橋梁預(yù)應(yīng)力傳感器故障的智能檢測應(yīng)用

韋炳機

（柳州市智能制造科技服務(wù)中心柳州市自動化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通建設(shè)的快速發(fā)展，拉（吊）索類的橋梁建設(shè)方式被廣泛使用在公路橋梁、跨江橋梁及跨海橋梁的建設(shè)中。然而，作為橋梁主要受力構(gòu)件之一的拉索長期處于高強度應(yīng)力狀態(tài)下工作；另一方面，由于風(fēng)振、雨振等原因，進一步加大拉索的正應(yīng)力及側(cè)張力，長此以往而導(dǎo)致橋梁拉索應(yīng)力構(gòu)件產(chǎn)生疲軟、損壞，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致橋梁發(fā)生重大事故。由此可見，拉索的應(yīng)力工作狀態(tài)儼然已經(jīng)成為橋梁是否處于安全狀態(tài)的重要判斷依據(jù)之一。目前，在大體量的預(yù)應(yīng)力檢測應(yīng)用環(huán)境下，現(xiàn)如今在橋梁的預(yù)應(yīng)力測量應(yīng)用中每年因磁通量傳感器故障而導(dǎo)致磁通量檢測設(shè)備燒毀的事件時有發(fā)生，所以一種橋梁磁通量傳感器故障的智能檢測裝置對橋梁預(yù)應(yīng)力測量工作具有重要的意義。

本項研究目的是建立基于CAN總線的橋梁磁通量傳感器故障的智能檢測應(yīng)用裝置，以STC16F40K128微處理器單片機為控制核心，利用CAN總線通信設(shè)計實現(xiàn)傳感器通道與磁通量傳感器總線的切換，利用多功能切換電路的設(shè)計輔以電阻測量電路、短斷路測量電路實現(xiàn)磁通量傳感器特性的檢測，最后以檢測的結(jié)果為主要依據(jù)判斷磁通量傳感器是否存在故障。以期望該裝置能為橋梁預(yù)應(yīng)力的檢測提供一種安全的測量技術(shù)保障。

1 磁通量傳感器

磁通量傳感器作為應(yīng)力傳感的敏感器件被廣泛應(yīng)用于橋梁拉（吊）索的內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測。磁通量傳感器的本質(zhì)是基于鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理制成的磁通量傳感器件[1]，它主要由初級繞組線圈、次級繞組線圈、NTC溫敏元件及空心絕緣套、金屬外殼構(gòu)成；拉索內(nèi)部的磁性鋼絞線束從傳感器內(nèi)部穿心而過，當(dāng)預(yù)應(yīng)力檢測設(shè)備向初級繞組線圈發(fā)出脈沖信號能量后，在電磁轉(zhuǎn)化的作用下使得鋼絞線束的磁化強度（磁導(dǎo)率）發(fā)生變化[2]，通過測量次級繞組線圈輸出的變比電壓值就可以間接測量拉索的應(yīng)力情況。NTC溫敏元件則是起到預(yù)應(yīng)力算法中的溫度補償運算，進一步降低外界溫度對預(yù)應(yīng)力測量的干擾，提高測量的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖所示利用嵌入式單片機控制核心模塊，多通道ADC測量電路、兩路高精度的0～100歐量程電阻測量電路、一路0～10K歐量程電阻測量電路、短斷路測量電路、磁彈儀測量輸出接口電路、多功能通道切換電路和地址譯碼器控制電路構(gòu)成的智能測量、切換的功能模塊，系統(tǒng)參數(shù)存儲和測量記錄的EEPROM/SD存儲電路模塊，系統(tǒng)電源和隔離電源構(gòu)成的裝置供電模塊，低功耗IOT/GPRS無線物聯(lián)電路和HMI交互屏構(gòu)成的人機交互輸出模塊以及由9芯地址總線控制電路和PCA82C251接口電路、光隔離電路構(gòu)成的CAN通信總線兩種總線通信控制輸出模塊設(shè)計而成的具有通信控制、磁通量傳感器故障檢測功能的裝置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2.1 CAN總線接口電路設(shè)計

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）的簡稱，是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線之一。系統(tǒng)中選擇PCA82C251芯片作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片，利用它向總線提供差動的發(fā)送能力和向CAN控制器提供差動的接收能力。為了進一步提高CAN總線通信的可靠性與穩(wěn)定性，CAN總線通信接口電路采用光耦隔離、電源隔離及防雷電路技術(shù)共同設(shè)計。如圖2所示為CAN通信總線傳輸速率為100Kbit/S，傳輸距離為400 m的高可靠通信設(shè)計，圖中電路采用斜率控制模式，斜率電阻R3取47K設(shè)計以提高總線通信的抗射頻干擾能力，總線通信采用高速的HCPL0600光耦設(shè)計為通信節(jié)點做電氣隔離，而防雷管B3D090L及雙向抑制管的電路設(shè)計為CAN通信總線提供安全的感應(yīng)電壓泄放回路。

圖2 CAN總線接口電路圖

2.2 微處理器

本設(shè)計是采用宏晶公司新出的STC16F40K128嵌入式微處理器作為主控芯片，其主頻高達40 MHz，是一款超強抗干擾/高速/低功耗的16位8051內(nèi)核的高性能微處理器。STC16F40K128具有4路UART、15通道的12位高速ADC、CAN協(xié)議控制器、USB2.0控制器及LIN控制器等豐富的外設(shè)接口，能滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分上位機軟件編程和微處理器單片機的軟件編程，上位機軟件編程包括觸摸屏的HMI界面編程和遠(yuǎn)程PC機的控制軟件程序，它們的功能主要是為用戶提供CAN總線輸出控制的指令發(fā)送以及系統(tǒng)參數(shù)配置的人機交互界面。微處理器單片機的軟件編程主要實現(xiàn)的是將人機交互部分發(fā)送出的控制指令轉(zhuǎn)化發(fā)送及執(zhí)行控制指令功能。微處理器單片機的軟件功能主要由以下幾個部分構(gòu)成：系統(tǒng)初始化；操作控制指令的執(zhí)行，磁通量傳感器故障的測量工作；系統(tǒng)參數(shù)更改的寫入操作。具體工作流程如圖3所示。

圖3 軟件工作流程圖

4 結(jié)語

文章主要介紹了橋梁磁通量傳感器故障智能檢測的硬件構(gòu)成、電路設(shè)計及軟件設(shè)計方法。其主要包括CAN總線接口電路設(shè)計，磁通量傳感器特征檢測電路設(shè)計及軟件實現(xiàn)方法的控制流程設(shè)計；該設(shè)計具有CAN總線服務(wù)、自動識別磁通量傳感器故障、智能使能磁通量安全測量工作等功能，這些功能為解決橋梁預(yù)應(yīng)力檢測工作中存在的檢測設(shè)備使用安全隱患提供了技術(shù)支持。目前該裝置已經(jīng)被應(yīng)用于多座拉（吊）索大橋的拉索預(yù)應(yīng)力檢測工程及“中國天眼”射電天文望遠(yuǎn)鏡的主索索力預(yù)應(yīng)力監(jiān)測工程，應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠保障預(yù)應(yīng)力檢測設(shè)備不受磁通量傳感器故障的影響，具有較高的市場推廣價值。