基于磁耦合共振的無(wú)源無(wú)線路橋應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘" 要：針對(duì)傳統(tǒng)混凝土構(gòu)件應(yīng)變監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題，提出一種基于磁耦合共振的無(wú)源無(wú)線路橋安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合磁耦合共振取電、應(yīng)變傳感器及無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件應(yīng)變的非接觸式無(wú)線采集傳輸，克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法依賴外接電源或電池供電的局限性，確保傳感器在構(gòu)件內(nèi)部的長(zhǎng)期無(wú)源工作能力，提高應(yīng)變監(jiān)測(cè)的持續(xù)性和可靠性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的電能傳輸距離、效率及障礙物穿透能力等，表明該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確采集構(gòu)建內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù)，為路橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)提供一種高效的解決方案。

關(guān)鍵詞：混凝土構(gòu)件；磁耦合共振；無(wú)線輸電；應(yīng)變監(jiān)測(cè)；LoRa

中圖分類號(hào)：TP274+.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0058-05

Abstract： Aiming at the problems existing in traditional strain monitoring of concrete members， a passive wireless intelligent road and bridge safety monitoring system based on magnetic coupled resonance is proposed. The system integrates magnetic coupled resonance power harvesting， strain sensors and wireless communication technology to realize contactless wireless collection and transmission of component strain， overcome the limitations of traditional monitoring methods relying on external power supplies or battery power supply， and ensure that the sensor is inside the component. Long-term passive working ability improves the continuity and reliability of strain monitoring. Experiments were carried out to test the system's power transmission distance， efficiency and obstacle penetration ability， which showed that the system can collect and construct internal strain data in a timely and accurate manner， providing an efficient solution for road and bridge structural safety monitoring.

Keywords： concrete component; magnetic coupled resonance; wireless transmission; strain monitoring; LoRa

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，橋梁與高速公路的基建需求日益增長(zhǎng)。橋梁、高速公路的混凝土構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)。目前，路橋施工大多采用混凝土預(yù)制構(gòu)件批量生產(chǎn)、施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一裝配的方式。對(duì)混凝土構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測(cè)是路橋結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)輸安裝、運(yùn)維檢修和荷載試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)[1]。

傳統(tǒng)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)需要采用外接電源或者電池進(jìn)行供電運(yùn)行，只能做到將應(yīng)變傳感器本體埋入混凝土預(yù)制件內(nèi)，而把與之連接的供電以及數(shù)據(jù)線纜留在預(yù)制件外，這樣僅僅能在工程建設(shè)周期（3個(gè)月）里通過(guò)臨時(shí)外接電源和檢測(cè)儀表的方式查看應(yīng)變情況，既存在無(wú)法有效供電或者電池耗盡失效的問(wèn)題，也有著器件老化以及可靠性降級(jí)失效的問(wèn)題[2]，無(wú)法滿足構(gòu)件長(zhǎng)期運(yùn)維檢測(cè)的工程化需求，一旦發(fā)生事故將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出利用磁共振原理傳輸電能[3]，采用非接觸式無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)來(lái)檢測(cè)路橋預(yù)制件內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)方案。該方案將磁耦合共振取電、高耐久性應(yīng)變傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)集成優(yōu)化為無(wú)源無(wú)線應(yīng)變傳感器，將其埋入混凝土預(yù)制件內(nèi)，在混凝土構(gòu)件外通過(guò)磁共振式數(shù)據(jù)采集裝置激發(fā)磁共振來(lái)無(wú)線傳遞電能，將構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)變傳感器激活運(yùn)行，以非接觸方式獲取傳感器采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時(shí)將應(yīng)變數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)傳到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心集中處理，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析獲得路橋應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律信息，從而為路橋的維護(hù)維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1" 磁耦合共振電能傳輸

磁耦合共振電能傳輸是基于能量諧振耦合通過(guò)高頻電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，主要包含發(fā)射端和接收端2個(gè)部分。發(fā)射端和接收端都包含有特定頻率的諧振線圈，當(dāng)發(fā)射端的諧振線圈被激勵(lì)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的電磁場(chǎng)，此時(shí)如果接收端的諧振線圈的頻率與發(fā)射端相同，那么2個(gè)線圈之間會(huì)發(fā)生磁耦合。在磁耦合的作用下，發(fā)射端的電磁場(chǎng)會(huì)在接收端產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。在共振狀態(tài)下系統(tǒng)能夠不受空間位置和障礙物的影響，并擁有較高的能量傳輸效率，可實(shí)現(xiàn)中距離高效的電能傳輸[4]。磁耦合共振電能傳輸原理如圖1所示。

