建筑构件表面形变监测装置及监测方法

1.本发明涉及建筑构件监测技术领域，具体涉及建筑构件表面形变监测装置及监测方法。


背景技术：

2.建筑构件，包括楼体和桥梁的梁、板、柱等，在各种因素作用下会发生形变，这些因素包括建筑物的自身荷载以及外界地震的作用。建筑物的承重柱在轴向力和偏心荷载作用下会发生轴向变形和弯曲变形，承重梁和板在剪力和弯矩作用下发生剪力变形和弯曲变形。这些建筑构件的形变量在允许范围内则不影响建筑构件的正常使用，而一旦形变量持续发展超过允许值时，则会影响建筑构件的正常使用，此时需要对建筑构件进行加固，而形变量严重超过允许值且加固处理后仍达不到正常使用条件的应及时撤离建筑物，防止建筑物破坏而发生安全事故。
3.为了监测建筑构件的形变，当前常规的做法是在建筑构件表面粘贴应变片进行持续性监测。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为监测点的应变值。
4.由于应变片是将建筑构件形变转换成模拟电信号的传感器，应变片将模拟电信号传输至信号处理设备的过程中会受到温湿度漂移的影响而导致形变测量失真，尤其是布设于室外桥梁上的应变片，室外的温差和湿度变化对应变片的测量结果影响更大。然而，当前的利用应变片监测建筑构件的变形的设备缺少相应的温湿度漂移的纠正措施，导致应用于桥梁的应变片的测量结果严重失真的问题。由于建筑构件的变形往往发生在多个部位，比如梁，其剪切变形往往发生在梁的两侧，而梁的弯曲变形主要发生在中部及中部两侧的附近，因此，监测建筑构件变形是否超过允许值，往往需要在建筑构件上粘贴多个应变片以完整或者建筑构件的整体变形状态。然而，当前的信号转换设备仅能处理一个应变片的模拟电信号，其上仅布设一个数据传输接口，在面对多个应变片监测单元时，往往需要大量的信号转换设备，造成资源的浪费和数据的混杂；同时，当前的信号转换设备也无法进行数据的无线传输，也无法根据监测需要远程控制某些数据传输接口的打开以获取某个监测点的形变值或关闭以节省设备的耗电量来延长设备的工作时长。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了建筑构件表面形变监测装置，该装置增加了温湿度传感器，利用温湿度传感器监测应变片工作环境的温度和湿度并上传至单片机，单片机在基准温湿度的基础上计算出当前温湿度条件下的实际形变值，达到纠偏的目的；同时，该装置具有多个数据传输接口，这些接口可远程控制其打开以获取某个监测点的形变值或关闭以节省设备的耗电量来延长设备的工作时长，且设置了多个usb数据接口，这些接口可根据现场需要进行功能拓展；此外，该装置还可在单片机发热量过大或环境湿度过
大时进行吹风，将热量吹出设备外且利用流动的风干燥设备内环境，防止电子元件温、湿度过高而损坏。
6.为了达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现的：
7.建筑构件表面形变监测装置，包括多通道信号转换监测器和电阻式应变片，所述电阻式应变片的一端插接于多通道信号转换监测器上，所述多通道信号转换监测器包括壳体，所述壳体的控制面板上固定有显示屏，显示屏的下方设置有状态指示灯，状态指示灯的下方设置有按键，显示屏的上方固定有摄像头和超声测距模块，所述壳体的一个侧面上设置有若干个形变量采集接口，壳体的左侧面上设置有dc充电接口和usb充电接口，壳体的右侧面上设置有usb驱动接口和百叶式通风口，所述壳体内固定有控制电路板，所述显示屏、状态指示灯、按键、摄像头、超声测距模块、形变量采集端口、dc充电接口、usb充电接口和usb驱动接口均与控制电路板连接。
8.进一步的，所述壳体包括控制面板和封装盒，控制面板固定于封装盒顶部，封装盒中封装有蓄电池和控制电路板，所述蓄电池与控制电路板连接，封装盒的底部一侧固定有风扇，所述风扇与控制电路板连接。
9.进一步的，所述控制电路板上固定有mcu单片机、电量检测模块、电源模块、充电自动切断模块、继电器、usb充电模块、dc充电模块、若干组形变量数据采集单元、若干组usb驱动单元、温湿度检测模块、状态指示灯、图像处理模块、蜂鸣器和通讯模块，所述电量检测模块、电源模块、充电自动切断模块、继电器、若干组形变量数据采集单元、若干组usb驱动单元、温湿度检测模块、状态指示灯、图像处理模块、蜂鸣器、通讯模块、显示屏、按键和超声测距模块均与mcu单片机连接，所述dc充电模块和usb充电模块均与充电自动切断模块连接，所述摄像头与图像处理模块连接，所述风扇与继电器连接，所述蓄电池分别与电量检测模块和电源模块连接。
