基于無線傳感技術(shù)的橋梁應(yīng)變采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周曉旭，岳鵬程，郭曉澎，楊 瑩

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

橋梁是交通運(yùn)輸中非常重要的環(huán)節(jié)，它使用情況直接影響著與其相關(guān)的交通樞紐的安全運(yùn)行。通常，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)幾十甚至上百年，但在實(shí)際使用過程中受到材料老化、腐蝕、交通運(yùn)輸量變化、凍融損壞等諸多不利因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷積累、承載能力下降、抗力衰減、橋梁耐久性降低，最終可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生[1-2]。

為了確保橋梁的安全運(yùn)營，就需要確定橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，而應(yīng)變是橋梁健康狀態(tài)評(píng)估的重要指標(biāo)[3-4]。當(dāng)前橋梁應(yīng)變檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸方式基本采用有線電纜方式完成，此技術(shù)雖有數(shù)據(jù)傳輸效率高、準(zhǔn)確性高和技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，但在大型橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試中，隨著橋梁跨徑的增加，應(yīng)變采集點(diǎn)數(shù)量隨之增加，將引入大量的有線電纜。有線電纜用量增加，一方面，布置和撤離電纜工作量增大，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試周期長、效率低，甚至可能導(dǎo)致幾千米的有線電纜布線工作量難以實(shí)施；另一方面，應(yīng)變采集點(diǎn)距離調(diào)理和采集設(shè)備較遠(yuǎn)，即使采集設(shè)備有很高的測(cè)試精度，電纜線引入的噪聲也會(huì)影響到測(cè)試的精度；此外，眾多的有線電纜分布復(fù)雜凌亂，容易接錯(cuò)線位，為后期的數(shù)據(jù)處理帶來難以補(bǔ)救的損失等[5]。因此，橋梁無線傳輸數(shù)據(jù)采集技術(shù)越來越多地受到研究人員的關(guān)注，也為橋梁健康監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集方式提供了更優(yōu)選擇[6-7]。

針對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)變采集有線數(shù)據(jù)傳輸方式上的種種不足，結(jié)合當(dāng)前橋梁載荷測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)和橋梁檢測(cè)的用戶需求，根據(jù)惠斯通電橋測(cè)量應(yīng)變的工作機(jī)理，提出了一種基于無線傳感技術(shù)的橋梁應(yīng)變采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案相較傳統(tǒng)的有線檢測(cè)，能夠在保證測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的同時(shí)，能夠快速、方便地完成應(yīng)變的檢測(cè)。

1 無線應(yīng)變采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無線應(yīng)變采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1a和b所示，可實(shí)現(xiàn)無線和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸通訊，即無線數(shù)據(jù)傳輸為主，有線數(shù)據(jù)傳輸為輔（復(fù)用），用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，選用更為適合實(shí)際測(cè)量工況的數(shù)據(jù)傳輸方式。

無線應(yīng)變采集系統(tǒng)由應(yīng)變采集模塊（群）、路由器、現(xiàn)場(chǎng)采集計(jì)算機(jī)組成。其中應(yīng)變采集模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變的信息采集、調(diào)理、通訊功能，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)8路應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，并通過接收發(fā)送模塊與上位機(jī)進(jìn)行無線通訊；無線路由器通過無線方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集計(jì)算機(jī)與應(yīng)變采集模塊數(shù)據(jù)交換；現(xiàn)場(chǎng)采集計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)采集模塊指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行定制化顯示、分析和數(shù)據(jù)報(bào)表。

圖1 無線應(yīng)變采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

2 無線應(yīng)變采集系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 惠斯通電橋應(yīng)變測(cè)量原理[8]

圖2 惠斯通電橋原理圖

設(shè)惠斯通電橋各橋臂電阻分別為 R1、R2、R3、R4；電橋A、C為輸入端，接直流激勵(lì)電源，輸入電壓為Uin，且等于UAC，而B、D為輸出測(cè)量端，輸出電壓為UBD，且等于Uout。根據(jù)電路之間的關(guān)系，有如式（1）數(shù)學(xué)關(guān)系：

如果橋臂電阻分別為 R1、R2、R3、R4，當(dāng)橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，且各自的變化量分別為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4時(shí)，輸出電壓、輸入電壓和電阻變化量之間有如式（2）數(shù)學(xué)關(guān)系：

展開式（2），考慮到ΔR/R值一般很小，忽略ΔR/R二次項(xiàng)，得：

當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，電阻R為高精度的標(biāo)準(zhǔn)電阻，式（3）可簡(jiǎn)化變?yōu)椋?/p>