基于磁耦合共振的無(wú)源無(wú)線路橋安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)射線圈集成于磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置中，接收線圈集成于無(wú)源無(wú)線應(yīng)變傳感器中。系統(tǒng)工作時(shí)，高頻電源輸出高頻交變電流至發(fā)射線圈處，通過(guò)阻抗匹配器使接收線圈與發(fā)射線圈發(fā)生耦合共振，實(shí)現(xiàn)電能從發(fā)射線圈到接收線圈的無(wú)線傳輸。接收線圈接收的電能經(jīng)整流濾波后給應(yīng)變傳感單元和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元供電，將應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心。

2" 無(wú)源無(wú)線路橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基于磁耦合共振的無(wú)源無(wú)線路橋安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將磁耦合共振取電、低功耗以及無(wú)線通信技術(shù)集成優(yōu)化為無(wú)源無(wú)線應(yīng)變傳感器，傳感器在施工時(shí)埋入混凝土構(gòu)件內(nèi)，監(jiān)測(cè)構(gòu)件應(yīng)變時(shí)，在構(gòu)件外通過(guò)磁耦合共振式數(shù)據(jù)采集裝置激發(fā)磁共振來(lái)無(wú)線傳遞電能，將構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變傳感器激活運(yùn)行。應(yīng)變傳感器將監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變數(shù)據(jù)及ID信息以無(wú)線方式發(fā)送給數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置將應(yīng)變數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心集中處理。數(shù)據(jù)中心通過(guò)大數(shù)據(jù)分析獲得路橋運(yùn)維信息，項(xiàng)目總體方案架構(gòu)如圖2所示。

2.1" 無(wú)源無(wú)線振弦應(yīng)變智能傳感器

無(wú)源無(wú)線振弦應(yīng)變智能傳感器由振弦應(yīng)變傳感器本體和核心主控單元、磁耦合共振取電單元、應(yīng)變傳感單元和無(wú)線傳輸單元集成。其中磁耦合共振取電單元、核心主控單元以及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元集成封裝為數(shù)據(jù)采集控制單元，并通過(guò)電纜與振弦傳感器本體連接。磁耦合共振取電單元通過(guò)無(wú)線方式獲取電能，對(duì)核心主控單元供電，主控單元驅(qū)動(dòng)無(wú)線傳輸單元以及應(yīng)變傳感單元進(jìn)行工作。

2.1.1" 振弦應(yīng)變傳感器本體

振弦應(yīng)變傳感器由一根張拉在2個(gè)端塊之間的鋼弦和振蕩放大電路組成。端塊緊密地與被測(cè)混凝土貼合，混凝土的變形可以完全反應(yīng)至兩端塊，使兩端塊之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，并導(dǎo)致鋼弦的張力發(fā)生變化。這種張力的變化使鋼弦的固有諧振頻率亦發(fā)生變化，通過(guò)電路檢測(cè)該固有諧振頻率的變化可以測(cè)量混凝土內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變的變化值。

在電壓激勵(lì)下，振弦按其固有頻率振動(dòng)。改變振弦的張力F，可以得到不同的振動(dòng)頻率f，即張力與諧振頻率的平方成線性關(guān)系。

振弦的振動(dòng)頻率可由以下公式確定

f===

式中：S為振弦的橫截面積；ρv為振弦的體密度（ρv=ρ/s）；Δl為振弦受張力后的長(zhǎng)度增量；E為振弦的彈性模量；σ為振弦所受的應(yīng)力。當(dāng)振弦傳感器確定以后，其振弦的質(zhì)量m，工作段的長(zhǎng)度L，弦的橫截面積S，體密度ρv及彈性模量E隨之確定。由于振弦所受應(yīng)力的作用使得弦長(zhǎng)有所變化，而弦長(zhǎng)的變化可改變振弦的固有振動(dòng)頻率，由于E×Δl正比于應(yīng)力，因此只要測(cè)得振弦的振動(dòng)頻率就可以測(cè)得混凝土應(yīng)變量。

