陳得民 / 北京必創(chuàng)科技股份有限公司

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無線雙核應變應力測量裝置

陳得民 / 北京必創(chuàng)科技股份有限公司

摘要設計了一種無線雙核應力測試裝置，從硬件技術上解決了無線網絡的同步性問題。設備主要有三部分組成：測量電路，數據處理單元和無線射頻單元。無線射頻單元采用獨立的數據處理模塊，和外部的數據處理模塊構成一個雙核系統(tǒng)。在進行同步數據采集時，直接由射頻單元內的時鐘發(fā)送脈沖信號來控制采集電路，從而大大降低了時間延誤，提高了數據采集的同步準確度。設備在閘門支臂啟閉過程中進行了應力測試。結果顯示，該設備滿足工程測試要求，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。

關鍵詞無線傳感器；應變測試；應力測試；雙核

0　引言

應變測量是很多機械工程、水利工程、巖土工程等領域中一項最基本的測試內容。但在這些工程測試領域，其現(xiàn)場環(huán)境比較復雜，很多處于高空位置，如果采用傳統(tǒng)的有線測量方式，一則工程量巨大，施工難度極高；二則，有線方式易受到外部環(huán)境的干擾；三則，對于部分移動設備，將無法完成測量。

無線傳感器網絡技術的發(fā)展為解決傳統(tǒng)有線應力應變數據采集系統(tǒng)所面臨的問題提供了契機。無線傳感器網絡技術是涉及傳感器、無線網絡、微機電系統(tǒng)以及數據處理等諸多技術領域的一門交叉學科。雖然，基于該技術，目前很多企事業(yè)單位也研制出很多無線應變應力測試系統(tǒng)，可以解決有線系統(tǒng)所面臨的上述諸多問題，但是，在很多特殊的應力應變測試工況中，需要多傳感器多測點同步測試，而這些設備有的只能進行靜態(tài)加載試驗，有的只能進行定采樣率動態(tài)獨立測試，其單設備內通道間及設備與設備間同步性都比較差，例如大型起重機械的動載試驗，水閘門啟閉過程中支臂應力測試等。這些動態(tài)過程測試中，需要同時對整個結構上的多個測點進行同步測試，以便掌握設備整體動態(tài)受力特性。而市場上常見的這些無線應變檢測系統(tǒng)，雖然也可以實現(xiàn)多測點同步測試，但其同步技術都是通過網絡協(xié)議中同步算法實現(xiàn)，其同步準確度不高。基于上述諸因素的考慮，本文研究設計一種無線雙核應力測試裝置，從硬件架構上解決無線網絡的同步性問題。同時，本文結合一典型的工程應用實例，對該設備的應用做了詳細描述。事實證明，該設備使用方便、功能齊全、性能穩(wěn)定，不僅可以用于結構靜態(tài)應變應力測試，亦可用于結構動態(tài)多測點同步應變應力測試。

1　無線應變測試系統(tǒng)結構

本文所涉及的無線應變測試系統(tǒng)是一個典型的無線傳感器網絡[1]。系統(tǒng)采用無線應變傳感器采集應變數據，每個無線應變傳感器獨立工作，分布式布置，將采集的數據發(fā)送到無線網關，無線網關接收本網絡內多個無線應變傳感器的數據，并通過各種有線或無線接口轉發(fā)至監(jiān)控主機。監(jiān)控主機安裝有數據采集與處理軟件，對接收的數據進行采集、存儲、顯示和分析等。

2　應變應力測試原理

材料在受外力作用時，將產生機械變形，機械變形會產生阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應變效應。用應變片測量受力應變時，將應變片粘貼于被測對象的表面。在外力作用下，被測對象表面產生微小機械變形時，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化[2]，其存在如下關系式：

k —— 靈敏系數；

ε —— 應變值

圖1　惠斯登電橋

式中：δ —— 試件的應力；

E —— 試件材料的彈性模量；

k —— 一般在1.7~3.6之間

3　無線應變傳感器

無線應變測量系統(tǒng)主要由數據采集電路、數據處理模塊、無線通信模塊及電源管理模塊組成。數據采集電路主要是通過激勵源給外部應變片提供恒壓或恒流源，然后將外部應變片與內部高精度電阻組成測量橋路，再通過放大、濾波及A/D采集芯片等實現(xiàn)應變信號的采集；數據處理模塊主要是控制數據的采集和處理，并與無線通信模塊進行數據的傳輸；無線通信模塊主要是實現(xiàn)數據的無線收發(fā)；電池管理模塊主要給該設備供電部分提供電源[3,4]。

