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        基于無線傳感技術(shù)的橋梁應(yīng)變采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2016-12-03 01:40:52周曉旭岳鵬程郭曉澎
        山西交通科技 2016年2期
        關(guān)鍵詞:誤差率有線電阻

        周曉旭,岳鵬程,郭曉澎,楊 瑩

        (山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)

        0 引言

        橋梁是交通運(yùn)輸中非常重要的環(huán)節(jié),它使用情況直接影響著與其相關(guān)的交通樞紐的安全運(yùn)行。通常,橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)幾十甚至上百年,但在實(shí)際使用過程中受到材料老化、腐蝕、交通運(yùn)輸量變化、凍融損壞等諸多不利因素的影響,橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷積累、承載能力下降、抗力衰減、橋梁耐久性降低,最終可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生[1-2]。

        為了確保橋梁的安全運(yùn)營,就需要確定橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài),而應(yīng)變是橋梁健康狀態(tài)評估的重要指標(biāo)[3-4]。當(dāng)前橋梁應(yīng)變檢測的數(shù)據(jù)傳輸方式基本采用有線電纜方式完成,此技術(shù)雖有數(shù)據(jù)傳輸效率高、準(zhǔn)確性高和技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn),但在大型橋梁結(jié)構(gòu)測試中,隨著橋梁跨徑的增加,應(yīng)變采集點(diǎn)數(shù)量隨之增加,將引入大量的有線電纜。有線電纜用量增加,一方面,布置和撤離電纜工作量增大,導(dǎo)致現(xiàn)場測試周期長、效率低,甚至可能導(dǎo)致幾千米的有線電纜布線工作量難以實(shí)施;另一方面,應(yīng)變采集點(diǎn)距離調(diào)理和采集設(shè)備較遠(yuǎn),即使采集設(shè)備有很高的測試精度,電纜線引入的噪聲也會影響到測試的精度;此外,眾多的有線電纜分布復(fù)雜凌亂,容易接錯線位,為后期的數(shù)據(jù)處理帶來難以補(bǔ)救的損失等[5]。因此,橋梁無線傳輸數(shù)據(jù)采集技術(shù)越來越多地受到研究人員的關(guān)注,也為橋梁健康監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集方式提供了更優(yōu)選擇[6-7]。

        針對傳統(tǒng)應(yīng)變采集有線數(shù)據(jù)傳輸方式上的種種不足,結(jié)合當(dāng)前橋梁載荷測試技術(shù)的特點(diǎn)和橋梁檢測的用戶需求,根據(jù)惠斯通電橋測量應(yīng)變的工作機(jī)理,提出了一種基于無線傳感技術(shù)的橋梁應(yīng)變采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)方案相較傳統(tǒng)的有線檢測,能夠在保證測試系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的同時,能夠快速、方便地完成應(yīng)變的檢測。

        1 無線應(yīng)變采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        無線應(yīng)變采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1a和b所示,可實(shí)現(xiàn)無線和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸通訊,即無線數(shù)據(jù)傳輸為主,有線數(shù)據(jù)傳輸為輔(復(fù)用),用戶可以根據(jù)實(shí)際需要,選用更為適合實(shí)際測量工況的數(shù)據(jù)傳輸方式。

        無線應(yīng)變采集系統(tǒng)由應(yīng)變采集模塊(群)、路由器、現(xiàn)場采集計(jì)算機(jī)組成。其中應(yīng)變采集模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)變的信息采集、調(diào)理、通訊功能,可以根據(jù)實(shí)際測量需要進(jìn)行擴(kuò)展,每個模塊可以實(shí)現(xiàn)8路應(yīng)變數(shù)據(jù)采集,并通過接收發(fā)送模塊與上位機(jī)進(jìn)行無線通訊;無線路由器通過無線方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采集計(jì)算機(jī)與應(yīng)變采集模塊數(shù)據(jù)交換;現(xiàn)場采集計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)采集模塊指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)處理,并根據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行定制化顯示、分析和數(shù)據(jù)報(bào)表。

        圖1 無線應(yīng)變采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

        2 無線應(yīng)變采集系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

        2.1 惠斯通電橋應(yīng)變測量原理[8]

        圖2 惠斯通電橋原理圖

        設(shè)惠斯通電橋各橋臂電阻分別為 R1、R2、R3、R4;電橋A、C為輸入端,接直流激勵電源,輸入電壓為Uin,且等于UAC,而B、D為輸出測量端,輸出電壓為UBD,且等于Uout。根據(jù)電路之間的關(guān)系,有如式(1)數(shù)學(xué)關(guān)系:

        如果橋臂電阻分別為 R1、R2、R3、R4,當(dāng)橋臂電阻發(fā)生變化時,且各自的變化量分別為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4時,輸出電壓、輸入電壓和電阻變化量之間有如式(2)數(shù)學(xué)關(guān)系:

