三本實施方式是對具體實施方式
一所述隧道環境無線傳感檢測裝置的進一步限定，二號單片機處理單元2-1包括單片機和程序軟體，程序軟體固化在單片機的存儲器中，所述程序軟體由傳感數據處理程序、無線傳輸程序和顯示控制程序組成。
具體實施方式
四結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述隧道環境無線傳感檢測裝置的進一步限定，傳感器1-2採用振弦式測縫計、振弦式滲壓計或振弦式土壓力盒的傳感器，來完成隧道環境的監測。振弦式測縫計由振弦式傳感器測量單元及經過熱處理應力釋放的精密彈簧組成，彈簧的一端與振動鋼弦相連接，而另一端連接在接杆上，當接杆發生位移時，改變了精密彈簧和鋼弦的張力，相應地引起鋼弦的振動頻率的改變，這一頻率信號通過電纜傳輸到單片機處理單元，單片機處理單元能夠處理出其頻率數據，並將頻率數據通過無線通信單元進行發射。振弦式滲壓計的振動鋼弦與一個靈敏膜片相連，設在鋼弦附近的電磁線圈即可拔動鋼弦，又可將振動鋼弦轉化為電量。這個電量的頻率能反映其鋼弦固有共振頻率。壓力的變化引起膜片的變形，改變鋼弦的張力及其共振頻率，這樣每個壓力都有一個相應的頻率輸出。振弦式土壓力盒屬於靜態、單向、邊界型力傳感器。它採用薄板式結構，當其內部的彈性薄板受力撓曲後，通過嵌固在薄板上的兩根鋼弦柱，使鋼弦應力發生變化，弦的自振頻率也發生相應變化。利用脈衝激勵，使鋼弦起振，並接收其頻率。按照壓力一頻率關係曲線即可得出壓力值。上訴三種傳感器感受的物理量變化能夠改變鋼弦的共振頻率，通過測量鋼弦的共振頻率就可以測得隧道環境信息。其工作原理如下，一號單片機處理單元1-1固化的掃頻程序通過處理器與傳感器驅動和檢測電路輸入端連接，通過2個三極體組成驅動電路後，連接到傳感器1-2的驅動輸入端，與弦共振頻率一致的頻率將產生較大的振動，然後輸入檢測電路，檢測電路由兩級有源濾波器和I個放大器組成。其監測信息在輸入一號單片機處理單元1-1中，通過固化在單片機中的傳感器檢測程序來完成弦振共振頻率監測，傳感器檢測程序框圖如圖9所示。檢測到的弦振儀的共振信息通過無線信息機發射節點一號無線通信單元1-6發射出去。
具體實施方式
五結合圖3說明本實施方式,本實施方式是對具體實施方式
一所述隧道環境無線傳感檢測裝置的進一步限定，無線傳感發射節點I與無線信息收集節點2的無線通信採用433MHz的頻率通訊。一號無線通信單元1-6和二號無線通信單元2-6是採用射頻晶片在433MHZ頻率上實行信息的傳送和接收。多個無線傳感發射節點的信息匯集到一個無線信息收集節點上，所述無線通信方式採用無線晶片在433MHz上通信，能夠透過8釐米的水泥層，實現無線傳感通信的有效傳輸。但不限於433MHz頻率的無線通信，只要能滿足無線通信要求的頻率都在本發明保護範圍。
具體實施方式
六本實施方式是對具體實施方式
一所述隧道環境無線傳感檢測裝置的進一步限定，所述報警單元2-4採用高音喇叭或蜂鳴器實現。如果隧道環境參數為危險值將通過高音喇叭或蜂鳴器報警。但報警單元2-4不限於高音喇叭或蜂鳴器，只要能滿足報警作用的其他器件都在本發明保護範圍。·
具體實施方式
七本實施方式是對具體實施方式
一所述隧道環境無線傳感檢測裝置的進一步限定，一號供電單元1-5或二號供電單元2-5採用採用電池實現。工作人員可以隨時讀取無線信息收集節點2的數據，並可讓無線傳感發射節點I和無線信息收集節點2處在睡眠節電狀態；在需要其工作時再開啟。一號供電單元1-5或二號供電單元2-5採用3. 3V可充電鋰電池提供。
