鄧 霏，顏運強，張 誼

(中國工程物理研究院 計算機應(yīng)用研究所，四川 綿陽621900)

0 引 言

振弦式傳感器輸出的信號是頻率，具有抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡單可靠、準確度高、重復(fù)性好、長期穩(wěn)定性好等特點［1］。振弦式傳感器的這些優(yōu)點非常適合在大壩、橋梁等工作環(huán)境惡劣而且技術(shù)要求又高的工程技術(shù)領(lǐng)域，以監(jiān)測巖土所受的應(yīng)力和形變。應(yīng)變測量作為土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測的重要組成部分，無論是在工程建設(shè)期，還是在工程使用期都需要對工程進行長期監(jiān)測［2］。現(xiàn)有的檢測技術(shù)大多為采用有導(dǎo)線、現(xiàn)場供電和值守的測量手段［3］。隨著土木工程結(jié)構(gòu)建設(shè)的規(guī)模越來越大，建設(shè)和使用周期越來越長，傳統(tǒng)的測量方式的弊端越來越明顯:布設(shè)的傳感器越來越多，有線電纜用量劇增，布置和撤離有線電纜工作量大;由于工程的巨大，很多地方人員很難觸及。

本文設(shè)計的無線測量系統(tǒng)取消了冗長的導(dǎo)線，大大地提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性;采用太陽能供電，不需要現(xiàn)場取點或者頻繁的更換蓄電池;采用通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制和監(jiān)測，無需現(xiàn)場值守。因此，本系統(tǒng)的研發(fā)，使得對土木工程結(jié)構(gòu)的遠程監(jiān)測和全天候無人值守監(jiān)測成為可能，這必將給大型結(jié)構(gòu)的施工控制和已建成土木工程結(jié)構(gòu)的檢測帶來新的生命力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

振弦式應(yīng)變無線測量系統(tǒng)主要應(yīng)用于土木工程(如鐵路、橋梁等)的應(yīng)變測量，當周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化時，振弦長度因為熱脹冷縮發(fā)生變化，從而傳感器的輸出發(fā)生變化，因此，需用溫度對信號進行修正［4，5］;本系統(tǒng)共有16 個應(yīng)變和溫度測量通道，可以同時對16 個測點的應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)進行采集。該系統(tǒng)是集成GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)、太陽供電系統(tǒng)和大容量NANDflash 數(shù)據(jù)存儲為一體動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了振弦式應(yīng)變測量所需的全部功能:高精度橋路激勵源、信號放大、濾波、數(shù)據(jù)存儲等，并且所有參數(shù)均可通過軟件進行無線設(shè)置，實現(xiàn)了遠程控制和自動測量。圖1 是系統(tǒng)整體設(shè)計示意圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計Fig 1 Overall design of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)測量終端和遠程監(jiān)控終端構(gòu)成。數(shù)據(jù)測量終端主要負責數(shù)據(jù)的采集和存儲及發(fā)送，其主要由傳感器激振驅(qū)動電路、拾振電路，GPRS 通信模塊電路、NAND flash 存儲模塊、太陽能充電控制電路、MCU 電路等組成。遠程監(jiān)控終端主要由GPRS 通信模塊組成，相當于一個主控制點，它通過地址來識別各個數(shù)據(jù)測量終端，給各個測量終端發(fā)送控制命令并從測量終端回收數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)測量終端的管理和控制。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of hardware circuit

2.1 傳感器激振驅(qū)動電路

因為電磁線圈電阻很小，流過線圈的電流能達到200～400 mA，STM32 的I/O 口不能承受，所以，選擇P-MOS(AO3401)來驅(qū)動，其電路圖如圖3 所示。圖3 中，JZ-Contro0是單片機的一個GPIO 口，這個GPIO 口控制MOS 管DS 的截止和導(dǎo)通，導(dǎo)通時，MOS 管D 端輸出一個高電平，截止時，MOS 管D 端輸出一個低電平輸。這樣，通過調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通截止的頻率，就可以得到一個方波去激勵振弦傳感器。

2.2 拾振電路

由于振弦式傳感器輸出的感應(yīng)電動勢非常微弱，一般情況下輸出信號的幅度在300 μV ～1 mV 之間，所有需要通過調(diào)理后才能被STM32 的I/O 口捕獲。圖4 是拾振電路原理圖，感應(yīng)電動勢經(jīng)過儀表放大器AD8231 的放大后，用一個運放組成的二階有源低通濾波電路對其進行低通濾波以去除其高頻雜波，濾波通過運放組成的二級放大電路對其進行放大，二級放大后對其進行二次濾波，最后通過遲滯比較器把傳感器輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，并將這個方波信號通過一個多路開關(guān)送入STM32 的定時器獲得陣弦的固有頻率。

