橋梁無線傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

李嘉波， 葉 敏， 李四維， 郭 健

(長安大學(xué) 工程機(jī)械國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

橋梁無線傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

李嘉波， 葉 敏， 李四維， 郭 健

(長安大學(xué)工程機(jī)械國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

為滿足橋梁監(jiān)測的要求，對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無線傳輸，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)無線采集傳輸系統(tǒng)。以STM微處理器和振弦式傳感器為核心元件，對(duì)橋梁應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測分析。分析了振弦式傳感器的工作原理，對(duì)比分析了兩種傳統(tǒng)的激振原理，并結(jié)合兩種激振方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了對(duì)低壓掃頻激振原理的改進(jìn)方法，對(duì)激振電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于NRF905無線傳感網(wǎng)絡(luò)，完成了數(shù)據(jù)采集的無線發(fā)送和接收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的激振電路測量精度小于0.1 %，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，無線傳輸功能滿足橋梁監(jiān)測要求。

振弦式傳感器； 激振電路； 無線傳輸； 信號(hào)處理

0 引 言

為了實(shí)時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化，需對(duì)不同位置進(jìn)行監(jiān)測，而目前大多數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)采用有線模式完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸，雖然其傳輸效率和傳輸精度均很高，但是實(shí)際測量中布線復(fù)雜，成本較高。將無線模式引入到監(jiān)測系統(tǒng)中，可更好地解決有線傳輸可能出現(xiàn)的問題以及缺陷[1]。因此，設(shè)計(jì)了以無線傳輸模塊NRF905為主的傳輸系統(tǒng)，搭載微處理器STM32，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳輸總體框架如圖1所示。系統(tǒng)主要由STM32F103處理器，激振電路，拾振電路和無線收發(fā)模塊組成。工作流程如下：1)STM處理器向傳感器發(fā)出激振信號(hào)，使振弦式傳感器的鋼弦振動(dòng)；2)將傳感器輸出的信號(hào)通過拾振電路進(jìn)行濾波放大等信號(hào)處理；3)將處理后的信號(hào)通過無線的方式，發(fā)送至PC端，可通過窗口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)激振原理

將一可調(diào)節(jié)的頻率信號(hào)對(duì)傳感器的線圈進(jìn)行激振，當(dāng)激振頻率接近鋼弦的固有頻率時(shí)，達(dá)到共振，此時(shí)線圈產(chǎn)生的頻率即激振頻率[2]。振弦式傳感器有兩種激振方式:

1) 高壓撥弦激振：將輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)需要經(jīng)過變壓器輸入到整流電路中，通過對(duì)電路電容的充電時(shí)間t控制，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，加載到振弦式傳感器的線圈兩端，即有電流產(chǎn)生，并產(chǎn)生磁場，鋼弦受迫振動(dòng)，當(dāng)線圈上的電流消失，鋼弦做有阻尼的衰減振蕩，此時(shí)鋼弦的固有頻率即為振蕩頻率[3]。

2)低壓掃頻激振原理：輸入的低壓脈沖信號(hào)包括了所有振弦式傳感器的固有頻率，因此，將低壓脈沖加載到傳感器的線圈上，當(dāng)脈沖信號(hào)的激振頻率和線圈的固有頻率相當(dāng)時(shí)，鋼弦振動(dòng)，此時(shí)振動(dòng)的幅度達(dá)到最大，線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢亦較大，通過拾振電路即可將產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢處理成易測的頻率。

兩種激振原理均存在局限性：高壓撥弦激振原理的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，信號(hào)不易提取處理，得到的數(shù)據(jù)精度也很差；雖然低壓脈沖可以保護(hù)傳感器的鋼弦，但是為了保證激振效果，就要求每個(gè)脈沖信號(hào)都要持續(xù)很長時(shí)間，導(dǎo)致激振的時(shí)間較長而且精度相對(duì)較低[4]。

1.2 改進(jìn)激振電路設(shè)計(jì)

