唐光武，梁華鵬，向中富

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074; 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

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基于頻率法的索力測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074; 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

根據(jù)振動(dòng)頻率法測量索力的原理設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的簡易索力測量系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件總體方案研制和總體軟件設(shè)計(jì)；軟件包含處理器程序設(shè)計(jì)、IIC 總線傳輸模塊、頻譜分析、鍵盤控制與LCD模塊及上位機(jī)軟件。經(jīng)過重慶大佛寺長江大橋的索力測量，實(shí)例驗(yàn)證表明：系統(tǒng)適用性強(qiáng)，攜帶方便，操作簡單。

橋梁工程；索力；振動(dòng)頻率法；索力測量實(shí)驗(yàn)；軟件系統(tǒng)

0 引 言

斜拉索是斜拉橋主要承重構(gòu)件之一，其拉力測試的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到斜拉橋施工控制的順利進(jìn)行和斜拉橋建成投入使用的安全運(yùn)營。目前可用于斜拉索索力測量有如下幾種方法。

1)油壓表讀數(shù)法。即使用液壓千斤頂對(duì)拉索進(jìn)行張拉，在使用時(shí)，常通過精密壓力表或者液壓傳感器測定油缸的液壓，從而換算出索力。該方法簡單易行，主要可用于在施工過程中控制和調(diào)節(jié)索的張拉，但不適合已建橋的索力監(jiān)測。

2) 壓力傳感器法[1-2]。即將圓環(huán)形彈性材料和應(yīng)變傳感材料組成穿心式壓力傳感器，安裝在拉索錨具和索孔墊板之間，拉索在張力作用下使彈性材料受到錨具和索孔墊板之間的壓力作用，并發(fā)生形變。通過應(yīng)變傳感材料將彈性材料的變形轉(zhuǎn)換成可測量的電信號(hào)或光信號(hào)，再通過二次儀表處理，測量得到索力。

3)磁通量法[3-5]。即利用電磁傳感器，通過測量穿過拉索軸向的磁通量變化，再根據(jù)索力與磁通量變化的關(guān)系，推算出索力。該方法所用傳感器通常由激勵(lì)和感應(yīng)線圈組成，不影響拉索的其它力學(xué)特性和物理特性。但該方法需要對(duì)傳感器進(jìn)行應(yīng)力和溫度測量的校正，比較麻煩。若需在工程中廣泛應(yīng)用，還需解決溫度影響、材料影響、磁場影響和傳感器標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)[6]。

4)振動(dòng)頻率法[7-9]。即利用附著在拉索上的精密傳感器，采集拉索振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大和頻譜分析，確定拉索自振頻率，然后根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系求得索力。用振動(dòng)頻率法測試索力，需準(zhǔn)確建立索力和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有時(shí)候可達(dá)到很高的精度。該方法測試索力具有操作思路簡單、設(shè)備可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對(duì)索力的復(fù)測和測試荷載對(duì)索力的影響。

筆者依據(jù)振動(dòng)頻率法測量索力的基本原理，推導(dǎo)出拉索索力的實(shí)用計(jì)算公式，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的簡易索力測量系統(tǒng)，完成系統(tǒng)硬件總體方案研制和系統(tǒng)總軟件設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)重慶大佛寺長江大橋，完成拉索索力測量的效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1 振動(dòng)頻率法測索力的理論推導(dǎo)

根據(jù)弦振動(dòng)理論，在考慮抗彎剛度情況下，水平張緊索的自由振動(dòng)方程為：

(1)

式中：x為沿索長方向的坐標(biāo)；v(x，t)為t時(shí)刻拉索上各點(diǎn)的豎向位移；EI為索的抗彎剛度；T為拉索索力；m為拉索的線密度。

考慮當(dāng)拉索兩端為鉸支時(shí)，由式(1)可推導(dǎo)得拉索平面內(nèi)振動(dòng)頻率和索張力之間關(guān)系：

(2)

式中：n為拉索自振頻率的階數(shù)；fn為拉索的第n階頻率；L為拉索的計(jì)算索長。

對(duì)式(2)進(jìn)行微分可看出，索力的測試精度受到抗彎剛度、索長度、索的線密度以及基頻的影響。前期部分學(xué)者對(duì)索力測量精度的研究大都集中在抗彎剛度、索長度以及線密度等邊界條件[10-11]。若被測對(duì)象邊界條件完全確定，如何準(zhǔn)確獲得拉索振動(dòng)的基頻，結(jié)合選用性能優(yōu)異的硬件系統(tǒng)，并完成軟件系統(tǒng)就顯得非常關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的索力測量系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、加速度傳感器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制、RAM存儲(chǔ)單元和RS-232通信串口等組成，詳見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)Fig.1 Overall hardware system design

各個(gè)部件和單元的功能描述如下：

1)精密加速度傳感器獲取拉索振動(dòng)的加速度信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換，送往處理器做處理；

2) 外部RAM 是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，以滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；

3)單片機(jī)除了用來處理加速度傳感器信號(hào)，還將數(shù)據(jù)輸出到液晶顯示器顯示，同時(shí)可通過通訊接口分別將時(shí)域振動(dòng)信號(hào)和頻域信號(hào)送往上位機(jī)；