具體實施方式
八本實施方式所述隧道環境無線傳感檢測方法，它包括具體步驟如下N個無線傳感發射節點I分別嵌固在隧道拱頂的N處水泥層中，無線信息收集節點2暴露或隱埋在隧道地面；步驟一、無線傳感發射節點I中的一號單片機處理單元1-1給傳感器1-2以一固定頻率激勵信號fL開始掃頻；步驟二、判斷傳感器1-2是否出現共振是，則執行步驟四；否，則執行步驟三；步驟三、4+ Λ，判斷4+ Δ < fm，是，則執行步驟二 ；否，則執行步驟一 ；fm為最高掃頻頻率，△為掃描頻率的步長；步驟四、檢測電路將檢測到的信號傳到一號單片機處理單元1-1，一號單片機處理單元1-1的傳感數據處理程序對所述信號處理，由無線傳輸程序控制傳輸到一號無線通信單元1-6，通過電磁波發送給無線信息收集節點2 ；步驟五、無線信息收集節點2接收信息到二號單片機處理單元2-1進行處理、顯示
和判斷；二號單片機處理單元2-1判斷出隧道環境參數為危險值，則啟動報警單元2-4報
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目O具體實施方式
九本實施方式是對具體實施方式
八所述隧道環境無線傳感檢測方法的進一步限定，無線傳感發射節點I嵌固在不超過8釐米深的水泥層中。N個無線傳感發射節點I按需嵌固在隧道頂上的水泥層中，無線傳感發射節點I可以離水泥外層8釐米深；無線信息收集節點2可以暴露或隱埋在隧道地面。無線傳感發射節點I中的一號單片機處理單元1-1給傳感器1-2以一固定頻率激勵信號fL開始掃頻，當傳感器1-2出現共振現象則停止掃頻，由檢測電路將感知到的信息傳到一號單片機處理單元1-1核心，一號單片機處理單元1-1在按照系統內部編好的程序進行處理和傳輸；傳輸到一號無線通信單元1-6通過電磁波發送給無線傳感信息收集節點2。無線傳感信息收集節點2接收信息到二號單片機處理單元2-1進行處理、顯示和判斷。在顯示控制單元2-3的液晶屏上將出現隧道哪處、哪種隧道環境參數的信息。如果隧道環 境參數為危險值將通過高音喇叭或蜂鳴器報警。
權利要求
1.隧道環境無線傳感檢測裝置，其特徵是，它由N個無線傳感發射節點(I)和無線信息收集節點(2)組成，N為大於2的整數，所述N個無線傳感發射節點(I)與無線信息收集節點(2)的數據交換採用無線方式通訊；無線傳感發射節點(I)由傳感器(1-2)、一號單片機處理單元(1-1)、一號供電單元(1-5)和一號無線通信單元(1-6)組成，傳感器(1-2)的信號的輸出端與一號單片機處理單元(1-1)的傳感信號的輸入端連通，一號供電單元(1-5)的電源輸出端與一號單片機處理單元(1-1)的電源的輸入端連通，一號無線通信單元(1-6)的一個數據交換端與一號單片機處理單元(1-1)的通信數據交換端連通，一號無線通信單元(1-6)的另一個數據交換端為無線傳感發射節點(I)的數據交換端；無線信息收集節點(2)由二號單片機處理單元(2-1)、顯示控制單元(2-3)、報警單元(2-4)、二號供電單元(2-5)和二號無線通信單元(2-6)構成，二號無線通信單元(2-6)的一個數據交換端為無線信息收集節點(2)的數據交換端，二號無線通信單元(2-6)的另一個數據交換端與二號單片機處理單元(2-1)的通信數據交換端連通，二號供電單元(2-5)的電源輸出端與二號單片機處理單元(2-1)的電源的輸入端連通，顯示控制單元(2-3)的數據交換端與二號單片機處理單元(2-1)的顯示控制數據交換端連通，二號單片機處理單元(2-1)的報警啟動控制的輸出端與報警單元(2-4)的啟動控制輸入端連通。