10.进一步的，所述形变量数据采集单元包括第一开关模块、模数转换模块、信号放大模块和接线端子，接线端子固定于形变量采集端口中，接线端子与信号放大模块连接，信号放大模块与模数转换模块连接，模数转换模块与第一开关模块连接，第一开关模块与mcu单片机连接，所述usb驱动单元包括第二开关模块和usb接头，usb接头固定于usb驱动接口中，usb驱动接头通过第二开关模块与mcu单片机连接。
11.进一步的，所述通讯模块支持2g/3g/4g/5g/zigbee/wifi/蓝牙/lora中的一种通信协议。
12.同时，本发明还公开了建筑构件表面形变监测装置的监测方法，包括以下步骤：
13.s1、获取形变量初始模拟电信号；
14.s2、对初始模拟电信号进行电路放大；
15.s3、放大后的模拟电信号进行模数转换获取数字信号；
16.s4、mcu单片机对数字信号进行温湿度漂移校正，校正公式如下：
[0017][0018]
式中，l为建筑构件的形变量，α1和α2分别为温度影响因子和湿度影响因子；
[0019]
s5、mcu将校正后的形变量与设定值进行比较，形变量与设定值之间的差值百分比超过允许值时，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，红色指示灯亮起且蜂鸣
器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心；
[0020]
s6、超声测距模块发出测距超声波并接收反射的超声波超声测距模块在移动物遮挡时向mcu单片机输出新的测距信号，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，红色指示灯亮起且蜂鸣器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心。
[0021]
本发明的有益效果如下：该装置增加了温湿度传感器，利用温湿度传感器监测应变片工作环境的温度和湿度并上传至单片机，单片机在基准温湿度的基础上计算出当前温湿度条件下的实际形变值，达到纠偏的目的；同时，该装置具有多个数据传输接口，这些接口可远程控制其打开以获取某个监测点的形变值或关闭以节省设备的耗电量来延长设备的工作时长，在建筑构件形变量超过设定值时发出声、光警报并向控制中心发出预警信息，其设置了多个usb数据接口，这些接口可根据现场需要进行功能拓展；此外，该装置还可在单片机发热量过大或环境湿度过大时进行吹风，将热量吹出设备外且利用流动的风干燥设备内环境，防止电子元件温、湿度过高而损坏；该装置还兼具图像采集功能，能够将建筑物或者墙梁底部拍摄的图像远程传输至控制中心，以便于控制中心实时掌握建筑构件的工作状态，同时其还可对桥梁下通行的超高车辆进行报警，防止超高车辆的顶部对桥梁底部撞击而造成建筑构件的破坏。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1是建筑构件表面形变监测装置的整体结构示意图；
[0024]
图2是建筑构件表面形变监测装置的组成结构示意图；
[0025]
图3是控制电路板的结构示意图；
[0026]
图4是控制电路板的结构框图。
[0027]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0028]
1-多通道信号转换监测器，2-形变量采集接口，3-电阻式应变片，4-usb驱动接口，5-百叶式通风口，6-显示屏，7-按键，8-状态指示灯，9-摄像头，10-超声测距模块，11-封装盒，12-控制面板，13-控制电路板，14-蓄电池，15-风扇，16-mcu单片机，17-电量检测模块，18-电源模块，19-usb充电模块，20-dc充电模块，21-充电自动切断模块，22-第一开关模块，23-模数转换模块，24-信号放大模块，25-接线端子，26-第二开关模块，27-usb接头，28-继电器，29-温湿度检测模块，30-图像处理模块，31-红色指示灯，32-绿色指示灯，33-蜂鸣器，34-通讯模块。
