索力測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)橋試驗(yàn)

姜建山，梁華鵬，唐光武，向中富

(1.重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

0 引言

拉索是斜拉橋主要承重構(gòu)件之一，其拉力測(cè)試的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到斜拉橋施工控制的順利進(jìn)行和斜拉橋建成投入使用的安全運(yùn)營。目前可初步用于斜拉索的索力測(cè)量的方法主要有:油壓表讀數(shù)法，壓力傳感器法［1－2］，磁通量法［3－6］和振動(dòng)頻率法［7－11］等，也有部分文獻(xiàn)簡(jiǎn)單報(bào)道了三點(diǎn)彎曲法的情況，其應(yīng)用情況非常有限。

振動(dòng)頻率法是指利用附著在拉索上的精密加速度傳感器，采集拉索在環(huán)境激勵(lì)或人工激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大和頻譜分析，再由頻譜圖確定拉索自振頻率，然后根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系確定索力。

前期部分學(xué)者對(duì)索力測(cè)量精度的研究大都集中在抗彎剛度、索長度以及線密度等邊界條件上［12］。若被測(cè)對(duì)象邊界條件完全確定情況下，如何準(zhǔn)確獲得拉索振動(dòng)的基頻，結(jié)合選用性能優(yōu)異的硬件系統(tǒng)，并完成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后提高索力測(cè)量的精度和操作方便性就顯得非常關(guān)鍵。

本文基于振動(dòng)頻率法測(cè)索力的基本原理，推導(dǎo)出索力的實(shí)用計(jì)算公式，根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)法索力測(cè)量的原理設(shè)計(jì)了基于嵌入式的索力測(cè)量系統(tǒng)，完成系統(tǒng)硬件總體方案研制和總體軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決頻譜分析軟件，鍵盤控制模塊，上位機(jī)顯示等軟件模塊及索力測(cè)量試驗(yàn)等相關(guān)問題。針對(duì)重慶大佛寺長江大橋，完成了索力測(cè)量的效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1 頻率法測(cè)索力理論推導(dǎo)

在考慮如下基本假定情況下:

(1)斜拉索的垂跨比足夠小，拉索只受拉，不受壓;

(2)只考慮索的平面內(nèi)振動(dòng)，并且索的縱向振動(dòng)遠(yuǎn)小于索的橫向振動(dòng);

(3)索的靜力初始構(gòu)形為拋物線。

根據(jù)弦振動(dòng)理論，在考慮抗彎剛度情況下，水平張緊索的自由振動(dòng)方程如式(1)所示。

式中:x為沿索長方向的坐標(biāo);v(x，t)為t時(shí)刻拉索上各點(diǎn)的豎向位移;EI為索的抗彎剛度;T為拉索索力;m為拉索的線密度。

考慮當(dāng)拉索兩端為鉸支時(shí)，由公式(1)推導(dǎo)可得拉索平面內(nèi)振動(dòng)頻率和索張力之間關(guān)系可如式(2)表示:

式中:n為拉索自振頻率的階數(shù);fn為拉索的第n階頻率;L為拉索的計(jì)算索長。

本文所研制的索力測(cè)量系統(tǒng)既用在索力實(shí)驗(yàn)又將用于實(shí)際橋梁的索力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。在具體測(cè)試過程中雖然檢測(cè)各階固有振動(dòng)頻率難度較大，尤其是越高階頻率在頻譜圖中越來越不明顯，但是本文研究的索力測(cè)量系統(tǒng)除了需選用高性能的硬件平臺(tái)，還需要完成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并采取自動(dòng)識(shí)別基頻的算法最后推算出索力大小，并爭(zhēng)取在實(shí)際中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)總設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的索力測(cè)量系統(tǒng)由微處理器單元，加速度傳感模塊、液晶顯示模塊、鍵盤、RAM存儲(chǔ)單元和串行通信接口單元組成。各個(gè)部件和單元的功能描述如下:

(1)精密加速度傳感器獲取拉索振動(dòng)的加速度信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換，送往處理器做處理;

(2)外部RAM是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，以滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能;

(3)單片機(jī)除了用來處理加速度傳感器信號(hào)，并將數(shù)據(jù)輸出到液晶顯示器進(jìn)行顯示。同時(shí)，可通過通訊接口分別將時(shí)域振動(dòng)信號(hào)和頻域信號(hào)送往上位機(jī);

(4)鍵盤控制可以通過人為輸入被測(cè)量對(duì)象的相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)，以便后續(xù)計(jì)算索力;

(5)液晶顯示單元既可顯示鍵盤操作的關(guān)鍵狀態(tài)，又可顯示計(jì)算出的索力大小;

(6)計(jì)算機(jī)顯示終端可顯示出振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)曲線和幅頻曲線，也可計(jì)算索力大小。

