馬文卓， 陳向東， 丁 星

(西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 610031)

基于PQCR-PSL的橋梁振動無線監(jiān)測系統(tǒng)

馬文卓， 陳向東， 丁 星

(西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 610031)

基于壓電式石英晶體諧振器與平面螺旋電感串聯(lián)結(jié)構(gòu)(PQCR-PSL)，結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)和C#等技術(shù)，將一種結(jié)構(gòu)簡單、以頻率為輸出的數(shù)字化石英晶體電感傳感器應(yīng)用到橋梁振動等低頻測量中，并以此為傳感器探頭搭建了整套無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由傳感器探頭、FPGA系統(tǒng)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、C#上位機4部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、數(shù)字化輸出等特點，實現(xiàn)了對低頻振動信號的非接觸式無線實時監(jiān)測。

橋梁振動； 石英晶振； 螺旋電感； 現(xiàn)場可編程門陣列； ZigBee； 上位機

0 引 言

應(yīng)用于橋梁振動監(jiān)測的傳感器主要有電阻應(yīng)變片式傳感器、壓電型加速度傳感器和光纖光柵傳感器。3種傳感器均屬于接觸式測量。電阻應(yīng)變片式傳感器由于容易損壞，壽命較短，一般應(yīng)用于短期測試；壓電型加速度傳感器不能用于大跨度橋梁的振動測量[1]，且不能測量靜態(tài)響應(yīng)，無法反映出橋梁變形等緩慢變化或靜態(tài)問題；光纖光柵傳感器成本高，技術(shù)要求高，設(shè)備復雜等缺點限制了應(yīng)用和推廣[2]。而電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠壽命長、靈敏度和分辨率高、線性度和重復性好等特點，可應(yīng)用于灰塵、污垢和潮濕等惡劣環(huán)境中，實現(xiàn)低成本、高分辨率、非接觸式感測，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的高精度測量中。

與現(xiàn)有的加速度傳感器橋梁振動測量系統(tǒng)相比[3]，本文將一種簡單的、數(shù)字化頻率輸出的石英晶體電感式傳感器應(yīng)用于橋梁振動監(jiān)測中，該類傳感器的大感頻牽引率提高了系統(tǒng)的靈敏度。同時，與傳統(tǒng)皮爾斯(Pierce)振蕩電路相比，系統(tǒng)振蕩電路由3P5609AL1數(shù)字化芯片搭建，能得到更高的振蕩頻率和更優(yōu)良的振蕩波形，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了ZigBee無線傳感網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳入C#上位機，實現(xiàn)對橋梁振動信號的無線實時監(jiān)測。

1 橋梁振動測量原理

根據(jù)橋梁振動懸臂梁測量方法[1]，如圖1所示為一個簡化的壓電石英晶體諧振器—平面螺旋電感(piezoelectric quartz crystal resonator in series with planar spiral inductor,PQCR-PSL)結(jié)構(gòu)傳感器橋梁振動測量工作原理。在實際測量時，載物臺置于橋面，將橋體的縱向振動通過懸臂梁傳遞到金屬薄片上，引起金屬薄片的上下振動，懸臂梁將振動信號幅度放大。減振海綿上用于放置由電池或移動電源供電的無線監(jiān)測節(jié)點，減小探頭隨橋體的振動，保證探頭與金屬薄片間的相對位移變化足夠大。也可將懸臂梁豎直以各方向直接固定在橋體上，用于測量橋體對應(yīng)方向的振動情況。傳感器探頭平行置于金屬薄片正下方，其工作原理：線圈電感值的大小為PSL與金屬薄片間距離、金屬尺寸和成分有關(guān)的函數(shù)，在金屬薄片一定的情況下，根據(jù)Pierce振蕩電路頻率公式，電感變化進而影響振蕩電路中振蕩頻率的大小[4]。通過對探頭所在振蕩電路頻率的測量，對應(yīng)著PSL大小的變化，可反映出線圈與金屬薄片間相對位移的變化[5]，當對電路頻率進行快速采集時即可反映出金屬薄片的振動情況，間接反映出橋梁在該方向上的振動情況。

