基于WIFI的無(wú)線橋梁應(yīng)變采集系統(tǒng)

岳鵬程，周曉旭，郭曉澎

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

應(yīng)變是表征橋梁工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要指標(biāo)，結(jié)構(gòu)應(yīng)變過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋與損傷，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)產(chǎn)生斷裂甚至結(jié)構(gòu)破壞。因此，橋梁運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)對(duì)保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義[1-2]。

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)多采用有線聯(lián)結(jié)方式，施工周期長(zhǎng)、測(cè)試效率低，對(duì)人力、物力、財(cái)力的消耗極大，此外還存在操作過(guò)程繁瑣以及容易接錯(cuò)線等諸多缺陷[3]。有線的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越不能滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的需求，開(kāi)發(fā)一個(gè)可靠性好、準(zhǔn)確性高、兼容性好、適于遠(yuǎn)距離對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)十分必要。

對(duì)比分析幾種常用的無(wú)線通信方案，見(jiàn)表1。

表1 幾種常用的無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比分析

可以看出WIFI無(wú)線通信技術(shù)具有傳輸效率高、覆蓋范圍廣、可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、組網(wǎng)方便、成本低等綜合優(yōu)勢(shì)，能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線通信的要求[4-6]。

1 橋梁無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)概況

橋梁無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)是一套專門(mén)針對(duì)橋梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)與分析的系統(tǒng)，圖1為無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)主要由應(yīng)變采集電路、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)應(yīng)變采集軟件組成。應(yīng)變采集電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變從物理信號(hào)到模擬電壓信號(hào)再到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要由惠斯通電橋電路、信號(hào)調(diào)理電路以及最小單片機(jī)系統(tǒng)組成；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，組網(wǎng)方案如圖2，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變采集設(shè)備中集成了WIFI模塊，經(jīng)由路由器轉(zhuǎn)發(fā)完成與上位機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信；上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)控制指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收以及對(duì)接收數(shù)據(jù)的處理、顯示、分析和報(bào)表等功能。

圖2 無(wú)線通信配置及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)變采集電路關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

應(yīng)變采集電路主要由應(yīng)變橋式電路、信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、WIFI無(wú)線通信模塊和供電模塊組成[7]，其組成框圖如圖3。

圖3 無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成框圖

2.1 應(yīng)變橋式電路設(shè)計(jì)

由于電橋線性好、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償[8]，系統(tǒng)采用惠斯通電橋電路作為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，把監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

但是，如圖4所示，實(shí)際橋梁應(yīng)變測(cè)量中應(yīng)變片在橋上的貼片位置與設(shè)備的放置位置至少有10 m的距離，即電橋電路中連接應(yīng)變片的橋臂除應(yīng)變片阻值外還會(huì)接入10 m導(dǎo)線的線阻，約為0.4 Ω，會(huì)引起0.33%的測(cè)量誤差。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的惠斯通電橋電路如圖5，應(yīng)用負(fù)反饋的方法，將橋路輸出正端CH_+IN與運(yùn)算放大器LM301的CH_+S相連構(gòu)成電壓跟隨器，有效消除了橋路導(dǎo)線電阻引起的壓降，提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖4 設(shè)備在橋面上布置的示意圖

此外，橋梁應(yīng)變檢測(cè)中惠斯通電橋輸出電壓僅為mV級(jí)，因此需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前先將電橋電路的輸出電壓進(jìn)行放大，達(dá)到V級(jí)，以提高系統(tǒng)測(cè)量精度[9]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將電橋的輸出電壓輸入到運(yùn)算放大器INA118，放大100倍后輸出到單片機(jī)的A/D采集通道。

圖5 惠斯通電橋電路

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

應(yīng)變采集裝置的單片機(jī)系統(tǒng)是以ADI公司的高性能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)ADuC845芯片為核心的，該芯片集成了AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、閃存和可編程微控制器，其24位的高分辨率和Δ-∑轉(zhuǎn)換技術(shù)保證了數(shù)據(jù)采集的精度[10]。

2.3 WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線應(yīng)變采集裝置中集成了WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信功能。圖6為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電路，由于單片機(jī)與WIFI模塊的電平不一致，需要通過(guò)TXB0104D實(shí)現(xiàn)5 V到3.3 V電平轉(zhuǎn)化才能保證正常通訊。

3 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

基于山西省交通科學(xué)研究院橋梁所的等截面純彎曲梁試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)比分析以有線方式傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)變儀和以無(wú)線通信方式傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。