2.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件部分包含單片機(jī)相關(guān)處理軟件和上位機(jī)軟件兩大關(guān)鍵部分，其中單片機(jī)處理軟件包含IIC串行總線數(shù)據(jù)采集，頻譜分析軟件模塊，鍵盤控制及LCD顯示模塊等。其中上位機(jī)軟件包含通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，MFC界面設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件具體實(shí)現(xiàn)，圖1為振頻率法測(cè)索力流程。

圖1 振動(dòng)頻率法測(cè)索力流程

2.2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序主要由IIC串行總線模塊、FFT程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、液晶顯示模塊組成。

程序先將加速度傳感器采集的信號(hào)通過IIC串行總線傳給單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)將其傳到上位機(jī)作為時(shí)域信號(hào)，然后單片機(jī)將加速度值作FFT后求其幅值，并將幅度值做

一些濾波處理后傳給上位機(jī)用作頻域信號(hào)，也可通過鍵盤掃描輸入拉索參數(shù)，送液晶顯示后計(jì)算拉索的索力大小。

2.2.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)利用VC++6.0軟件自帶的通信控件Mscomm接收到單片機(jī)實(shí)時(shí)傳來的時(shí)域和頻域信號(hào)，之前需完成MFC界面設(shè)計(jì)和對(duì)Mscomm控件進(jìn)行屬性設(shè)置和事件響應(yīng)函數(shù)的程序編寫，然后通過插入的畫圖控件Teechart畫出接收到的時(shí)域和頻域曲線，然后軟件掃描頻域曲線，輸入拉索參數(shù)后自動(dòng)計(jì)算出索力。圖2為上位機(jī)程序框圖。

圖2 上位機(jī)程序框圖

3 系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)相關(guān)處理軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1.1 利用IIC串行總線的數(shù)據(jù)采集軟件

IIC(Inter－Integrated Circuit)總線是一種串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。IIC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。由于接口直接在組件之上，因此IIC總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。IIC總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主機(jī)，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主機(jī)。

系統(tǒng)中單片機(jī)(主機(jī))只需要從加速傳感器(從機(jī))讀取數(shù)據(jù)，不需向傳感器寫入數(shù)據(jù)，程序的關(guān)鍵之處在于要根據(jù)IIC協(xié)議嚴(yán)格的控制時(shí)序，對(duì)時(shí)序要求很高。

3.1.2 頻譜分析軟件模塊

頻譜分析模塊核心是FFT(Fast Fourier Transformation)，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。

本文設(shè)計(jì)FFT程序采用的是輸入倒位序、輸出自然順序。程序包括變址算法和L級(jí)遞推計(jì)算兩大部分，變址采用雷德倒序算法。

3.1.3 鍵盤控制及LCD顯示

系統(tǒng)通過按鍵來對(duì)液晶的顯示進(jìn)行控制，主要控制參數(shù)的輸入和其它一些相關(guān)的操作。圖3為所設(shè)計(jì)的按鍵功能流程圖。圖4為液晶顯示模塊LCD1602程序流程圖。

3.2 上位機(jī)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面分析可知，上位機(jī)軟件部分包含通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，MFC界面設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件具體實(shí)現(xiàn)，其中當(dāng)然首先必須解決好上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信協(xié)議問題。

3.2.1 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須解決好兩個(gè)方面的問題:一是可靠性，二是速度。這兩方面的問題，可靠性是第一位的，速度是在可靠的基礎(chǔ)上的速度?？煽靠焖俎D(zhuǎn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，需要PC－單片機(jī)軟件以及通信協(xié)議等各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠和其間的相互配合。

3.2.2 MFC 界面設(shè)計(jì)

圖3 按鍵功能流程圖

圖4 LCD1602程序流程圖

上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境為Visual C++6.0，使用VC語言編寫基于對(duì)話框的MFC應(yīng)用程序，主要用到兩個(gè)控件，一個(gè)是軟件自帶的通信控件Mscomm，另一個(gè)是認(rèn)為插入的畫圖控件Teechart8。上位機(jī)軟件的主要功能是接受從串口傳來的時(shí)域和頻域信號(hào)，并將其分別畫成曲線，然后自動(dòng)掃描頻域幅值，算出基頻，手動(dòng)輸入拉索參數(shù)后計(jì)算出索力大小。MFC設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

3.2.3 PC上位機(jī)軟件具體實(shí)現(xiàn)

在窗口載入時(shí)，首先在初始化函數(shù)中對(duì)各個(gè)控件進(jìn)行初始化，兩個(gè)下拉式組合框的作用是選擇串口的通信端口和通信波特率，兩個(gè)TeeChart8控件分別繪出接受到的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)，成為時(shí)域曲線和幅頻曲線，繪圖完畢后，用戶可在參數(shù)設(shè)置編輯框中輸入所測(cè)拉索的參數(shù)，然后點(diǎn)擊計(jì)算索力按鈕，程序自動(dòng)掃描幅頻曲線，根據(jù)公式計(jì)算出索力大小并輸出。

