基于振弦傳感器的應(yīng)變無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 霏，顏運(yùn)強(qiáng)，張 誼

(中國(guó)工程物理研究院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng)621900)

0 引 言

振弦式傳感器輸出的信號(hào)是頻率，具有抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)［1］。振弦式傳感器的這些優(yōu)點(diǎn)非常適合在大壩、橋梁等工作環(huán)境惡劣而且技術(shù)要求又高的工程技術(shù)領(lǐng)域，以監(jiān)測(cè)巖土所受的應(yīng)力和形變。應(yīng)變測(cè)量作為土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的重要組成部分，無(wú)論是在工程建設(shè)期，還是在工程使用期都需要對(duì)工程進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)［2］。現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)大多為采用有導(dǎo)線、現(xiàn)場(chǎng)供電和值守的測(cè)量手段［3］。隨著土木工程結(jié)構(gòu)建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大，建設(shè)和使用周期越來(lái)越長(zhǎng)，傳統(tǒng)的測(cè)量方式的弊端越來(lái)越明顯:布設(shè)的傳感器越來(lái)越多，有線電纜用量劇增，布置和撤離有線電纜工作量大;由于工程的巨大，很多地方人員很難觸及。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)取消了冗長(zhǎng)的導(dǎo)線，大大地提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性;采用太陽(yáng)能供電，不需要現(xiàn)場(chǎng)取點(diǎn)或者頻繁的更換蓄電池;采用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)值守。因此，本系統(tǒng)的研發(fā)，使得對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和全天候無(wú)人值守監(jiān)測(cè)成為可能，這必將給大型結(jié)構(gòu)的施工控制和已建成土木工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)帶來(lái)新的生命力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

振弦式應(yīng)變無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)主要應(yīng)用于土木工程(如鐵路、橋梁等)的應(yīng)變測(cè)量，當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，振弦長(zhǎng)度因?yàn)闊崦浝淇s發(fā)生變化，從而傳感器的輸出發(fā)生變化，因此，需用溫度對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正［4，5］;本系統(tǒng)共有16 個(gè)應(yīng)變和溫度測(cè)量通道，可以同時(shí)對(duì)16 個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。該系統(tǒng)是集成GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、太陽(yáng)供電系統(tǒng)和大容量NANDflash 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了振弦式應(yīng)變測(cè)量所需的全部功能:高精度橋路激勵(lì)源、信號(hào)放大、濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，并且所有參數(shù)均可通過(guò)軟件進(jìn)行無(wú)線設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)測(cè)量。圖1 是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)示意圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)Fig 1 Overall design of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)測(cè)量終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端構(gòu)成。數(shù)據(jù)測(cè)量終端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)及發(fā)送，其主要由傳感器激振驅(qū)動(dòng)電路、拾振電路，GPRS 通信模塊電路、NAND flash 存儲(chǔ)模塊、太陽(yáng)能充電控制電路、MCU 電路等組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端主要由GPRS 通信模塊組成，相當(dāng)于一個(gè)主控制點(diǎn)，它通過(guò)地址來(lái)識(shí)別各個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量終端，給各個(gè)測(cè)量終端發(fā)送控制命令并從測(cè)量終端回收數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)測(cè)量終端的管理和控制。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of hardware circuit

2.1 傳感器激振驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)殡姶啪€圈電阻很小，流過(guò)線圈的電流能達(dá)到200～400 mA，STM32 的I/O 口不能承受，所以，選擇P-MOS(AO3401)來(lái)驅(qū)動(dòng)，其電路圖如圖3 所示。圖3 中，JZ-Contro0是單片機(jī)的一個(gè)GPIO 口，這個(gè)GPIO 口控制MOS 管DS 的截止和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)，MOS 管D 端輸出一個(gè)高電平，截止時(shí)，MOS 管D 端輸出一個(gè)低電平輸。這樣，通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通截止的頻率，就可以得到一個(gè)方波去激勵(lì)振弦傳感器。

