基于振弦式傳感器的橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張吉圭 陳敏 王義 馬劍鈞 唐春婷

摘 要：振弦式傳感器是橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的傳感器。針對(duì)振弦式傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文將FPGA和ARM作為核心處理器來構(gòu)建橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其主要包括四個(gè)部分，即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用系統(tǒng)。其間利用FPGA型號(hào)為EP4CE10E22C8N的處理器，構(gòu)建激振信號(hào)模塊、掃頻信號(hào)模塊、測(cè)頻信號(hào)模塊和頂層模塊，對(duì)傳感器的頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確率達(dá)99%。同時(shí)，利用ARM處理器型號(hào)為STM32F407的CPU和中國(guó)移動(dòng)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制及人機(jī)交互等操作。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，可供工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：橋梁應(yīng)力;FPGA;ARM;OneNet;振弦式傳感器

中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）26-0122-03

Abstract： Vibrating wire sensor is the most widely used sensor in bridge stress monitoring system. Aiming at the structural characteristics of the vibrating wire sensor， this paper used FPGA and ARM as the core processor to build a bridge stress structure monitoring system， which mainly included four parts， namely data acquisition subsystem， FPGA data processing system， data transmission system and data management and application system. In the meantime， the FPGA model EP4CE10E22C8N was used to construct the excitation signal module， the frequency sweep signal module， the frequency measurement signal module and the top-level module to measure the frequency signal of the sensor with a measurement accuracy rate of 99%. At the same time， the ARM processor model STM32F407 CPU and China Mobile's OneNet Internet of Things platform were used to realize data transmission， system control and human-computer interaction. The test shows that the system has high stability and reliability and strong anti-interference ability， which can be used as a reference for engineering and technical personnel.

Keywords： bridge stress;FPGA;ARM;OneNet;vibrating wire sensor

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)橋梁建設(shè)取得舉世矚目的成就。但受外界環(huán)境因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免會(huì)出現(xiàn)損傷和破壞，橋梁建筑健康問題備受社會(huì)各界關(guān)注。橋梁建筑災(zāi)害不僅對(duì)環(huán)境、資源及財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失，還威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外橋梁技術(shù)的發(fā)展和電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，搭建橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)橋梁健康狀況的監(jiān)測(cè)，為橋梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)防治工作提供依據(jù)。下面進(jìn)行橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成分析。

為實(shí)現(xiàn)橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的可視化，加強(qiáng)橋梁健康狀況監(jiān)測(cè)，本研究設(shè)計(jì)了基于振弦式傳感器的橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其框架如圖1所示。本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用及傳輸子系統(tǒng)組成[4-6]。

1 振弦式傳感器

振弦式傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長(zhǎng)度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測(cè)量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號(hào)，而且剛弦頻率隨鋼絲應(yīng)力變化而變化，人們可以利用這一原理來測(cè)量橋梁應(yīng)力變化。振弦式傳感器輸出的是頻率信號(hào)，頻率信號(hào)是能獲得很高測(cè)量精度的信號(hào)，適合于遠(yuǎn)距離傳輸，它的精度不會(huì)降低。從結(jié)構(gòu)來看，振弦式傳感器沒有活動(dòng)元件，抗干擾能力強(qiáng)，適用于橋梁應(yīng)力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)?？偟膩碚f，振弦傳感器有如下特點(diǎn)：輸出信號(hào)穩(wěn)定性高，長(zhǎng)期工作可靠性高，適合長(zhǎng)距離傳輸，適宜在惡劣環(huán)境下工作[7-8]。

1.1 振弦式傳感器工作特性

振子在振動(dòng)時(shí)具有一定阻尼，需要消耗能量，因而在工作時(shí)需要外部激勵(lì)，其工作原理框圖如圖2所示。激振信號(hào)激發(fā)振子振動(dòng)，而拾振元件檢測(cè)產(chǎn)生的頻率信號(hào)通過放大電路輸送到激振信號(hào)。振弦式傳感器內(nèi)部的振弦受力不同，其產(chǎn)生的頻率發(fā)生變化。當(dāng)人們通過一組不同頻率值去激勵(lì)振弦振動(dòng)，產(chǎn)生共振，依據(jù)得出的頻率值，就能計(jì)算出傳感器的受力情況。

1.2 振弦傳感器的溫度特性

振弦式傳感器是以金屬弦的張力變化為基礎(chǔ)而工作的，而溫度直接影響弦的張力變化。為了消除溫度對(duì)振弦式傳感器的影響，人們可以采用硬件補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法。與硬件補(bǔ)償法相比，軟件補(bǔ)償法效果更好，精度更高。軟件補(bǔ)償法綜合利用數(shù)字溫度傳感器和微處理器，充分使用軟件的功能——溫度補(bǔ)償算法，如二維回歸法、多項(xiàng)式擬合法，實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差的修正。而硬件補(bǔ)償法是在檢測(cè)電路中設(shè)計(jì)一個(gè)電橋電路，產(chǎn)生一個(gè)與溫度漂移值大小相等、符號(hào)相反的信號(hào)，相互抵消來實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償。