4)鍵盤控制可以通過人為輸入被測量對(duì)象的相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)，以便后續(xù)計(jì)算索力；

5)液晶顯示單元只顯示計(jì)算出的索力大?。?/p>

6)計(jì)算機(jī)顯示終端可顯示出振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)曲線和幅頻曲線，也可計(jì)算索力大小。

2.1.1 主要芯片選型

1)微控制器。該系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為微控制器，STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有 8K 系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。

2)加速度傳感器模塊。該系統(tǒng)采用MMA8452Q加速度傳感器模塊來采集信號(hào)，它由傳感器及其外圍電路組成，MMA8452Q 是一款具有 12 位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器。

3)LCD顯示模塊。LCD顯示模塊作為一種被動(dòng)顯示器，具有功耗低，顯示信息大，壽命長和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在低功耗單片機(jī)系統(tǒng)中得到大量使用,最后選用液晶顯示器LCD1602來完成測量數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)果顯示。

4)存儲(chǔ)器單元選型。該系統(tǒng)需要作1 024點(diǎn)或更高點(diǎn)的FFT運(yùn)算，故單片機(jī)的512Byte的RAM空間顯然不能滿足要求，因此系統(tǒng)采用HM62256芯片擴(kuò)展了64 k的RAM臨時(shí)存儲(chǔ)空間。

2.1.2 硬件電路設(shè)計(jì)與連接方式

1)單片機(jī)最小系統(tǒng)。包括晶振電路和復(fù)位電路，它是單片機(jī)能夠正常運(yùn)行所需要的最小配置。

2)外部RAM存儲(chǔ)器電路。HM62256芯片與單片機(jī)的P0口和P2口相連。

3)液晶顯示器使用LCD1602，它的8根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P1口相連來傳送數(shù)據(jù)或指令。

4)單片機(jī)微控制器與PC上位機(jī)通信采用串行通信的RS-232-C接口來完成。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件部分包含和單片機(jī)相關(guān)的處理軟件和上位機(jī)軟件兩大關(guān)鍵部分，其中單片機(jī)軟件包含IIC串行總線數(shù)據(jù)采集，頻譜分析軟件模塊，鍵盤控制及LCD顯示模塊等。

2.2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序主要由IIC協(xié)議模塊、FFT程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、液晶顯示模塊組成。振動(dòng)頻率法測索力流程如圖2。

圖2 振動(dòng)頻率法測索力流程Fig.2 Cable tension measurement flow with vibration frequency method

程序先將加速度傳感器采集的信號(hào)通過IIC串行總線傳給單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)將其傳到上位機(jī)作為時(shí)域信號(hào)，然后單片機(jī)將加速度值作FFT后求其幅值，并將幅度值做一些濾波處理后傳給上位機(jī)用作頻域信號(hào)，也可通過鍵盤掃描輸入拉索參數(shù)，送液晶顯示后計(jì)算拉索的索力大小。

2.2.2 利用IIC串行總線的數(shù)據(jù)采集軟件

1)IIC總線簡介及工作原理

IIC總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備(特別是外部存儲(chǔ)器件)。IIC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。

2)IIC總線程序流程(圖3)

系統(tǒng)中單片機(jī)(主機(jī))只需要從加速傳感器(從機(jī))讀取數(shù)據(jù)，不需向傳感器寫入數(shù)據(jù)，程序的關(guān)鍵之處在于要根據(jù)IIC協(xié)議嚴(yán)格的控制時(shí)序，對(duì)時(shí)序要求很高。

圖3 IIC總線程序流程Fig.3 IIC program flow diagram

2.2.3 頻譜分析軟件模塊

FFT(Fast Fourier Transformation)，即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。

基2-FFT算法：包括按時(shí)間抽取和按頻率抽取算法。筆者采用按時(shí)間抽取的基2-FFT算法，通過設(shè)計(jì)包含輸入倒位序、輸出自然順序等系列模塊的FFT程序。程序包括變址算法和L級(jí)遞推計(jì)算兩大部分，變址采用雷德倒序算法。

2.2.4 鍵盤控制及LCD顯示

系統(tǒng)通過按鍵來對(duì)液晶的顯示進(jìn)行控制，主要控制參數(shù)的輸入和其它一些相關(guān)的操作。

2.2.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)利用VC++ 6.0軟件自帶的通信控件Mscomm接收到單片機(jī)實(shí)時(shí)傳來的時(shí)域和頻域信號(hào)，之前需要完成MFC界面的設(shè)計(jì)和對(duì)Mscomm控件進(jìn)行屬性設(shè)置和事件響應(yīng)函數(shù)的程序編寫，然后通過插入的畫圖控件Teechart畫出接收到的時(shí)域和頻域曲線，然后軟件掃描頻域曲線，輸入拉索參數(shù)后自動(dòng)計(jì)算出索力大小，如圖4。