圖1 橋梁振動監(jiān)測原理

系統(tǒng)選用Pierce振蕩電路構(gòu)成振蕩回路。相比于基本Pierce振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)和功能，系統(tǒng)使用高性能、低功耗、高頻率晶體振蕩控制器3P5609AL1芯片。其內(nèi)含的振蕩電路限制了振蕩電流大小，降低了整體功耗，其內(nèi)置高頻電容有效地消除了外部電容對振蕩電路的影響，同時，其內(nèi)置的反相器反饋電阻增強了電路穩(wěn)定性。本文傳感器探頭測量范圍為0～15 mm，在0～6 mm范圍內(nèi)，最大誤差為0.03 mm，分辨率達到10 μm[6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2系統(tǒng)框圖所示，基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的橋梁振動無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器探頭,FPGA系統(tǒng),ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò),C#上位機4部分組成。其中傳感器探頭又分為PQCR與PSL串聯(lián)結(jié)構(gòu),Pierce振蕩電路,電壓轉(zhuǎn)換電路,溫度傳感器DS18B20等。傳感器探頭感測振動時橋體與線圈的相對位移，電感檢測電路將頻率數(shù)據(jù)傳入FPGA系統(tǒng)，由頻率采集模塊測頻后傳入NIOS II軟核，進行數(shù)據(jù)處理，同時溫度采集模塊采集DS18B20的實時溫度數(shù)據(jù)，傳入NIOS II軟核進行處理后與頻率數(shù)據(jù)一并打包。最終數(shù)據(jù)以串口方式發(fā)往ZigBee終端節(jié)點模塊，多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過路由器模塊在協(xié)調(diào)器模塊匯總，協(xié)調(diào)器以串口方式將數(shù)據(jù)傳入上位機，實現(xiàn)了對橋梁振動信號的低成本、多節(jié)點、非接觸式無線實時監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)傳感器節(jié)點主要用于橋梁某點振動信號采集、處理，最終無線發(fā)送至路由器，其硬件電路(如圖3為部分原理圖)主要由傳感器探頭(L1),電感檢測電路(U1),電源轉(zhuǎn)換電路(P1),DS18B20溫度傳感器模塊(T1),CC2530芯片(U2),74HC595芯片和兩個外接口插座等其他外圍輔助電路組成。

路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊主要用于多個傳感器節(jié)點信息的中轉(zhuǎn)和匯聚，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護，其中協(xié)調(diào)器與上位機通過串口進行通信。系統(tǒng)采用CC2530模塊作為路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊的硬件設(shè)備，在此基礎(chǔ)上編程開發(fā)其具體的功能。

圖3 硬件原理(部分)

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 FPGA系統(tǒng)設(shè)計

傳感器節(jié)點中的FPGA系統(tǒng)主要包括頻率采集模塊,溫度采集模塊,鎖相環(huán)PLL,NIOS II軟核等部分。其中,搭建NIOS系統(tǒng)主要用作數(shù)據(jù)處理和串口數(shù)據(jù)發(fā)送。

2.3.2 頻率采集模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用等精度測頻法對電感檢測電路的輸出頻率信號進行快速采頻。為滿足橋梁振動頻率范圍，設(shè)定閘門信號周期為10 ms，頻率采集模塊理論可測頻響范圍為0～100 Hz。由于使用此種快速采集方法個位、十位頻率變化將不可測，系統(tǒng)需要足夠大的頻率變化量反映位移的變化，因此，電感檢測電路使用12 MHz PQCR與PSL組成振蕩回路，實驗測試得到總頻率變化超過3 kHz，可清楚分辨振動引起的位移變化，達到實驗要求。

2.3.3 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee以其高可靠性、高安全性、低成本、低功耗、組網(wǎng)能力強等特點廣泛應(yīng)用于各種測量系統(tǒng)中[7]?；赯igBee 2007/PRO，系統(tǒng)傳感器節(jié)點ZigBee程序、路由器和協(xié)調(diào)器程序在IAR Embedded Workbench環(huán)境下完成開發(fā)。工作時，以收到FPGA發(fā)來的串口信號為事件觸發(fā)，收到后立即進行無線通信。節(jié)點上還設(shè)計了由74HC595芯片驅(qū)動的128×64點陣LCD顯示模塊，用于顯示ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接情況和傳感器節(jié)點采集到的溫度和頻率信息。

2.3.4 C#上位機

上位機使用C#語言開發(fā)的監(jiān)測程序，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，主要包括橋梁振動實時監(jiān)測模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。程序?qū)崿F(xiàn)與協(xié)調(diào)器的串口通信，同時選用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理和調(diào)用，并利用ZedGraph.NET控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢繪圖。