圖3 激振驅(qū)動電路Fig 3 Excitation drive circuit

圖4 拾振電路原理圖Fig 5 Principle diagram of vibration picking circuit

2.3 太陽能充電管理電路

因為系統(tǒng)需要全天候不間斷監(jiān)測，所以，系統(tǒng)采用太陽能結(jié)合可充電鋰電池的供電方案。如圖5 所示，太陽能面板將供電給充電管理電路，充電管理電路再給鋰電池充電。該充電管理電路是一個基于UC2843 的Boost 變換電路，UC2843 是一個單端輸出型的PWM 控制集成電路［6］，只需要在其外圍配置很少的元器件，就可以實現(xiàn)一個高效率的Boost 變換器。

圖5 充電管理原理圖Fig 5 Principle diagram of charging management

2.4 數(shù)據(jù)存儲電路

在系統(tǒng)工作中，每個測量單元可接16 只傳感器，要存儲振弦傳感器的頻率數(shù)據(jù)和傳感器的溫度信息，本系統(tǒng)要用于長期監(jiān)測，所以，有大量數(shù)據(jù)需要存儲在系統(tǒng)的存儲單元中。本系統(tǒng)選擇NANDflash 作為數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，其電路如圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要有激振程序、拾振程序、數(shù)據(jù)存儲程序和無線收發(fā)程序等組成。設(shè)計的難點是激振程序。在本系統(tǒng)中采用間歇反饋激振法，結(jié)合掃頻激振法來設(shè)計系統(tǒng)的激振程序。如圖7，間歇反饋激振法，就是先根據(jù)傳感器的固有頻率初始值，設(shè)定第一次掃頻激振的頻率上限fmax1和下限fmin1，第一次激振后，對傳感器的輸出信號進行處理并測量其頻率f1。如果第一次拾得的方波個數(shù)小于n1，則根據(jù)f1來設(shè)定第二次掃頻激振的頻率上限fmax2和下限fmin2，然后測得第二次激振后傳感器的輸出頻率f2。以此類推，當STM32 拾得的方波個數(shù)大于等于n1，則停止激振，此時測得的傳感器輸出頻率就是傳感器的固有頻率，記錄這個頻率，用作下次測量的初始激振頻率。如果掃頻激振n2次后，STM32 拾得的方波個數(shù)依然小于n1，則報錯。所謂掃頻激振，就是從掃頻頻率下限fmin開始，由STM32 的I/O 口輸N 個脈沖，后增加δf，直到輸出頻率大于等率掃頻上限fmax。由這4 個參數(shù)決定的掃頻程序框圖如圖8 所示。

圖6 NAND flash 電路圖Fig 6 Circuit diagram of NAND flash

圖7 反饋激振程序流程圖Fig 7 Program flow chart of excitation with feedback

圖8 掃頻激振程序流程圖Fig 8 Program flow chart of frequency sweeping vibration

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試在某長江大橋下塔柱施工中進行，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9 所示。

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig 9 Diagram of monitoring datas

5 結(jié)束語

本測量系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用于很多橋梁的施工監(jiān)測中，通過實際應(yīng)用和測試數(shù)據(jù)證明:該測量系統(tǒng)可以對混凝土應(yīng)變和溫度進行準確的測量，實現(xiàn)了對土木工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度的長期自動監(jiān)測。同時，拓展了GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)在土木工程監(jiān)測中的應(yīng)用，實現(xiàn)了系統(tǒng)遠程控制和數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有較好的使用價值。

［1］ Lee H M，Kim J M，Sho，Park K，et al.A wireless vibrating wire sensor node for continuous structural health monitoring［J］.Electronics and Devices Instrumentation and Measurement，2010，23(3):27-32.

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［3］ Lynch J P，Law K H，Kiremidjian A S，et.A wireless modular monitoring system for civil structures［C］∥A Conference on Structural Dynamics，Los Angeles:IMAC-XX，2002:1-6.

［4］ 劉曉曦，王 旭，劉一通.振弦式土壓力傳感器溫度敏感性試驗研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(1):6-8.

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［6］ 周慧潮.常用電子元器件及典型應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:102-103.