3.1應變采集電路的設計

應變采集電路是該設備最前端信號獲取部分，也是本設備最關鍵電路部分之一，直接關系到采集到的應變數據的穩(wěn)定性及準確度。該采集電路如圖2所示，主要由五部分組成：激勵電路、配橋電路、電橋調平電路、放大濾波電路以及A/D采集芯片。激勵電路主要是利用運算放大器，通過電阻R2 和V_REF的配比計算產生一個恒定電壓或電流，為橋路提供工作所需要的恒定激勵源。橋路電路由四個高精度橋臂電阻（R5- R8）和一個多路開關芯片組成，可通過控制多路開關芯片的通斷來切換內部橋臂電阻的連接方式，從而可以對全橋、半橋、四分之一橋等不同橋路進行選擇，大大增加了系統(tǒng)架設的靈活性。由于受環(huán)境變化、應變片電阻不一致性等因素影響，電橋電路將發(fā)生零偏。電橋調平電路由兩個橋路調平輔助電阻R9、R10和一個可調電位計構成。通過控制可調電位計的阻值大小完成電橋電路的零偏校正。放大濾波電路是由儀表放大器和與之匹配的電阻（R11-R15）、電容（C1、C2）組成，用于放大、調理因橋路微小應變產生的應變電壓信號。合理的放大倍數和濾波頻率能夠最大程度地還原真實值，反應橋路的變化情況。A/D采集芯片負責將已經放大、濾波后的電壓信號轉換成數字信號，并通過spi、串口等其他數字接口傳輸給主控芯片MCU。

圖2　采集電路圖

3.2雙核數據處理硬件架構

傳統(tǒng)無線數據采集裝置如圖3所示，其包括一個微控制單元MCU，以及與微控制單元連接的無線射頻單元和數據采集單元。其中，數據采集單元用于在微控制單元控制下進行數據采集，微控制單元對采集到的數據進行數據處理；無線射頻單元用于在控制單元控制下發(fā)送數據處理結果。但是，由于現(xiàn)有的無線數據采集裝置中僅具備單微控制單元，因此，其采集能力、數據處理能力、數據的傳輸能力以及系統(tǒng)的擴展能力都很有限。

圖3　雙核硬件原理

本文設計的無線雙核數據采集裝置，由于分別在無線射頻部分和數據處理部分設置了單獨的微控制單元，因此可以提高無線數據采集裝置的采集、數據處理、數據傳輸以及擴展等能力。同時，由于無線射頻部分微控制單元中的時鐘電路模塊向數據處理部分中的采集電路提供時鐘信號，由此實現(xiàn)了同步采集。該雙核采集裝置主要由數據處理部分和無線射頻部分組成。其中，無線射頻部分由射頻芯片和數據處理模塊組成，數據處理模塊由數據處理電路及時鐘電路組成。數據處理部分由數據采集電路、時鐘電路及數據處理電路組成。基本結構如圖3所示。其中，無線射頻部分包括第一微控制單元MCU1和射頻芯片。MCU1包括第一時鐘電路模塊和第一數據處理電路模塊。數據處理部分包括第二微控制單元MCU2。MCU2包括第二時鐘電路模塊、第二數據處理電路模塊和采集電路模塊。第一時鐘電路模塊用于向第一數據處理電路模塊提供第一時鐘信號，并在采集時間點向采集電路提供第一時鐘信號。采集電路根據第一時鐘信號在采集時間點進行數據采樣，并將得到的采樣數據發(fā)送至第二數據處理電路模塊。第二時鐘電路模塊用于向第二數據處理電路模塊提供第二時鐘信號。第二數據處理電路模塊根據第二時鐘信號對采樣數據進行運算，并將運算結果發(fā)送至第一數據處理電路模塊。第一數據處理電路模塊通過射頻芯片接收包括采集時間點的采集指令，并于采集啟動時間點控制第一時鐘電路模塊向采集電路模塊提供第一時鐘信號，以及用于根據第一時鐘信號和預置的網絡協(xié)議對運算結果進行調制形成數據包，并通過射頻芯片發(fā)送數據包。

本文所設計的無線應變采集裝置中，無線射頻部分中的射頻芯片采用低功耗射頻芯片MC13192 zigbee，第一微控制單元采用帶時鐘的低功耗單片機MC9S08GB60A。數據處理部分中的第二微控制單元采用帶A/D采集電路及內部時鐘的單片機MSP430。由于MC9S08GB60A中的時鐘信號提供給MSP430中的A/D采集電路，由此實現(xiàn)了同步采集。

圖4　通道橋路電路

3.3無線應變采集設備實現(xiàn)