具体实施方式
[0029]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
如图1所示，建筑构件表面形变监测装置，包括多通道信号转换监测器1和电阻式应变片3，所述电阻式应变片的一端插接于多通道信号转换监测器上，所述多通道信号转换监测器包括壳体，所述壳体的控制面板上固定有显示屏6，显示屏的下方设置有状态指示灯8，状态指示灯的下方设置有按键7，显示屏的上方固定有摄像头9和超声测距模块10，所述壳体的一个侧面上设置有若干个形变量采集接口2，壳体的左侧面上设置有dc充电接口和usb充电接口，壳体的右侧面上设置有usb驱动接口4和百叶式通风口5，所述壳体内固定有控制电路板13，所述显示屏、状态指示灯、按键、摄像头、超声测距模块、形变量采集端口、dc充电接口、usb充电接口和usb驱动接口均与控制电路板连接。
[0031]
如图2所示，所述壳体1包括控制面板12和封装盒11，控制面板12固定于封装盒11顶部，封装盒中封装有蓄电池14和控制电路板13，所述蓄电池与控制电路板连接，封装盒的底部一侧固定有风扇15，所述风扇15与控制电路板13连接。
[0032]
如图3-4，所述控制电路板13上固定有mcu单片机16、电量检测模块17、电源模块18、充电自动切断模块21、继电器28、usb充电模块19、dc充电模块20、若干组形变量数据采集单元、若干组usb驱动单元、温湿度检测模块29、状态指示灯8、图像处理模块30、蜂鸣器33和通讯模块34，所述电量检测模块、电源模块、充电自动切断模块、继电器、若干组形变量数据采集单元、若干组usb驱动单元、温湿度检测模块、状态指示灯、图像处理模块、蜂鸣器、通讯模块、显示屏、按键和超声测距模块均与mcu单片机连接，所述dc充电模块和usb充电模块均与充电自动切断模块连接，本装置可通过dc充电模块和usb充电模块对蓄电池进行充电，在充满电后，充电自动切断模块将自动断开充电电路，防止蓄电池过饱和而损坏，多种充电方式可满足不同安装环境下的充电需要；所述摄像头与图像处理模块连接，所述风扇与继电器连接，所述蓄电池分别与电量检测模块和电源模块连接。
[0033]
所述形变量数据采集单元包括第一开关模块22、模数转换模块23、信号放大模块24和接线端子25，接线端子固定于形变量采集端口中，接线端子与信号放大模块连接，信号放大模块与模数转换模块连接，模数转换模块与第一开关模块连接，第一开关模块与mcu单片机连接，所述usb驱动单元包括第二开关模块26和usb接头27，usb接头固定于usb驱动接口中，usb驱动接头通过第二开关模块与mcu单片机连接。
[0034]
本实施例中，通讯模块选用lora无线通信模块。
[0035]
同时，本发明还公开了建筑构件表面形变监测装置的监测方法，包括以下步骤：
[0036]
s1、获取形变量初始模拟电信号；
[0037]
s2、对初始模拟电信号进行电路放大；
[0038]
s3、放大后的模拟电信号进行模数转换获取数字信号；
[0039]
s4、mcu单片机对数字信号进行温湿度漂移校正，校正公式如下：
[0040][0041]
式中，l为建筑构件的形变量，α1和α2分别为温度影响因子和湿度影响因子；
[0042]
s5、mcu将校正后的形变量与设定值进行比较，形变量与设定值之间的差值百分比超过允许值时，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，红色指示灯亮起且蜂鸣
器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心；
[0043]
s6、超声测距模块发出测距超声波并接收反射的超声波超声测距模块在移动物遮挡时向mcu单片机输出新的测距信号，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，红色指示灯亮起且蜂鸣器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心。
[0044]