3 系統(tǒng)測試與分析

如圖4所示為系統(tǒng)測試實物，系統(tǒng)以鐵路橋模型和敲擊激勵模擬橋梁振動進行系統(tǒng)測試，懸臂梁由彈性鋼條搭建，存在阻尼振動。由于使用12 MHz晶振組成振蕩回路，為減小傳輸數(shù)據(jù)長度，在NIOS II系統(tǒng)中已將實際采集的頻率值與固定值做差，再省略了無效的個位和十位，最后進行數(shù)據(jù)傳輸，測得無路由器時有效無線通信距離為50 m，可用多級路由增加傳輸距離。

圖4 系統(tǒng)測試實物

如圖5所示為系統(tǒng)C#上位機測試，上位機中橋梁振動實時監(jiān)測界面動態(tài)繪制振動信號曲線，同時將數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)查詢界面可按存入時間段調(diào)出數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并繪圖查看。通過圖中實驗數(shù)據(jù)可以看出：模擬振動頻率在20 Hz左右，與實際大跨度橋梁振動主頻率相近，系統(tǒng)可較好地完成模擬橋梁振動的數(shù)據(jù)采集、傳輸、實時顯示和存儲查詢工作，清晰地反映出模擬振動信號情況。調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，靜態(tài)繪圖較動態(tài)繪圖更清晰圓滑，為后期頻譜分析、橋梁健康問題防治提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 上位機測試

4 結(jié)束語

系統(tǒng)將以頻率變化反映相對位移變化的PQCR-PSL結(jié)構(gòu)振動傳感器應(yīng)用到了橋梁振動測量中，通過測試驗證了應(yīng)用的可行性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、具有數(shù)字化頻率輸出，可清楚地反映出模擬橋梁振動情況，實現(xiàn)了對低頻振動信號的非接觸式無線實時監(jiān)測?？蔀闃蛄喝毕?、變形和裂紋等問題的防治提供數(shù)據(jù)參考，可應(yīng)用于各種低頻振動監(jiān)測中。

[1] 宋 宇,李迅鵬,馬 琨,等.調(diào)頻式電感傳感器電路及其在橋梁低頻振動檢測中的應(yīng)用[J].昆明理工大學學報：理工版,2009(4):53-57.

[2] 周雪芳,梁 磊.光纖光柵傳感器穩(wěn)定性試驗研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(11):25-27.

[3] 陳高杰.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁振動檢測系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學,2015.

[4] Fericean S,Droxler R.New noncontacting inductive analog pro-ximity and inductive linear displacement sensors for industrial automation[J].Sensors Journal,IEEE,2007,7(11):1538-1545.

[5] Ding X,Chen X,Ma W,et al.A novel PQCR-L circuit for inductive sensing and its application in displacement detection[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2016,65(3):685-693.

[6] 馬文卓,陳向東,丁 星.基于FPGA的平面螺旋電感式微位移傳感器系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(6):66-68.

[7] 龔發(fā)根,汪 煒,秦 拯.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(1):86-89.

Wireless vibration monitoring system for bridges based on PQCR-PSL

MA Wen-zhuo, CHEN Xiang-dong, DING Xing

(School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Based on structure of piezoelectric quartz crystal resonator(PQCR)in series with a planar spiral inductor(PSL),the system combines with field programmable gate array(FPGA),wireless sensor networks(WSNs)and C#,apply digital quartz crystal inductive sensor,which has simple structure and use frequency as output,to bridge vibration measurement.And use this as sensor probe to build up a set of bridge vibration wireless monitoring system.The system is mainly composed of sensor probe,FPGA system,ZigBee network, C# upper computer and has the characteristics of simple structure,good stability and digital output.It achieves non-contact,wireless,real-time monitoring on low-frequency vibration signal.

bridge vibration; quartz crystal; spiral inductor; field programmable gate array(FPGA); ZigBee; upper computer

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0101—03

2016—10—12

TP 212.9； TN 92

A

1000—9787(2017)09—0101—03

馬文卓(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為傳感器與智能信息獲取。

陳向東(1967-)，男，教授，博士生導師，主要從事無線傳感器網(wǎng)、信息獲取技術(shù)以及新型傳感器的研究。

丁 星(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向為傳感器技術(shù)與振蕩器。