本文設計的無線應變節(jié)點是一種基于802.15.4協(xié)議的新型雙核數據采集系統(tǒng)，其使用非常簡單，直接將節(jié)點用自帶的磁鐵吸在被測物上即可。每個設備設計四路獨立采集電路，其由電源模塊、采集處理模塊以及無線通信模塊組成。每個數據采集通道內都有內置獨立的高精度橋路電阻和放大調理電路，以支持電壓激勵。同時，該設備可以通過上位機軟件，方便地實現(xiàn)四分之一橋、半橋、全橋測量方式的自動切換，兼容了各種類型的橋路傳感器。其數據采集通道與外接應變片組成的橋路原理圖如圖4所示，Sx+、Sx-是通道的正負信號端，AEXC是在全橋時和接地端AGND組成橋路輸入端。

該設備采集的數據可以實時存儲在節(jié)點內，同時也可以實時傳輸到上位機，從而保證了采集數據的安全性及準確性。節(jié)點的無線傳輸速率可以達到250 kbps，其通信距離可達到1 km。節(jié)點內部有電源管理軟硬件，在數據連續(xù)傳輸時節(jié)點功耗僅幾毫安。節(jié)點內置可充電電池，充滿一次電可連續(xù)工作半年以上。節(jié)點支持外部I/O觸發(fā)采集控制模式，通過外部接口接入高電平信號進行控制。節(jié)點帶有USB接口，用戶可以通過USB接口對節(jié)點充電，同時可以快速把節(jié)點內存儲器的數據下載下來[5]。

4　工程應用

該設備在江山碗窯水庫露頂弧形工作閘門8 m× 10 m-10 m的閘門支臂上進行了動態(tài)應力測試[6]。在無水壓力作用下測量啟閉閘門過程的動態(tài)應力。測試前，在閘門上支臂選擇8個測點，每個測點粘貼一單片1/4橋應變片，其中4個測點在左支臂，4個測點在右支臂，每4個測點使用一臺四通道的無線應變采集裝置，在閘門啟閉過程中對支臂動態(tài)應力進行實時同步測量。部分測量結果如圖5和圖6所示。

圖5　閘門左支臂測點啟閉過程應力曲線

圖6　閘門右支臂測點啟閉過程應力曲線

動態(tài)應力測試結果顯示，在無水壓力作用下，左支臂上測點在啟門過程的實測附加動應力一直保持在較高水平，附加動應力值并沒因受力條件改善而降低，受力狀態(tài)不正常。同時，通過對8條數據曲線分析，通道與通道之間及兩采集設備之間的數據同步準確度極高，通道之間同步誤差在±0.01 ms之內，設備與設備之間同步誤差在±0.1 ms之內。

5　結語

基于無線傳感器網絡技術的無線測試系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)有線數據采集系統(tǒng)在工程應用方面所面臨的諸多問題。同步采集技術是無線傳感器網絡最關鍵的技術之一。本文研制的雙核應變應力采集裝置從硬件技術架構上解決了無線應變采集系統(tǒng)的時間同步問題，是無線傳感器網絡同步技術的一次革新。同時，本文研制的無線應變測試系統(tǒng)在實際工程中得到應用。結果顯示，本系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，測量準確度及時間同步準確度極高。

參考文獻

[1] 孫利民,李建中.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[2] 陳得民 應變傳感器的穩(wěn)定性[M].上海計量測試,2012(03): 20-22.

[3] 陳得民,羅銀生, 張俊輝,等.一種應變式無線傳感器: CN 102628717 A[P]. 2012.

[4] 陳得民,楊紹普.一種無線雙核數據采集裝置及采集方法:中國, 104298160A[P]. 2015.

[5] 陳得民,張一輝,李淑娟,等.基于WSNs的吊機應力監(jiān)測系統(tǒng)機械工程與自動化[J].2012(02):28~30.

[6] 陳得民,沈唯真,代嘯寧.一種無線閘門設備狀態(tài)監(jiān)測裝置:CN 203642964 U[P]. 2014.

A wireless dual-core strain stress measuring device

Chen Demin
（BeiJing BeeTech Inc）

Abstract:A wireless dual-core stress testing device was designed. The synchronization of wireless network in hardware technology has been solved. The device was composed of three components: measuring circuits, data processing unit and wireless communicating module. Wireless communicating module adopted independent data processing module which constituted a dual-core processor with the external CPU. In the synchronous data acquisiting system, the clock signals of wireless communicating module sent pulse signals directly to control the data acquisition circuit. In this way, the time delay was reduced greatly and the synchronous accuracy of data acquisition was improved. The measuring device was applied to stress testing in the process of opening and closing of the gate arm. The testing results show that the system meets the requirements of engineering test, and the system performance is stable and reliable.

Key words:wireless sensor; strain test; stress test; dual-core