2.根據權利要求I所述隧道環境無線傳感檢測裝置，其特徵在於，一號單片機處理單元(1-1)包括單片機、傳感器驅動及檢測電路和程序軟體，傳感器驅動及檢測電路的輸出端與傳感器(1-2)的輸入端連通，傳感器驅動及檢測電路信號的輸入端與傳感器(1-2)的信號的輸出端連通，傳感器驅動及檢測電路控制信號的輸入端與單片機的傳感及檢測控制信號的輸出端連通，所述程序軟體由掃頻程序、測頻程序、傳感數據處理程序和無線傳輸程序組成，程序軟體固化在單片機的存儲器中。
3.根據權利要求I所述隧道環境無線傳感檢測裝置，其特徵在於，二號單片機處理單元(2-1)包括單片機和程序軟體，程序軟體固化在單片機的存儲器中，所述程序軟體由傳感數據處理程序、無線傳輸程序和顯示控制程序組成。
4.根據權利要求I所述隧道環境無線傳感檢測裝置，其特徵在於，傳感器(1-2)採用振弦式測縫計、振弦式滲壓計或振弦式土壓力盒的傳感器。
5.根據權利要求I所述隧道環境無線傳感檢測裝置，其特徵在於，無線傳感發射節點(1)與無線信息收集節點(2)的無線通信採用433MHz的頻率通訊。
6.根據權利要求I所述隧道環境無線傳感檢測裝置，其特徵在於，所述報警單元(2-4)採用高音喇叭或蜂鳴器實現。
7.根據權利要求I所述隧道環境無線傳感檢測裝置，其特徵在於，一號供電單元(1-5)或二號供電單元(2-5)採用電池實現。
8.隧道環境無線傳感檢測方法，其特徵是，它包括具體步驟如下 N個無線傳感發射節點(I)分別嵌固在隧道拱頂的N處水泥層中，無線信息收集節點(2)暴露或隱埋在隧道地面； 步驟一、無線傳感發射節點(I)中的一號單片機處理單元(1-1)給傳感器(1-2)以一固定頻率激勵信號4開始掃頻； 步驟二、判斷傳感器(1-2)是否出現共振是，則執行步驟四；否，則執行步驟三； 步驟三、4+ Λ，判斷4+ Δ < fm，是，則執行步驟二 ；否，則執行步驟一 ；fm為最高掃頻頻率，Λ為掃描頻率的步長； 步驟四、檢測電路將檢測到的信號傳到一號單片機處理單元(1-1)，一號單片機處理單元(1-1)的傳感數據處理程序對所述信號處理，由無線傳輸程序控制傳輸到一號無線通信單元(1-6)，通過電磁波發送給無線信息收集節點(2)； 步驟五、無線信息收集節點(2)接收信息到二號單片機處理單元(2-1)進行處理、顯示和判斷；二號單片機處理單元(2-1)判斷出隧道環境參數為危險值，則啟動報警單元(2-4)報警。
全文摘要
隧道環境無線傳感檢測裝置和方法，涉及隧道環境檢測裝置和方法，為了解決現有檢測裝置和方法存在儀器笨重、安裝複雜、成本高的問題。隧道環境無線傳感檢測裝置，它由N個無線傳感發射節點和無線信息收集節點組成；隧道環境無線傳感檢測方法，它包括步驟如下步驟一、無線傳感發射節點中的一號單片機處理單元給傳感器以一固定頻率激勵信號fL開始掃頻；步驟二、判斷傳感器是否出現共振是，則執行步驟四；步驟三、fL+Δ，判斷fL+Δ＜fm；步驟四、檢測電路將檢測到的信號通過電磁波發送給無線信息收集節點；步驟五、無線信息收集節點接收信息進行處理；判斷出環境參數為危險值，則報警。適用於隧道環境檢測裝置和方法。
文檔編號G08C17/02GK102901440SQ20121039735
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者劉盛春, 丁樹春, 張金濤 申請人:黑龍江大學