劉志平 姚 翔 萬(wàn) 當(dāng) 李 麗

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院1） 武漢 430063） （河南省濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系2） 濟(jì)源 454000）

0 引 言

應(yīng)變測(cè)量是獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度信息的主要測(cè)試手段，許多應(yīng)用領(lǐng)域，包括大型機(jī)械金屬機(jī)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)以及橋梁等，均對(duì)其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和測(cè)試方法有明確的要求.以大型金屬結(jié)構(gòu)（如大型起重機(jī)械）為例，傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)需要鋪設(shè)大量導(dǎo)線，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域的靜動(dòng)態(tài)強(qiáng)度測(cè)試.文獻(xiàn)［1－4］設(shè)計(jì)了一些無(wú)線靜態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試傳感器節(jié)點(diǎn)，擺脫了導(dǎo)線的羈絆，但信號(hào)精度及穩(wěn)定性，特別是無(wú)線傳輸性能（傳輸距離、繞射能力等）限制了其在大型金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)用.

本文基于時(shí)間－數(shù)字轉(zhuǎn)換器的應(yīng)變測(cè)試原理，采用德國(guó)ACA M公司的PSΦ21芯片和上海捷波通訊公司的GPRS DTU設(shè)計(jì)了一種智能應(yīng)變測(cè)試傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高、傳輸距離不受限制及易于擴(kuò)展等特點(diǎn).介紹了傳感器組成及軟硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)該傳感器的性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 基于TDC的應(yīng)變測(cè)試原理

在傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量中，采用電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成電橋測(cè)量，測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào).特點(diǎn)表現(xiàn)在：（1）結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜.典型的測(cè)量電路通常需要由信號(hào)調(diào)理放大電路、濾波器及A／D轉(zhuǎn)換器組成；（2）匹配電阻的精度要求高.為滿足橋路電阻值匹配，需要使用精度較高的電阻；（3）橋壓調(diào)節(jié)、溫度補(bǔ)償、增益補(bǔ)償復(fù)雜，多采用添加補(bǔ)償電阻的機(jī)械調(diào)整方式；（4）功耗高.測(cè)量橋路在3 V供電的情況下，自身就要有3 mA的電流消耗或者更多［5］.TDC測(cè)量原理采用不同于傳統(tǒng)測(cè)量的方法.應(yīng)變電阻的變化通過(guò)時(shí)間間隔的測(cè)量來(lái)求出，而不是像惠斯通電橋通過(guò)電壓變化來(lái)求得.TDC的測(cè)量原理如圖1所示：應(yīng)變電阻器R1，R2與電容器C1一起構(gòu)成了一個(gè)RC低通濾波器.電容器先充電到Vcc，然后，通過(guò)應(yīng)變電阻器進(jìn)行放電.放電到閥值電壓Vtrig的時(shí)間τ由TDC精確地測(cè)量出來(lái).傳感電阻的變化反映為放電時(shí)間τ的變化，TDC測(cè)量精度可以達(dá)到相當(dāng)于24位A／D的轉(zhuǎn)換精度.

2 智能應(yīng)變測(cè)試傳感器硬件設(shè)計(jì)

基于PSΦ21和GPRS DTU技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了金屬結(jié)構(gòu)智能應(yīng)變測(cè)試傳感器.傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.其工作原理如圖2所示，測(cè)量電路由2路半橋電路組成，通過(guò)PSΦ2 1進(jìn)行TDC測(cè)量，采用SPI總線與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)與GPRS DTU之間采用串口連接，再通過(guò)GPRS DTU將采集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程固定IP服務(wù)器.

圖1 TDC測(cè)量原理

圖2 智能應(yīng)變測(cè)試傳感器工作原理

2.1 采集模塊外圍電路

PSΦ21外圍電路非常簡(jiǎn)單，電子器件均為標(biāo)準(zhǔn)件.PSΦ21接口電路如圖3所示，智能傳感器測(cè)量系統(tǒng)不需要一個(gè)完整的全橋，半橋電路測(cè)試精度就已經(jīng)足夠，2個(gè)電阻與1個(gè)電容一起構(gòu)成1個(gè)低通濾波器，最多能接2個(gè)全橋或者4個(gè)半橋.比較器對(duì)于測(cè)量精度有明顯影響.通常使用雙極性比較器電路就可達(dá)到非常好的測(cè)量質(zhì)量.為了達(dá)到最佳測(cè)量范圍，電容放電時(shí)間設(shè)置在50～60 μs范圍內(nèi)，同時(shí)選擇合適的電容值以及材料.應(yīng)變電阻和電容值推薦值為1 kΩ／68 n F，350Ω／220 n F.電容器材料應(yīng)為多層陶瓷、COG／NPO陶瓷、聚苯乙烯、聚碳酸酯纖維等［5］.

圖3 采集模塊外圍電路

2.2 GPRS DTU接口電路

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在公網(wǎng)內(nèi)的無(wú)線傳輸，傳感器采用上海捷波通訊公司的GPRS DTU（JB4001－1）和SILICON LABS公司的C8051F920單片機(jī)，GPRS DT U與單片機(jī)之間通過(guò)UART串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.此外，單片機(jī)還能控制GPRS DTU電源的開(kāi)關(guān)Q5，實(shí)現(xiàn)按需傳輸數(shù)據(jù)的目的，降低傳感器的功耗.再考慮數(shù)據(jù)大流量問(wèn)題時(shí)，可在監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)變化不大的情況下，通過(guò)單片機(jī)對(duì)前端接收數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，再由GPRS DTU發(fā)送，以減小數(shù)據(jù)流量資費(fèi).其接口電路如圖4所示.