串口通信時(shí)，當(dāng)接收緩沖區(qū)收到每一個(gè)字符時(shí)都會(huì)使Mscomm控件產(chǎn)生一個(gè)串口中斷，并調(diào)用函數(shù) OnCommMscomm1()用來處理中斷事件，在中段處理函數(shù)中，首先確定緩沖區(qū)有字符，然后讀出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，然后調(diào)用Teechart控件中的AddXY()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)繪成曲線。

圖5 MFC設(shè)計(jì)界面

4 實(shí)橋索力測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 測(cè)前系統(tǒng)自我檢測(cè)

本次系統(tǒng)測(cè)試前，先讓傳感器模塊做類似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，然后觀察上位機(jī)畫出的時(shí)域曲線是否類似于正弦波，這可用來檢測(cè)系統(tǒng)是否連接正確和正常工作。圖6為傳感器作類似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，上位機(jī)對(duì)從串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制的時(shí)域曲線和頻域曲線。從圖可以看出時(shí)域曲線接近于正弦波，這說明系統(tǒng)連接正確，頻域曲線中可明顯看到有3個(gè)波峰，第一個(gè)波峰所對(duì)應(yīng)的頻率是一階振動(dòng)頻率，即基頻，第二個(gè)和第三個(gè)分別是二階和三階振動(dòng)頻率，更高階的振動(dòng)頻率也存在，不過由于幅值比較小，曲線幾乎沒有顯示。

圖6 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果圖

4.2 測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試對(duì)象是重慶大佛寺長江大橋南跨橋第五、六根拉索。重慶大佛寺長江大橋南跨橋第五、六根拉索的振頻法索力檢測(cè)結(jié)果圖分別如圖7、圖8所示。從幅頻特性曲線可以清楚地看到有2個(gè)波峰，第一個(gè)波峰所對(duì)應(yīng)的頻率就是系統(tǒng)需要的基頻，兩個(gè)波峰的間距與基頻基本相同，通過程序掃描可得出此基頻，并根據(jù)此頻率和用戶輸入的參數(shù)計(jì)算得出索力大小。

分析發(fā)現(xiàn)第五根拉索時(shí)域和頻域曲線檢測(cè)的曲線與第六根有些類似之處，但而第六根拉索幅頻曲線并不規(guī)則。在幅頻曲線中均出現(xiàn)了部分奇點(diǎn)，但這并不影響對(duì)采集的信號(hào)作FFT的結(jié)果。

圖7 第五根拉索測(cè)試結(jié)果圖

圖8 第六根拉索測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文從索力測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)角度出發(fā)，就索力測(cè)試的相關(guān)問題做了較深入分析，得出如下結(jié)論:

(1)根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)法索力測(cè)量的原理設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的嵌入式索力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用性強(qiáng)、成本低廉、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單;

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可比較精確的拾取振動(dòng)信號(hào)，可以獲得準(zhǔn)確的索振動(dòng)基頻，滿足頻率法測(cè)量索力方式的信號(hào)采集的主要功能。

［1］張戌社，杜彥良，孫寶臣，等.光纖光柵壓力傳感器在斜拉索索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究.鐵道學(xué)報(bào)，2002，24(6):47－49.

［2］陳海清，黃飛.光纖光柵測(cè)力環(huán)及其應(yīng)用.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33(5):58 －60.

［3］姜建山，唐德東，周建庭.橋梁索力測(cè)量方法與發(fā)展趨勢(shì).重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(3):379 －382.

［4］唐德東，黃尚廉，陳偉民，等.旁路勵(lì)磁的磁彈性傳感器研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28(7):1159 －1161.

［5］姜建山，陳偉民，黃尚廉.旁路勵(lì)磁的鋼纜索索力傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(6):1158 －1163.

［6］龍躍，鄧年春，朱萬旭，等.磁通量傳感器及其在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用.預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2007，61(2):3 －6.

［7］陳偉民，姜建山，章鵬，等.鋼纜索索力磁性傳感理論模型與實(shí)驗(yàn)研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31(4):794 －799 .

［8］吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測(cè)量系統(tǒng).中國公路學(xué)報(bào)，2006，19(2):62 －66.

［9］淡丹輝，陳艷陽.阻尼器對(duì)頻率法拉索索力測(cè)量的影響.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2013，33(4):676 －681.

［10］張運(yùn)波，林玉森，高偉，等.部分斜拉橋的索力測(cè)試與分析.橋梁，2005(5):63－65 .

［11］任偉新，陳剛.由基頻計(jì)算拉索拉力的實(shí)用公式.土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(11):26 －31.

［12］KIMA B H，PARK T.Estimation of cable tension force using the frequency—based system identification method.Journal of Sound and Vibration，2007，304:660 －676.