        展開式(2),考慮到ΔR/R值一般很小,忽略ΔR/R二次項(xiàng),得:

        當(dāng)R1=R2=R3=R4=R,電阻R為高精度的標(biāo)準(zhǔn)電阻,式(3)可簡化變?yōu)椋?/p>

        式(4)分母中含有△R1/R項(xiàng),且應(yīng)變片的電阻變化率該值遠(yuǎn)小于1,因此,可忽略分母中該項(xiàng),即可得惠斯通電橋輸入、輸出電壓和電阻變化率的線性關(guān)系:

        通常,應(yīng)變采集系統(tǒng)采用電阻式應(yīng)變片阻值的變化來反映被測物應(yīng)變,且應(yīng)變片遵循電阻變化率與被測物表面貼片處沿應(yīng)力方向的應(yīng)變呈線性關(guān)系,即:

        式中:K靈敏度為應(yīng)變片靈敏度,通常為2;ε為被測物應(yīng)變值。聯(lián)立公式(5)和公式(6),公式(5)可簡化為:為無線模式。

        公式(7)即為惠斯通電橋測量應(yīng)變的計(jì)算公式。

        2.2 應(yīng)變采集模塊設(shè)計(jì)

        應(yīng)變采集模塊布置于被測點(diǎn)附近,實(shí)現(xiàn)對橋梁應(yīng)變的測量以及數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸,按功能大體由應(yīng)變采集電路、電池管理電路、通訊電路3部分組成,其組成框圖如圖3所示。應(yīng)變采集電路由,主要實(shí)現(xiàn)被測應(yīng)變的采集,通過惠斯通電橋電路對電阻式應(yīng)變進(jìn)行電壓采集,經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行線損補(bǔ)償、濾波、穩(wěn)壓、放大等變換為ADuC845能夠采集的電壓,根據(jù)電壓與應(yīng)變之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,計(jì)算出被測應(yīng)變值。電池管理電路主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)變采集模塊內(nèi)置鋰電池的充放電管理、電池保護(hù)、電量指示、應(yīng)變采集電路電源等功能。通訊電路主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)變采集模塊與上位機(jī)采集軟件之間的通訊,可以實(shí)現(xiàn)無線(WiFi)與有線(以太網(wǎng))兩種通訊模式的切換,默認(rèn)

        圖3 應(yīng)變采集模塊組成框圖

        圖4為應(yīng)變采集電路的具體實(shí)現(xiàn)電路,該電路由運(yùn)算放大器LM301、儀表放大器INA118、調(diào)整電路、橋路切換開關(guān)電路,以及外圍三極管、電容、電阻等構(gòu)成。運(yùn)算放大器LM301構(gòu)成單點(diǎn)補(bǔ)償電路,并與電壓調(diào)整電路配合使用進(jìn)行惠斯通電橋電纜線損補(bǔ)償,使橋路供電電壓與標(biāo)準(zhǔn)橋壓Ubri_ref動態(tài)相等;橋路切換開關(guān)電路主要是用于應(yīng)變采集系統(tǒng)惠斯通電橋1/4橋、半橋和全橋的切換;精密儀表放大器INA118芯片及外圍電路用于放大惠斯通電橋輸出電壓,使數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入電壓滿足適合的電壓范圍,本文放大倍數(shù)為100,其中UAD_in為輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片輸入端,UAD_ref為輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓;其中電壓調(diào)整電路和橋路切換開關(guān)電路不是本文所涉及重點(diǎn),本文不再具體闡述。

        圖4 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單通道電路示意圖

        圖5為通訊電路示意框圖,該電路實(shí)現(xiàn)主控芯片ADuC845經(jīng)通訊電路、路由器與上位機(jī)采集軟件之間的通訊,一方面可以實(shí)現(xiàn)有線與無線模式切換,另一方面通過網(wǎng)線接入以太網(wǎng),進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和實(shí)時監(jiān)測。

        圖5 通訊電路示意框圖

        2.3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

        應(yīng)變采集模塊與上位機(jī)系統(tǒng)軟件之間要可靠地傳輸數(shù)據(jù),需要兩者之間建立有效的通訊協(xié)議。本系統(tǒng)基于異步串行通訊接口,設(shè)計(jì)滿足實(shí)際工程的通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)軟件對下位機(jī)應(yīng)變采集裝置進(jìn)行讀寫控制,數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分為參數(shù)配置指令、數(shù)據(jù)幀。

        參數(shù)配置指令是用于上位機(jī)系統(tǒng)軟件對應(yīng)變采集模塊的參數(shù)配置,其指令格式為:幀頭+設(shè)備編號+通道號+采用頻率+增益倍數(shù)+命令類型(參數(shù)配置、開始采集、結(jié)束采集)+累加校驗(yàn)和+保留。