2.1.2" 核心主控單元

核心主控單元采用STM32L1低功耗微控制器。STM32L1控制器基于Cortex-M3內(nèi)核，具有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能，集成有高速嵌入式存儲(chǔ)器及各種增強(qiáng)型I/O和外設(shè)，可以滿足系統(tǒng)對(duì)振弦應(yīng)變檢測(cè)、磁耦合共振取電及應(yīng)變數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.1.3" 磁耦合共振取電單元

磁耦合共振單元包含一套諧振線圈及電源管理電路。取電單元諧振線圈與發(fā)射端的諧振線圈形成一對(duì)耦合諧振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射端的線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)時(shí)，接收端線圈通過(guò)磁耦合作用感應(yīng)出電流，經(jīng)整流、濾波處理后轉(zhuǎn)換為適合負(fù)載使用的低壓直流電[5]。磁耦合共振取電電路原理如圖3所示。

2.1.4" 應(yīng)變傳感器單元

應(yīng)變傳感器單元工作時(shí)由激振電路驅(qū)動(dòng)電磁線圈，當(dāng)信號(hào)的頻率和振弦的固有頻率相接近時(shí)，弦絲迅速達(dá)到共振狀態(tài)，振動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)檢測(cè)電路濾波、放大、整形送給主控單元，主控單元根據(jù)接收的信號(hào)，通過(guò)軟件方式反饋給激振電路驅(qū)動(dòng)電磁線圈。通過(guò)反饋，弦絲能在電磁線圈產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下在本振頻率點(diǎn)振動(dòng)。當(dāng)激振信號(hào)撤去后，弦絲由于慣性作用仍然振動(dòng)。單片機(jī)通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)脈沖周期，測(cè)得弦絲的振動(dòng)頻率，根據(jù)頻率與應(yīng)變的線性關(guān)系，最后即可測(cè)得待測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信息。應(yīng)變檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。

2.1.5" 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元采用支持LoRa協(xié)議的Semtech SX1278模塊設(shè)計(jì)。Semtech SX1278模塊支持廣播透?jìng)骱托切蛥f(xié)議組網(wǎng)協(xié)議，內(nèi)部自動(dòng)擴(kuò)頻計(jì)算和前導(dǎo)CRC糾錯(cuò)處理，具有傳輸距離長(zhǎng)、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。振弦應(yīng)變傳感器設(shè)置為L(zhǎng)oRa終端節(jié)點(diǎn)，振弦應(yīng)變傳感器被激勵(lì)工作時(shí)通過(guò)Join-Request命令向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)起入網(wǎng)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器收到入網(wǎng)請(qǐng)求確認(rèn)無(wú)誤后向終端發(fā)送Join-Accept命令，并為終端分配一個(gè)唯一的32位網(wǎng)絡(luò)地址（DevAddr），同時(shí)生成NwkSKey和AppSKey，用于入網(wǎng)后應(yīng)變數(shù)據(jù)的傳輸加密和校驗(yàn)[6]。LoRa節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程如圖5所示。

2.2" 磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置

磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置主要由發(fā)射線圈和激勵(lì)電路組成。激勵(lì)電路主要包括直流穩(wěn)壓、高頻逆變和諧振補(bǔ)償幾個(gè)部分，磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置電路如圖6所示。

磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置輸入直流電源，經(jīng)過(guò)直流穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，輸出穩(wěn)壓電流至高頻逆變電路，經(jīng)高頻逆變電路后將直流電轉(zhuǎn)變成高頻電壓給發(fā)射線圈提供高頻正弦波電流，最后經(jīng)諧振補(bǔ)償電路將電能通過(guò)發(fā)射線圈與接收線圈傳輸?shù)浇邮斩穗娐?，在諧振補(bǔ)償電路中設(shè)置一定的電容、電感以形成諧振，并對(duì)諧振的頻率進(jìn)行跟蹤與補(bǔ)償。

2.3" 磁共振數(shù)據(jù)采集裝置

磁共振數(shù)據(jù)采集裝置主要用于采集多個(gè)振弦應(yīng)變傳感器傳輸?shù)膽?yīng)變數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)處理后將應(yīng)變信息直接上傳至云端服務(wù)器。