2.2 拾振電路

由于振弦式傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)非常微弱，一般情況下輸出信號(hào)的幅度在300 μV ～1 mV 之間，所有需要通過(guò)調(diào)理后才能被STM32 的I/O 口捕獲。圖4 是拾振電路原理圖，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)儀表放大器AD8231 的放大后，用一個(gè)運(yùn)放組成的二階有源低通濾波電路對(duì)其進(jìn)行低通濾波以去除其高頻雜波，濾波通過(guò)運(yùn)放組成的二級(jí)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大，二級(jí)放大后對(duì)其進(jìn)行二次濾波，最后通過(guò)遲滯比較器把傳感器輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，并將這個(gè)方波信號(hào)通過(guò)一個(gè)多路開(kāi)關(guān)送入STM32 的定時(shí)器獲得陣弦的固有頻率。

圖3 激振驅(qū)動(dòng)電路Fig 3 Excitation drive circuit

圖4 拾振電路原理圖Fig 5 Principle diagram of vibration picking circuit

2.3 太陽(yáng)能充電管理電路

因?yàn)橄到y(tǒng)需要全天候不間斷監(jiān)測(cè)，所以，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能結(jié)合可充電鋰電池的供電方案。如圖5 所示，太陽(yáng)能面板將供電給充電管理電路，充電管理電路再給鋰電池充電。該充電管理電路是一個(gè)基于UC2843 的Boost 變換電路，UC2843 是一個(gè)單端輸出型的PWM 控制集成電路［6］，只需要在其外圍配置很少的元器件，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效率的Boost 變換器。

圖5 充電管理原理圖Fig 5 Principle diagram of charging management

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

在系統(tǒng)工作中，每個(gè)測(cè)量單元可接16 只傳感器，要存儲(chǔ)振弦傳感器的頻率數(shù)據(jù)和傳感器的溫度信息，本系統(tǒng)要用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，所以，有大量數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在系統(tǒng)的存儲(chǔ)單元中。本系統(tǒng)選擇NANDflash 作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)，其電路如圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要有激振程序、拾振程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和無(wú)線收發(fā)程序等組成。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是激振程序。在本系統(tǒng)中采用間歇反饋激振法，結(jié)合掃頻激振法來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的激振程序。如圖7，間歇反饋激振法，就是先根據(jù)傳感器的固有頻率初始值，設(shè)定第一次掃頻激振的頻率上限fmax1和下限fmin1，第一次激振后，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理并測(cè)量其頻率f1。如果第一次拾得的方波個(gè)數(shù)小于n1，則根據(jù)f1來(lái)設(shè)定第二次掃頻激振的頻率上限fmax2和下限fmin2，然后測(cè)得第二次激振后傳感器的輸出頻率f2。以此類(lèi)推，當(dāng)STM32 拾得的方波個(gè)數(shù)大于等于n1，則停止激振，此時(shí)測(cè)得的傳感器輸出頻率就是傳感器的固有頻率，記錄這個(gè)頻率，用作下次測(cè)量的初始激振頻率。如果掃頻激振n2次后，STM32 拾得的方波個(gè)數(shù)依然小于n1，則報(bào)錯(cuò)。所謂掃頻激振，就是從掃頻頻率下限fmin開(kāi)始，由STM32 的I/O 口輸N 個(gè)脈沖，后增加δf，直到輸出頻率大于等率掃頻上限fmax。由這4 個(gè)參數(shù)決定的掃頻程序框圖如圖8 所示。

圖6 NAND flash 電路圖Fig 6 Circuit diagram of NAND flash

圖7 反饋激振程序流程圖Fig 7 Program flow chart of excitation with feedback

圖8 掃頻激振程序流程圖Fig 8 Program flow chart of frequency sweeping vibration

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的測(cè)試在某長(zhǎng)江大橋下塔柱施工中進(jìn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9 所示。

圖9 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig 9 Diagram of monitoring datas

5 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于很多橋梁的施工監(jiān)測(cè)中，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試數(shù)據(jù)證明:該測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)混凝土應(yīng)變和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，拓展了GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在土木工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，具有較好的使用價(jià)值。

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