圖4 GPRS DTU接口電路

2.3 電源設(shè)計(jì)

該智能傳感器能使用多種供電模式：（1）鋰電池供電模式；傳感器自帶電源監(jiān)測(cè)功能，在電壓不足時(shí)報(bào)警，也可利用短消息在傳感器未工作時(shí)控制單片機(jī)切斷DTU電源，節(jié)省電池能量；（2）外接有源供電模式；傳感器內(nèi)設(shè)AC／DC（220～12 V）模塊，使得外接電源電壓范圍較廣，滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的電源要求.傳感器電源電路原理如圖5所示.

圖5 電源模塊電路原理圖

3 智能應(yīng)變傳感器軟件設(shè)計(jì)

3.1 PSΦ21測(cè)量流程及軟件設(shè)置

應(yīng)變傳感器在工作前要對(duì)PSΦ21芯片各寄存器進(jìn)行設(shè)置，以滿足采集數(shù)據(jù)精度的要求.在應(yīng)變測(cè)試的情況下，需要考慮增益誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償測(cè)量、Offset補(bǔ)償、熱身測(cè)量等，其它寄存器均為默認(rèn)值.PSΦ21測(cè)量流程如圖6所示，增益誤差補(bǔ)償分為：標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償和分別進(jìn)行補(bǔ)償.標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償是附加一次額外循環(huán)測(cè)量；為提高測(cè)量精度時(shí)采用分別進(jìn)行補(bǔ)償，其用到2個(gè)額外的電阻，2個(gè)電阻分別接到放電電容輸入端，寄存器Sep Gain＝“1”啟動(dòng)分別補(bǔ)償，一次分別補(bǔ)償往往需要在正常測(cè)量后3次額外的測(cè)量.寄存器Temp Rate＝“1”啟動(dòng)溫度測(cè)量，在一次應(yīng)變電阻測(cè)量后進(jìn)行一次，需要2個(gè)周期.Offset補(bǔ)償需要測(cè)量在沒(méi)有負(fù)載情況下的橋的offset，設(shè)置寄存器1的＝“0”，在高平均率的情況下做一次測(cè)量，電橋的offset以pp m形式給出，將該值寫(xiě)入offset寄存器.寄存器Mfake＝“1”啟動(dòng)熱身測(cè)量，在一次應(yīng)變電阻測(cè)量后進(jìn)行一次通過(guò)以上寄存器的設(shè)置后，應(yīng)變系統(tǒng)將不再受溫度影響，通過(guò)軟件設(shè)置可以精確地消除系統(tǒng)的溫度漂移和零點(diǎn)溫度漂移，輸出高精度的采集數(shù)據(jù).

圖6 采集模塊工作流程圖

3.2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸工作流程及流程圖

PSΦ21采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線與單片機(jī)通訊，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包傳輸?shù)紾PRS DTU，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程主機(jī).采用GPRS無(wú)線傳輸具有數(shù)據(jù)傳輸距離無(wú)限制，信號(hào)繞射度高，傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸速率較高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì).在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)時(shí)，不免遇到GPRS DTU重?fù)艿那闆r（一般不超過(guò)3 min），采集到的數(shù)據(jù)將保存在DTU RA M（32 M）中，待重新連接之后，再發(fā)送到服務(wù)器，確保數(shù)據(jù)不丟失.

4 傳感器性能測(cè)試

在等強(qiáng)度梁兩面貼上應(yīng)變電阻如圖7所示，加載過(guò)程如下：靜載：空載調(diào)零，依次加上1 kg（相當(dāng)于100με）、2 kg（相當(dāng)于200με），再依次取下，待靜止回零；動(dòng)載：對(duì)等強(qiáng)度梁懸空端施加脈沖沖擊，讓其振動(dòng)并自由衰減，測(cè)試應(yīng)變數(shù)據(jù).

圖7 電阻應(yīng)變片貼片原理

傳感器測(cè)量周期為50 Hz的測(cè)試結(jié)果如圖8所示.靜態(tài)測(cè)試結(jié)果有明顯的線性關(guān)系，最大零點(diǎn)誤差3με，非零點(diǎn)最大相對(duì)誤差＋2.6%，最大回零漂移3με.動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果顯示信號(hào)有衰減的過(guò)程，滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試性能要求，適用于大型金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試.

圖8 動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了TDC測(cè)量原理，采用PSΦ21及GPRS DT U設(shè)計(jì)了一種智能應(yīng)變傳感器，該傳感器具有應(yīng)變測(cè)量電路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，無(wú)線傳輸距離無(wú)限制等特點(diǎn).實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表現(xiàn)出很好的動(dòng)靜態(tài)性能和無(wú)線傳輸性能，適合于大型金屬結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè).

［1］戴亞文，彭 磊，邱 航.一種高精度無(wú)線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：357－360.

［2］徐 俊，戴亞文，張義桃.基于 MSP430的超低功耗無(wú)線應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（7）：11－13.

［3］尚 盈，袁慎芳，吳 鍵.用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（7）：86－88.

［4］黃 僑，李忠龍，沙學(xué)軍.基于應(yīng)變式傳感器的橋梁無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.公路交通科技，2007，24（7）：56－59.

［5］Strain P.Digital amplifier for strain gages PSΦ21 data－sheet［DB／OL］.（2006－06－02）［2010－06－15］.http：／／www.acam.de／filead－min／Download／pdf／English／DB＿PSΦ21＿e.pdf