對(duì)低壓激振方法提出改進(jìn)：將掃頻激振過程分為2個(gè)階段：

1)初掃頻：對(duì)振弦式傳感器進(jìn)行初次掃頻，對(duì)得到的頻率信號(hào)進(jìn)行檢測，由上述分析可知，低壓脈沖包含了所有振弦式傳感器的固有頻率，當(dāng)?shù)蛪好}沖頻率f1和傳感器的固有頻率相近時(shí)，鋼弦才有效

(1)

式中d為傳感器激振參數(shù)。

2)復(fù)掃頻：將得到的f1作為頻率基礎(chǔ)，并計(jì)算出新的掃描范圍，并對(duì)其進(jìn)行二次掃頻，從而確定振弦傳感器的固有頻率，提高傳感器頻率測量精度。

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心元件[5]工作流程如下：1)由單片機(jī)STM處理器輸出激振信號(hào)，經(jīng)過光電隔離電路濾除干擾信號(hào)；2)經(jīng)過功放電路將信號(hào)做放大處理；3)放大信號(hào)加載到傳感器線圈上，此時(shí)線圈產(chǎn)生磁場，鋼弦受磁場作用產(chǎn)生振動(dòng)。振弦式傳感器輸出頻率范圍在400～4 500 Hz之間，因此，激振信號(hào)的頻率由微處理器內(nèi)部程序控制，可控性較好，激振電路如圖2所示。

圖2 激振電路

1.3 拾振電路設(shè)計(jì)

振弦式傳感器輸出頻率范圍為400～4 500 Hz，其幅度實(shí)測為毫伏(mV)級(jí)，由于輸出信號(hào)常伴隨著干擾，因此，需要將輸出信號(hào)通過濾波放大電路，單片機(jī)才能捕獲，濾波放大電路共同構(gòu)成拾振電路[6]。本文設(shè)計(jì)的拾振電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 拾振電路結(jié)構(gòu)

振弦式傳感器輸出信號(hào)首先經(jīng)低通濾波電路將雜聲去掉，經(jīng)由LM324組成的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，再通過由RC構(gòu)成的高通濾波電路，進(jìn)行二次濾波，濾除低頻干擾信號(hào)，通過LM324完成二次放大，將其整形倍壓后傳送至單片機(jī)。濾波放大電路如圖4所示。

圖4 濾波放大電路

1.4 無線模塊

為了保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的穩(wěn)定性和正確性，系統(tǒng)中無線射頻收發(fā)芯片選用單片無線收發(fā)一體芯片NRF905，工作電壓為1.9～3.6 V，具有3個(gè)ISM頻段，配置方便。

NRF905作為無線收發(fā)模塊，具有3個(gè)引腳用于輸出，分別為載波檢測(CD)，數(shù)據(jù)就緒(DR)，地址匹配(AM)。當(dāng)模塊檢測發(fā)現(xiàn)頻率時(shí)，CD置高，檢查數(shù)據(jù)的地址和系統(tǒng)設(shè)定的接收地址相符，如果相同，AM置高；否則，保持不變。如果數(shù)據(jù)位CRC校驗(yàn)成功，DR置高[7]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 頻率測量

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為處理器，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，因此，在測量上，為了獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果：1)采用低壓掃頻方式對(duì)振弦式傳感器進(jìn)行激振，記錄各信號(hào)的周期T，并計(jì)算得出頻率的平均值f1；2)根據(jù)式(1)計(jì)算出頻率范圍，因?yàn)檎裣沂絺鞲衅鞯妮敵鲱l率在400～4 500 Hz，同時(shí)設(shè)定測量次數(shù)為m，當(dāng)測量頻率不滿足要求時(shí)，則重新對(duì)鋼弦進(jìn)行激振；若重新激振的次數(shù)大于m，則報(bào)錯(cuò)處理；3)將f1作為新的激勵(lì)頻率，對(duì)傳感器進(jìn)行二次激振后輸出信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路得到最終的頻率值，該頻率值的精度較高。