本实施例中，mcu单片机16选用stm32系列单片机；电量检测模块选用ltc2943芯片；电源模块选用ams1117-3.3v电源芯片；充电自动切断模块选用qf5333型蓄电池充放电控制芯片；继电器选用g5v-1型微型继电器；第一开关模块和第二开关模块均选用ao3401型5v开关电路芯片；温湿度检测模块选用htu20d型温湿度检测模块；图像处理模块选用mdin241型图像处理芯片。
[0045]
本装置的一个具体的应用为：将电阻式应变片3粘贴在建筑构件的监测点，然后将电阻式应变片3的另一端插接至多通道信号转换监测器的接线端子上，按下电源开关按键，通过按键设定建筑构件形变量的设定值，将多通道信号转换监测器固定于桥体底面一侧的墙体上，此时多通道信号转换监测器进入工作模式。
[0046]
电阻式应变片3在桥体底面上产生形变时，其电阻值发生变化，电阻式应变片输出的电压将发生变化，从而将形变量转换成模拟电信号，由于此时模拟电信号的信号强度较弱，需要采用信号放大模块24对模拟电信号进行增强放大，经过增益的模拟电信号经过模数转换模块进行模数转换成数字信号，数字信号传输至mcu单片机中；而温湿度监测模块将监测当前作业环境的温度和湿度，由于电子式应变片采集的形变量数据会受到温度和湿度的影响，因此需要对温湿度漂移进行校正以获取真实的形变量数据，而mcu单片机对采集的形变量进行校正的公式如下：
[0047][0048]
式中，l为建筑构件的形变量，l1为采集的形变量值，α1和α2分别为温度影响因子和湿度影响因子，分别取值为0.9和0.1,t和h分别为当前环境的温度和湿度，m1为第一温度基准点的形变量，m2为第二温度基准点的形变量，n1为第一湿度基准点的形变量，n2为第二湿度基准点的形变量。
[0049]
mcu单片机对采集的形变量进行温湿度校正后与设定的形变量值进行比较，形变量与设定值之间的差值百分比超过允许值时，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，状态指示灯将显示红色且蜂鸣器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心，以便工作人员及时对建筑物进行维修和加固。同时，超声测距模块发出测距超声波并接收反射的超声波超声测距模块在移动物遮挡时向mcu单片机输出新的测距信号，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，红色指示灯将显示红色且蜂鸣器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心，便于工作人员进行维护和加固作业。
[0050]
当多通道信号转换监测器的工作环境的温度和湿度过高时，为了防止控制电路板
的损坏，mcu将输出降温将潮指令至继电器，继电器将接通风扇的供电回路，此时风扇15将转动并吹风，在吹风过程中，壳体内的高温、高湿度空气将被吹出壳体外部，在风力流动过程中可对mcu单片机进行降温并对壳体内进行降潮，防止电子元件发生损坏。
[0051]
此外，控制中心还可发出无线指令以控制若干组形变量数据采集单元和若干组usb驱动单元中某个形变量数据采集单元和某个usb驱动单元的打开和关闭，可通过打开的形变量数据采集单元获取某个监测点的形变数据量，并通过打开的usb驱动单元驱动其连接的外部拓展设备；本装置还可通过关闭某个形变量数据采集单元和某个usb驱动单元来达到节约电能、延伸设备工作时长的目的；在控制中心发出打开某个形变量数据采集单元和usb驱动单元的无线指令后，通信模块将接收该指令并传输至mcu单片机，mcu单片机将分别通过第一开关模块和第二开关模块打开某个形变量数据采集单元和usb驱动单元，同理也可通过第一开关模块和第二开关模块关闭某个形变量数据采集单元和usb驱动单元。
[0052]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

技术特征：