3.1 標(biāo)定無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)

在對(duì)比試驗(yàn)之前首先采用電標(biāo)定的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。使用分辨率為1με、量程范圍0～100000με的LANCE MEASUREMENTTECHNOLOGIES CO.LTD公司的LC1501標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，用這種電信號(hào)模擬標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變信號(hào)，在保證實(shí)驗(yàn)室溫度恒定的前提下，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變儀的輸入應(yīng)變值，涵蓋了不同數(shù)量級(jí)，不同精度變化的應(yīng)變輸入，記錄系統(tǒng)輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)。無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果如圖7。

圖6 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電路

圖7 無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

從圖7中可以看出，系統(tǒng)輸出曲線線性好，與標(biāo)準(zhǔn)輸出曲線y=x幾乎重合，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)輸出曲線擬合函數(shù)的斜率為0.99221，與標(biāo)準(zhǔn)輸出曲線斜率1的誤差僅為0.779%，可見(jiàn)標(biāo)定后的無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)的輸出結(jié)果與輸入的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變數(shù)值相一致，測(cè)量準(zhǔn)確。

3.2 對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試分析

對(duì)比試驗(yàn)基于山西省交通科學(xué)研究院橋梁所的等截面純彎曲梁試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置示意圖如圖8a，梁的靜態(tài)加載通過(guò)架梁和液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)等截面純彎梁的尺寸及應(yīng)變片貼片位置如圖8b，3號(hào)、4號(hào)應(yīng)變片貼于梁的跨中位置，且3號(hào)應(yīng)變片靠近梁的上頂面，1號(hào)、2號(hào)應(yīng)變片粘貼位置距離梁的跨中靠左側(cè)位置處，且1號(hào)應(yīng)變片靠近梁的上頂面。選用東京測(cè)器的TDS-530高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀作為有線試驗(yàn)對(duì)比對(duì)象，其最高分辨率可達(dá)到0.1με，較自行開(kāi)發(fā)的無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

試驗(yàn)時(shí)，采用單點(diǎn)跨中集中加載，載荷分6級(jí)單次逐級(jí)遞加，分別為 15 kN、30 kN、45 kN、60 kN、75 kN、90 kN，分別記錄每片應(yīng)變片TDS-530有線測(cè)試設(shè)備和無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變輸出，兩臺(tái)設(shè)備輸出比較結(jié)果和誤差分析見(jiàn)表2。

圖8 等截面純彎曲梁試驗(yàn)系統(tǒng)（單位：mm）

表2 試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測(cè)應(yīng)變和誤差

由表2數(shù)據(jù)分析后得知，無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)的測(cè)量值和有線儀器的測(cè)量值非常接近，兩者相對(duì)誤差最大為9.38%，最小為0.67%，滿足橋梁靜態(tài)載荷誤差小于10%[11]的要求。根據(jù)材料力學(xué)理論推導(dǎo)

由公式（1）可以看出當(dāng)?shù)冉孛婕儚澢撼叽?、材料、載荷加載位置和貼片位置一定時(shí)，應(yīng)變?chǔ)攀顷P(guān)于載荷F的一元一次函數(shù)。4片應(yīng)變片的試驗(yàn)曲線如圖9可以看出測(cè)試結(jié)果線性好，且梁的同一橫截面處斜率近似相等，各曲線擬合函數(shù)斜率見(jiàn)表3，即1號(hào)應(yīng)變片和2號(hào)應(yīng)變片試驗(yàn)曲線平行、3號(hào)應(yīng)變片和4號(hào)應(yīng)變片試驗(yàn)曲線平行，與理論推導(dǎo)結(jié)果相一致，認(rèn)為系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，測(cè)試準(zhǔn)確。

圖94片應(yīng)變片的試驗(yàn)對(duì)比曲線

表34片應(yīng)變片擬合曲線斜率

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變的遠(yuǎn)程采集和無(wú)線通信，且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析，可知系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。系統(tǒng)具有測(cè)試效率高、采集控制靈活方便、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是解決現(xiàn)有大型橋梁工程檢測(cè)中布線及數(shù)據(jù)處理困難的有效途徑，且連續(xù)采集功能能夠?yàn)闃蛄航】翟u(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)支持，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。該系統(tǒng)亦可應(yīng)用于其他工程領(lǐng)域的應(yīng)變測(cè)量，應(yīng)用前景廣闊。