2 FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

振弦式傳感器用于采集弦振動(dòng)的頻率，必須先激振。激振方法有兩種：一是給傳感器一個(gè)瞬時(shí)的高電壓、大電流信號(hào)，需要設(shè)計(jì)升壓電路;二是共振法，文中利用FPGA處理器給傳感器一個(gè)激振的方波信號(hào)，當(dāng)方波信號(hào)頻率跟傳感器振子振動(dòng)的頻率接近時(shí)，產(chǎn)生共振。激振之后，撤去激振信號(hào)，傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)信號(hào)就能夠計(jì)算出振弦式傳感器的頻率，進(jìn)而計(jì)算出橋梁的應(yīng)力。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA，型號(hào)為EP4CE10E22C8N可編程邏輯控制器，采用共振的方法來實(shí)現(xiàn)多路振弦傳感器頻率的測(cè)量，因此在軟件上構(gòu)建激振信號(hào)模塊、掃頻信號(hào)模塊、測(cè)頻信號(hào)模塊、頂層模塊四個(gè)狀態(tài)機(jī)來測(cè)量振弦傳感器的頻率，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，激振信號(hào)模塊主要用于控制激振時(shí)序，給測(cè)頻模塊和掃頻模塊發(fā)出控制指令。掃頻模塊以一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和掃頻增量為基礎(chǔ)不斷發(fā)出不同頻率的掃頻信號(hào)，掃頻增量由ARM處理器、型號(hào)為STM32F407的處理器配置調(diào)節(jié)。測(cè)頻模塊用于接收激振模塊、掃頻模塊的控制信號(hào)來測(cè)量弦振傳感器的頻率數(shù)據(jù)。

圖3設(shè)計(jì)了16路的傳感器及掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào)通過達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)為高頻高壓的激振脈沖信號(hào)，去激振振子，使振弦振動(dòng)，產(chǎn)生測(cè)量的頻率信號(hào)，由于振弦式傳感器產(chǎn)生的信號(hào)微弱，人們需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，因此利用濾波、放大、整形輸出來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。圖3中，測(cè)頻模塊測(cè)量出傳感器的頻率信號(hào)后，會(huì)將其發(fā)送給FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的頂層模塊，該模塊就負(fù)責(zé)和ARM處理器搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)橋梁應(yīng)力的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。

3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由ST公司的ARM處理器、型號(hào)為STM32F407的CPU來實(shí)現(xiàn)通信功能，該傳輸系統(tǒng)一端通過串口連接FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，一端通過4G模塊連接移動(dòng)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

OneNet中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放的平臺(tái)，支持主流的設(shè)備接入?yún)f(xié)議，可以使設(shè)備快速接入OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其圍繞“云管邊端”的布局，提供了專網(wǎng)專號(hào)、海量連接、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、消息并發(fā)、能力輸出、事件警告、數(shù)據(jù)分析八大功能，為設(shè)備的接入提供了便捷可靠的連接，為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分析提供了安全有效的保障。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接了OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使得數(shù)據(jù)傳送更為可靠、安全。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橋梁應(yīng)力數(shù)據(jù)、云服務(wù)器、人和物的互聯(lián)互通。人們使用APP或小程序能夠直接查看當(dāng)前橋梁的應(yīng)力數(shù)據(jù)及健康情況，同時(shí)可以通過人機(jī)界面發(fā)出控制指令給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)功能。

4 數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)由云服務(wù)器、Web端、小程序及APP應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。云服務(wù)器連接了OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、APP、Web端及小程序，OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)把感知層采集的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給云數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，而APP、Web端及小程序作為應(yīng)用端，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示和人機(jī)互聯(lián)的功能。云服務(wù)器對(duì)感知層采集的橋梁數(shù)據(jù)進(jìn)行管理存儲(chǔ)，而Web端及APP可以對(duì)該橋梁的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析及預(yù)警。如果遇橋梁的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力發(fā)生較大變化，就會(huì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性造成影響的報(bào)警數(shù)據(jù)，避免橋梁因應(yīng)力變化而垮塌，從而消除因橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患給社會(huì)帶來的影響?？梢姡瑧?yīng)力數(shù)據(jù)是橋梁結(jié)構(gòu)安全的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)，可以為橋梁分析和維護(hù)提供可靠的依據(jù)，便于排除橋梁應(yīng)力隱患，保證橋梁的安全性和可靠性，消除橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)造成的垮塌給社會(huì)帶來的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用兩種高性能處理器，即Altera公司的EP4CE10E22C8N和ST公司的STM32F407，兩個(gè)CPU協(xié)同工作，減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)，解決了系統(tǒng)多路傳感器數(shù)據(jù)傳輸、測(cè)量及分析方面的難題，保障數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的有效性和實(shí)時(shí)性，提高系統(tǒng)可靠性及響應(yīng)速度。數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用系統(tǒng)采用中國(guó)移動(dòng)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及應(yīng)用管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享、實(shí)時(shí)開放、人物互聯(lián)和物物互聯(lián)，為橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況及后期維護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)保障。該橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍需要改進(jìn)，以FPGA處理器作為數(shù)據(jù)處理的核心，利用ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、顯示、存儲(chǔ)，兩個(gè)CPU之間的通信協(xié)議和通信接口需要規(guī)范。下一步主要研究?jī)蓚€(gè)處理器之間的CAN通信，提高系統(tǒng)傳輸?shù)乃俾屎途取?/p>

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