1.建筑构件表面形变监测装置，包括多通道信号转换监测器和电阻式应变片，所述电阻式应变片的一端插接于多通道信号转换监测器上，所述多通道信号转换监测器包括壳体，所述壳体的控制面板上固定有显示屏，显示屏的下方设置有状态指示灯，状态指示灯的下方设置有按键，显示屏的上方固定有摄像头和超声测距模块，其特征在于，所述壳体的一个侧面上设置有若干个形变量采集接口，壳体的左侧面上设置有dc充电接口和usb充电接口，壳体的右侧面上设置有usb驱动接口和百叶式通风口，所述壳体内固定有控制电路板，所述显示屏、状态指示灯、按键、摄像头、超声测距模块、形变量采集端口、dc充电接口、usb充电接口和usb驱动接口均与控制电路板连接。2.根据权利要求1所述的建筑构件表面形变监测装置，其特征在于，所述壳体包括控制面板和封装盒，控制面板固定于封装盒顶部，封装盒中封装有蓄电池和控制电路板，所述蓄电池与控制电路板连接，封装盒的底部一侧固定有风扇，所述风扇与控制电路板连接。3.根据权利要求2所述的建筑构件表面形变监测装置，其特征在于，所述控制电路板上固定有mcu单片机、电量检测模块、电源模块、充电自动切断模块、继电器、usb充电模块、dc充电模块、若干组形变量数据采集单元、若干组usb驱动单元、温湿度检测模块、状态指示灯、图像处理模块、蜂鸣器和通讯模块，所述电量检测模块、电源模块、充电自动切断模块、继电器、若干组形变量数据采集单元、若干组usb驱动单元、温湿度检测模块、状态指示灯、图像处理模块、蜂鸣器、通讯模块、显示屏、按键和超声测距模块均与mcu单片机连接，所述dc充电模块和usb充电模块均与充电自动切断模块连接，所述摄像头与图像处理模块连接，所述风扇与继电器连接，所述蓄电池分别与电量检测模块和电源模块连接。4.根据权利要求3所述的建筑构件表面形变监测装置，其特征在于，所述形变量数据采集单元包括第一开关模块、模数转换模块、信号放大模块和接线端子，接线端子固定于形变量采集端口中，接线端子与信号放大模块连接，信号放大模块与模数转换模块连接，模数转换模块与第一开关模块连接，第一开关模块与mcu单片机连接，所述usb驱动单元包括第二开关模块和usb接头，usb接头固定于usb驱动接口中，usb驱动接头通过第二开关模块与mcu单片机连接。5.根据权利要求3所述的建筑构件表面形变监测装置，其特征在于，所述通讯模块支持2g/3g/4g/5g/zigbee/wifi/蓝牙/lora中的一种通信协议。6.一种根据权利要求1所述的建筑构件表面形变监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、获取形变量初始模拟电信号；s2、对初始模拟电信号进行电路放大；s3、放大后的模拟电信号进行模数转换获取数字信号；s4、mcu单片机对数字信号进行温湿度漂移校正，校正公式如下：式中，l为建筑构件的形变量，α1和α2分别为温度影响因子和湿度影响因子；s5、mcu将校正后的形变量与设定值进行比较，形变量与设定值之间的差值百分比超过允许值时，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，红色指示灯亮起且蜂鸣器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机
在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心；s6、超声测距模块发出测距超声波并接收反射的超声波超声测距模块在移动物遮挡时向mcu单片机输出新的测距信号，mcu单片机将输出mcu单片机将输出声、光预警指令，红色指示灯亮起且蜂鸣器发出警报声，mcu单片机将输出摄像头调用指令以获取建筑构件的工作状态图片，mcu单片机在获取图片后将将预警信息和图片一同无线传输至控制中心。

技术总结
本发明公开了建筑构件表面形变监测装置及监测方法，包括多通道信号转换监测器和电阻式应变片，电阻式应变片的插接于多通道信号转换监测器上，多通道信号转换监测器的壳体上固定有显示屏、状态指示灯、按键、摄像头和超声测距模块，壳体的侧面上设置有若干个形变量采集接口，壳体的左侧面上设置有DC充电接口和USB充电接口，壳体的右侧面上设置有USB驱动接口和百叶式通风口，壳体内固定有控制电路板，显示屏、状态指示灯、按键、摄像头、超声测距模块、形变量采集端口、DC充电接口、USB充电接口和USB驱动接口均与控制电路板连接。该装置增加了温湿度传感器，单片机在基准温湿度的基础上计算出当前温湿度条件下的实际形变值，达到纠偏的目的。偏的目的。偏的目的。


技术研发人员：兰树伟
受保护的技术使用者：昆明学院
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/14