圖4 上位機(jī)程序Fig.4 Block diagram of host machine

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

3.1 測前系統(tǒng)自我檢測

在具體測試索力前，對(duì)研制的索力測量系統(tǒng)進(jìn)行我檢測。讓傳感器模塊作類似簡諧運(yùn)動(dòng)，然后觀察上位機(jī)畫出的時(shí)域曲線是否類似于正弦波，以檢測系統(tǒng)是否連接正確和正常工作。

3.2 測試過程

重慶大佛寺長江大橋位于重慶朝天門碼頭下游約5 km處，總長1 168 m，橋面寬30.06 m，雙向6車道，為雙塔雙索面斜拉橋。測試對(duì)象是重慶大佛寺長江大橋南跨橋第1，5，6根拉索。測試過程如下：

1)將傳感器模塊用膠帶捆扎在待測拉索上，然后系統(tǒng)上電，這時(shí)，液晶上顯示“welcome”；

2)在上位機(jī)上設(shè)置串口號(hào)和波特率，然后點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，再在下位機(jī)上按下按鍵s5的同時(shí)給拉索一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，可以觀察到液晶上顯示“waiting”字樣，同時(shí)上位機(jī)軟件開始繪制1024點(diǎn)的時(shí)域曲線，繪制完畢后開始繪制512點(diǎn)幅頻曲線，之后液晶上顯示“over”字樣；

3)在上位機(jī)上輸入拉索參數(shù)后，點(diǎn)擊“計(jì)算索力”按鈕，這時(shí)自動(dòng)計(jì)算出所測拉索的索力大?。?/p>

4)在下位機(jī)上按下按鍵s6，液晶上提示輸入拉索參數(shù)，然后即可通過按鍵s1，s2，s3輸入?yún)?shù)，輸入完成后按下按鍵s4，液晶上就會(huì)顯示出索力大小。

以上功能和結(jié)果經(jīng)過多次測試都可以非常穩(wěn)定和比較完美的實(shí)現(xiàn)。

3.3 測試結(jié)果

1)在分別測試了南跨橋第1，5，6根拉索后，上位機(jī)對(duì)從串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制的時(shí)域曲線和頻域曲線，如圖5。可以發(fā)現(xiàn)，圖5中均出現(xiàn)了部分奇點(diǎn)，由于出現(xiàn)的奇點(diǎn)不多，因此并不影響對(duì)采集的信號(hào)作FFT的結(jié)果。

圖5 第1、5、6根拉索測試結(jié)果Fig.5 Cable tension test results of the 1st, 5th, 6th cable

2)從幅頻特性曲線可以清楚地看到有2個(gè)波峰，第1個(gè)波峰所對(duì)應(yīng)的頻率就是系統(tǒng)需要的基頻，2個(gè)波峰的間距與基頻基本同。通過程序掃描可得出此基頻，并根據(jù)此頻率和用戶輸入的和被測對(duì)象相關(guān)的參數(shù)即可計(jì)算得出索力大小。

3)第1，5根拉索時(shí)域和頻域曲線檢測的曲線情況基本相同，而第6根拉索測量結(jié)果的幅頻曲線并不規(guī)則。它們的幅頻曲線中均出現(xiàn)了部分奇點(diǎn)，但這并不影響對(duì)采集信號(hào)作FFT的結(jié)果。

4 結(jié) 論

筆者從硬軟件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)角度出發(fā)，就索力測量系統(tǒng)的相關(guān)問題做了較深入的分析，得出如下結(jié)論：

1)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的索力測量系統(tǒng)在工程現(xiàn)場，只需輸入少量參數(shù)，完成拉索振動(dòng)信號(hào)采集、信號(hào)的快速傅立葉分析和對(duì)應(yīng)的索力大小計(jì)算，并可在線自動(dòng)完成。

2)根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)法索力測量的原理設(shè)計(jì)了嵌入式索力測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用性強(qiáng)，成本低廉、攜帶方便，操作非常簡單。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可比較精確的拾取振動(dòng)信號(hào)，可以獲得準(zhǔn)確的索振動(dòng)基頻，滿足頻率法測量索力方式的信號(hào)采集的主要功能。

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Design of Cable Tension Measurement System Based on Vibration Frequency Method

(1. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co. Ltd., Chongqing 400067, China; 2. School of Information Science & Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 3. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to the principle that cable tension can be measured by vibration frequency method, the simplified cable tension measurement system based on SCM was designed, and both whole hardware and whole software design systems were finished. The whole software included the processing program about MCU, IIC bus program flow, frequency spectrum analysis, key control, as well as LCD module and host computer software. Finally, the cable tension measurement experiment with Dafosi Bridge of Yangtze River was carried out, and the experimental results showed that this measurement system was applicable, portable and easy to use.

bridge engineering; cable tension; vibration frequency method; cable tension measurement experiment; software system

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.05

2014-04-17；

2014-07-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308573)；中國博士后基金項(xiàng)目(2011M500144)；重慶市教委項(xiàng)目(KJ100421)；重慶市科委應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目(cstc2014yykfA70005)；重慶市博士后日常資助項(xiàng)目(渝RC2011001)

U443.38;TU997；TP212.12

A

1674-0696(2015)05-025-04