        數(shù)據(jù)幀用于應(yīng)變采集模塊的采集結(jié)果傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)軟件,其指令格式為:幀頭+設(shè)備編號+通道號+通道數(shù)據(jù)+備用碼+CRC校驗(yàn)碼。

        2.4 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        上位機(jī)系統(tǒng)軟件是無線應(yīng)變采集系統(tǒng)的配套客戶端軟件,該軟件基于C#語言開發(fā),具有采集控制與數(shù)據(jù)處理的功能。圖6所示為軟件功能結(jié)構(gòu)圖。

        3 試驗(yàn)測試與分析

        圖6 上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

        為了驗(yàn)證本文所涉及的無線應(yīng)變采集系統(tǒng),采用與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬源進(jìn)行對比試驗(yàn)的方法。本試驗(yàn)采用朗斯測試技術(shù)公司(LANCE)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬源LC1501,為抵消溫度對應(yīng)變采集的影響,該采用惠斯通電橋半橋接法,該應(yīng)變源模擬輸出范圍0~111 111 με,分辨率為 1 με。

        標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源測試分為兩組試驗(yàn):小量程測試(0~5 000 με)和大量程測試(0~25 000 με)。測試采用對同一標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值進(jìn)行100采集求平均值的方法,并計(jì)算誤差率。

        由表1和圖7可知,本文所設(shè)計(jì)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng),在小量程測試范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)源值與采集值具有良好的線性關(guān)系,應(yīng)變誤差率總體小于0.1%。

        表1 小量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源測試結(jié)果

        圖7 小量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源測試示意曲線圖

        由表2和圖8可知,本文所設(shè)計(jì)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)在大量程測試范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)值與采集值具依然能夠具有良好的線性度,應(yīng)變誤差率總體能保證1%以內(nèi)的誤差率,其中0~10 000 με量程,系統(tǒng)能夠處于0.1%誤差率以內(nèi),而10 000~25 000με量程,誤差率處于1%以內(nèi)。

        表2 大量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源測試結(jié)果

        由兩組實(shí)驗(yàn)誤差率結(jié)果來看,本文設(shè)計(jì)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)在0~10 000με量程中,誤差率處于0.1%以內(nèi),具有非常高的采集精度;而當(dāng)量程超出于10 000~25 000 με之間,且隨著標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值增加,誤差變大,但誤差率處于1%以內(nèi),可以完全滿足橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工程測量。對于兩段之間出現(xiàn)的精度下降問題,究其原因,惠斯通電橋測量應(yīng)變計(jì)算公式中,惠斯通電橋應(yīng)變計(jì)算過程出現(xiàn)兩次多項(xiàng)式的忽略,分別來自于公式(3)和公式(5),該忽略的前提是ΔR變化較小,而當(dāng)ΔR變化較大時,多項(xiàng)式對應(yīng)變計(jì)算結(jié)果影響較大,如當(dāng)ΔR變化影響導(dǎo)致整個計(jì)算每出現(xiàn)0.1Ω時,根據(jù)公式(7),1/4橋接線法將產(chǎn)生416.6 με的誤差。因此,誤差率隨標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值增加而增大是由于惠斯通電橋計(jì)算應(yīng)變算法忽略項(xiàng)引起的,如何提高大量程的測量精度是接下來的研究重點(diǎn)。

        圖8 大量程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源測試結(jié)果曲線圖

        4 結(jié)論

        通過試驗(yàn)測試與分析,本文所設(shè)計(jì)的無線橋梁應(yīng)變采集系統(tǒng)與惠斯通電橋測量原理保持一致,并可靠地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸,在技術(shù)上是可行的,且該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

        a)基于WiFi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),實(shí)現(xiàn)無線、有線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式,便于根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行切換,系統(tǒng)可擴(kuò)展實(shí)時監(jiān)測和遠(yuǎn)程訪問。

        b)提高橋梁檢測工作效率,尤適用于大跨徑橋梁檢測,可減少人力、財(cái)力和工作量等方面投入。

        c)性能可靠、數(shù)據(jù)采集精度高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

        d)數(shù)據(jù)采集、接收和后期處理通過配套專用軟件,使用方便靈活。

        綜上所述,無線應(yīng)變采集系統(tǒng)將更好地服務(wù)于橋梁工程中,解決現(xiàn)有大型橋梁工程檢測中的布線及數(shù)據(jù)處理方面的困難,為橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)、維修和加固工作提供新型技術(shù)平臺,具有一定現(xiàn)實(shí)意義,且該技術(shù)系統(tǒng)亦可應(yīng)用于土木工程及其他相關(guān)工程領(lǐng)域,應(yīng)用前景廣闊。

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