磁耦合共振式數(shù)據(jù)采集裝置主要由核心控制單元、數(shù)據(jù)接收單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和供電單元組成。核心主控單元采用STM32L1低功耗微控制器，用于對(duì)測(cè)控終端進(jìn)行電源管理、時(shí)序控制等。數(shù)據(jù)接收單元采用Semtech SX1278模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)LoRa無(wú)線網(wǎng)關(guān)的功能，它位處LoRa星形網(wǎng)絡(luò)的核心位置，是應(yīng)變傳感終端和云服務(wù)器之間的橋梁，負(fù)責(zé)接收振弦應(yīng)變傳感器終端發(fā)送的路橋內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在終端設(shè)備和云端服務(wù)器之間的雙向傳輸[7]。數(shù)據(jù)傳輸單元通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)把振弦應(yīng)變傳感器應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸至云端控制中心。LoRa協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖7所示。

2.4" 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心由監(jiān)控平臺(tái)、主服務(wù)器和通信服務(wù)器組成。監(jiān)控中心通過(guò)數(shù)據(jù)專線和防火墻接入Internet，直接與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入的路由器之間建立虛擬連接，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)器與GGSN網(wǎng)關(guān)連接，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)采集裝置之間的通信。主服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的分析和處理，以及地理信息系統(tǒng)的維護(hù)和更新等；通信服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（CMNET）并連接到 GGSN網(wǎng)關(guān)[8]。監(jiān)測(cè)中心的總體架構(gòu)如圖8所示。

3" 測(cè)試試驗(yàn)

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室研制并搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)空氣介質(zhì)中無(wú)線電能傳輸距離、無(wú)線電能傳輸障礙物穿透性和無(wú)線電能傳輸效率進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

在進(jìn)行測(cè)試前，首先將磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置的正面與磁耦合共振應(yīng)變傳感器的正面呈對(duì)立平行放置，如圖9所示。將磁耦合共振式數(shù)據(jù)采集裝置與云平臺(tái)服務(wù)器建立物聯(lián)網(wǎng)連接，打開(kāi)磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置開(kāi)關(guān)。

在磁耦合共振無(wú)線電能傳輸距離試驗(yàn)時(shí)，分別控制磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置與磁耦合共振應(yīng)變傳感器之間的距離為5、10、15、20、25 和30 cm，觀察云平臺(tái)服務(wù)器顯控界面應(yīng)力數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程中同時(shí)分別測(cè)量磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置和磁耦合共振應(yīng)變傳感器電路中的電流和電壓并計(jì)算傳輸效率，系統(tǒng)傳輸功率測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

在磁耦合共振無(wú)線電能傳輸障礙物穿透性測(cè)試時(shí)，分別在磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置與磁耦合共振應(yīng)變傳感器之間放置厚度為2、3、5、8、10、13 和15 cm的混凝土板，觀察云平臺(tái)服務(wù)器顯控界面應(yīng)力數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

在上述測(cè)試過(guò)程中，云平臺(tái)服務(wù)器可以穩(wěn)定接收并顯示應(yīng)變傳感器發(fā)送的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并可對(duì)應(yīng)變檢測(cè)傳感器的歷史應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢，如圖11、圖12所示。系統(tǒng)不僅能為路橋健康狀況評(píng)估提供依據(jù)，而且能為路橋的維護(hù)維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

將磁耦合共振取電、低功耗以及無(wú)線通信技術(shù)集成優(yōu)化為磁耦合共振應(yīng)變傳感器，在混凝土構(gòu)件外面通過(guò)磁耦合共振輸電激勵(lì)裝置激發(fā)磁共振來(lái)無(wú)線傳遞電能，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式無(wú)源無(wú)線應(yīng)變檢測(cè)，這種方式解決了傳統(tǒng)混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)需要采用外接電源或者電池進(jìn)行供電的問(wèn)題。通過(guò)定期檢測(cè)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)變情況，對(duì)路橋的健康狀況、結(jié)構(gòu)安全可靠性進(jìn)行評(píng)估，可以保證路橋的安全運(yùn)營(yíng)，徹底消除人工監(jiān)測(cè)的滯后性和低效性，具有重要意義。

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