2.2 無線通信模塊傳輸

準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置TRX_CE為高，啟動(dòng)系統(tǒng)傳輸，NRF905內(nèi)部處理：完成系統(tǒng)上電，數(shù)據(jù)包發(fā)送。此時(shí)如果AUTO RETURN被置為高電平，DR置低，NRF905將連續(xù)發(fā)送，直到TRX_CE被置為低電平。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備接收時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)和接收頻率有相同的載波時(shí)，CD被置高；當(dāng)接收地址有效時(shí)，AM置高；當(dāng)CRC校驗(yàn)成功時(shí)，NRF905將DR置高；當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)被讀出后，AM和DR置低，處于待機(jī)狀態(tài)。圖5發(fā)射與接收流程。

圖5 發(fā)射與接收流程

3 結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)是否可靠，測量精度是否滿足要求，模擬實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為555的信號(hào)發(fā)生器，設(shè)置輸出頻率為1 kMz的正弦信號(hào)，作為系統(tǒng)的輸入端。從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)測得的頻率誤差小于0.1 %，系統(tǒng)檢測精度較高。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

振弦式傳感器固定于實(shí)驗(yàn)的橋梁模型上，與橋梁模型同時(shí)受力，并對(duì)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。采用配重模塊對(duì)其進(jìn)行加載，在0～40 N的不同工況下對(duì)簡支梁的不同測點(diǎn)進(jìn)行加載，并將改進(jìn)后的激振方式和有線采集、高壓激振方式、低壓撥弦激振方式比較，加載步長為10 N。如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6為配重分別為10，20，30，40 N時(shí)，各測點(diǎn)所測的應(yīng)變，分析可得，在改進(jìn)后激振原理采集到的數(shù)據(jù)精度小于0.1 %，符合測試要求。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)在相同的工況條件下，采用不同的激振原理所測的數(shù)據(jù)與改進(jìn)后的激振方式所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從圖中可得：高壓撥弦激振所采集到的數(shù)據(jù)精度較差，誤差在10 %左右；低壓掃頻激振采集的數(shù)據(jù)與改進(jìn)后的激振原理精度相比，誤差在2 %～3 %之間。因此，經(jīng)過對(duì)傳統(tǒng)的激振原理改進(jìn)后，測量結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確度，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)用性[8,9]。

4 結(jié)束語

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)以STM32處理器為核心，振弦式傳感器為檢測元件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，并通過NRF905模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，設(shè)計(jì)了適于橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明：通過對(duì)激振原理的改進(jìn)，系統(tǒng)測頻精度高，數(shù)據(jù)無線傳輸時(shí)接收穩(wěn)定，且能長時(shí)間監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了橋梁監(jiān)測的智能化。

[1] 張仕明.結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué),2013.

[2] 賈鵬輝，陳 輝，周平義。基于STM32F103VCT6的振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015(2)：67-70.

[3] 徐 勇，基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.

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[6] 夏天祥.振弦式傳感器信號(hào)采集儀的研制[D].大連：大連理工大學(xué),2013.

[7] 齊 虹，徐 志，陳 沖，等.基于nRF905的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，38(1):64-68.

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[9] 李紅杰,苗順占,傅華明.基于振弦式傳感器的橋梁檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(6):93-95.

Designandanalysisofwirelesssensingsystemforbridge

LI Jia-bo, YE Min, LI Si-wei, GUO Jian

(StateKeyLaboratoryofEngineeringMachinery,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

In order to meet the requirements of bridge monitoring,wireless transmission of the collected data is realized,and data wireless acquisition and transmission system is designed.The STM microprocessor and the vibrating wire sensor are used as the core components to monitor and analyze the bridge strain.Working principle of vibrating wire sensor is analyzed,and two kinds of traditional excitation principle are compared and analyzed.The advantages and disadvantages of two kinds of excitation modes are discussed,and improved method of low voltage frequency swept excitation principle is put forward,and excitation circuit is designed and optimized.Wireless sensor networks based on NRF905 are designed and wireless transmission and reception are achieved.The experimental results show that presion of measurement based on improved excitation principle is less than 0.1 %,the system is stable and the wireless transmission function meets requirements of bridge monitoring.

vibrating wire sensor； excitation circuit； wireless transmission； signal processing

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0068—03

TP 212

A

1000—9787(2017)12—0068—03

2017—10—19

李嘉波(1992-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。