式（4）分母中含有△R1/R項(xiàng)，且應(yīng)變片的電阻變化率該值遠(yuǎn)小于1，因此，可忽略分母中該項(xiàng)，即可得惠斯通電橋輸入、輸出電壓和電阻變化率的線性關(guān)系：

通常，應(yīng)變采集系統(tǒng)采用電阻式應(yīng)變片阻值的變化來反映被測(cè)物應(yīng)變，且應(yīng)變片遵循電阻變化率與被測(cè)物表面貼片處沿應(yīng)力方向的應(yīng)變呈線性關(guān)系，即：

式中：K靈敏度為應(yīng)變片靈敏度，通常為2；ε為被測(cè)物應(yīng)變值。聯(lián)立公式（5）和公式（6），公式（5）可簡(jiǎn)化為：為無線模式。

公式（7）即為惠斯通電橋測(cè)量應(yīng)變的計(jì)算公式。

2.2 應(yīng)變采集模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)變采集模塊布置于被測(cè)點(diǎn)附近，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁應(yīng)變的測(cè)量以及數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸，按功能大體由應(yīng)變采集電路、電池管理電路、通訊電路3部分組成，其組成框圖如圖3所示。應(yīng)變采集電路由，主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)應(yīng)變的采集，通過惠斯通電橋電路對(duì)電阻式應(yīng)變進(jìn)行電壓采集，經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行線損補(bǔ)償、濾波、穩(wěn)壓、放大等變換為ADuC845能夠采集的電壓，根據(jù)電壓與應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出被測(cè)應(yīng)變值。電池管理電路主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)變采集模塊內(nèi)置鋰電池的充放電管理、電池保護(hù)、電量指示、應(yīng)變采集電路電源等功能。通訊電路主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)變采集模塊與上位機(jī)采集軟件之間的通訊，可以實(shí)現(xiàn)無線（WiFi）與有線（以太網(wǎng)）兩種通訊模式的切換，默認(rèn)

圖3 應(yīng)變采集模塊組成框圖

圖4為應(yīng)變采集電路的具體實(shí)現(xiàn)電路，該電路由運(yùn)算放大器LM301、儀表放大器INA118、調(diào)整電路、橋路切換開關(guān)電路，以及外圍三極管、電容、電阻等構(gòu)成。運(yùn)算放大器LM301構(gòu)成單點(diǎn)補(bǔ)償電路，并與電壓調(diào)整電路配合使用進(jìn)行惠斯通電橋電纜線損補(bǔ)償，使橋路供電電壓與標(biāo)準(zhǔn)橋壓Ubri_ref動(dòng)態(tài)相等；橋路切換開關(guān)電路主要是用于應(yīng)變采集系統(tǒng)惠斯通電橋1/4橋、半橋和全橋的切換；精密儀表放大器INA118芯片及外圍電路用于放大惠斯通電橋輸出電壓，使數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入電壓滿足適合的電壓范圍，本文放大倍數(shù)為100，其中UAD_in為輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片輸入端，UAD_ref為輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓；其中電壓調(diào)整電路和橋路切換開關(guān)電路不是本文所涉及重點(diǎn)，本文不再具體闡述。

圖4 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單通道電路示意圖

圖5為通訊電路示意框圖，該電路實(shí)現(xiàn)主控芯片ADuC845經(jīng)通訊電路、路由器與上位機(jī)采集軟件之間的通訊，一方面可以實(shí)現(xiàn)有線與無線模式切換，另一方面通過網(wǎng)線接入以太網(wǎng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 通訊電路示意框圖

2.3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

應(yīng)變采集模塊與上位機(jī)系統(tǒng)軟件之間要可靠地傳輸數(shù)據(jù)，需要兩者之間建立有效的通訊協(xié)議。本系統(tǒng)基于異步串行通訊接口，設(shè)計(jì)滿足實(shí)際工程的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)軟件對(duì)下位機(jī)應(yīng)變采集裝置進(jìn)行讀寫控制，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分為參數(shù)配置指令、數(shù)據(jù)幀。

參數(shù)配置指令是用于上位機(jī)系統(tǒng)軟件對(duì)應(yīng)變采集模塊的參數(shù)配置，其指令格式為：幀頭+設(shè)備編號(hào)+通道號(hào)+采用頻率+增益倍數(shù)+命令類型（參數(shù)配置、開始采集、結(jié)束采集）+累加校驗(yàn)和+保留。

數(shù)據(jù)幀用于應(yīng)變采集模塊的采集結(jié)果傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)軟件，其指令格式為：幀頭+設(shè)備編號(hào)+通道號(hào)+通道數(shù)據(jù)+備用碼+CRC校驗(yàn)碼。

2.4 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)軟件是無線應(yīng)變采集系統(tǒng)的配套客戶端軟件，該軟件基于C#語言開發(fā)，具有采集控制與數(shù)據(jù)處理的功能。圖6所示為軟件功能結(jié)構(gòu)圖。

3 試驗(yàn)測(cè)試與分析

圖6 上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

為了驗(yàn)證本文所涉及的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)，采用與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬源進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的方法。本試驗(yàn)采用朗斯測(cè)試技術(shù)公司（LANCE）的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬源LC1501，為抵消溫度對(duì)應(yīng)變采集的影響，該采用惠斯通電橋半橋接法，該應(yīng)變?cè)茨M輸出范圍0～111 111 με，分辨率為 1 με。

標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)礈y(cè)試分為兩組試驗(yàn)：小量程測(cè)試（0～5 000 με）和大量程測(cè)試（0～25 000 με）。測(cè)試采用對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值進(jìn)行100采集求平均值的方法，并計(jì)算誤差率。

由表1和圖7可知，本文所設(shè)計(jì)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)，在小量程測(cè)試范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)源值與采集值具有良好的線性關(guān)系，應(yīng)變誤差率總體小于0.1%。

表1 小量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)礈y(cè)試結(jié)果

圖7 小量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)礈y(cè)試示意曲線圖

由表2和圖8可知，本文所設(shè)計(jì)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)在大量程測(cè)試范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值與采集值具依然能夠具有良好的線性度，應(yīng)變誤差率總體能保證1%以內(nèi)的誤差率，其中0～10 000 με量程，系統(tǒng)能夠處于0.1%誤差率以內(nèi)，而10 000～25 000με量程，誤差率處于1%以內(nèi)。

表2 大量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)礈y(cè)試結(jié)果

由兩組實(shí)驗(yàn)誤差率結(jié)果來看，本文設(shè)計(jì)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)在0～10 000με量程中，誤差率處于0.1%以內(nèi)，具有非常高的采集精度；而當(dāng)量程超出于10 000～25 000 με之間，且隨著標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值增加，誤差變大，但誤差率處于1%以內(nèi)，可以完全滿足橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工程測(cè)量。對(duì)于兩段之間出現(xiàn)的精度下降問題，究其原因，惠斯通電橋測(cè)量應(yīng)變計(jì)算公式中，惠斯通電橋應(yīng)變計(jì)算過程出現(xiàn)兩次多項(xiàng)式的忽略，分別來自于公式（3）和公式（5），該忽略的前提是ΔR變化較小，而當(dāng)ΔR變化較大時(shí)，多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)變計(jì)算結(jié)果影響較大，如當(dāng)ΔR變化影響導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算每出現(xiàn)0.1Ω時(shí)，根據(jù)公式（7），1/4橋接線法將產(chǎn)生416.6 με的誤差。因此，誤差率隨標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值增加而增大是由于惠斯通電橋計(jì)算應(yīng)變算法忽略項(xiàng)引起的，如何提高大量程的測(cè)量精度是接下來的研究重點(diǎn)。

圖8 大量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)礈y(cè)試結(jié)果曲線圖

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)測(cè)試與分析，本文所設(shè)計(jì)的無線橋梁應(yīng)變采集系統(tǒng)與惠斯通電橋測(cè)量原理保持一致，并可靠地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，在技術(shù)上是可行的，且該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

a）基于WiFi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)無線、有線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，便于根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行切換，系統(tǒng)可擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程訪問。

b）提高橋梁檢測(cè)工作效率，尤適用于大跨徑橋梁檢測(cè)，可減少人力、財(cái)力和工作量等方面投入。

c）性能可靠、數(shù)據(jù)采集精度高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

d）數(shù)據(jù)采集、接收和后期處理通過配套專用軟件，使用方便靈活。

綜上所述，無線應(yīng)變采集系統(tǒng)將更好地服務(wù)于橋梁工程中，解決現(xiàn)有大型橋梁工程檢測(cè)中的布線及數(shù)據(jù)處理方面的困難，為橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)、維修和加固工作提供新型技術(shù)平臺(tái)，具有一定現(xiàn)實(shí)意義，且該技術(shù)系統(tǒng)亦可應(yīng)用于土木工程及其他相關(guān)工程領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。