王 豪 呂承舉 紀少波 廖寶梁 李 萌 徐懷民

(1.山東大學能源與動力工程學院 濟南 250061； 2.山東省交通科學研究院 濟南 250031)

目前，路基路面的健康狀態(tài)多采用傳統(tǒng)檢測設備對路基結構進行定期定點檢測，利用有線布局的方式，工程量大，另外，此系統(tǒng)需要檢測人員到現(xiàn)場作業(yè)，數(shù)據(jù)采集成本高[1-2]。文獻[3]開發(fā)了一套高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)，系統(tǒng)亦需要作業(yè)人員到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)進行維護；文獻[4]開發(fā)了高速公路采集系統(tǒng)，能夠采集高速公路的路況圖像，但依靠人工到現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期自動監(jiān)測；文獻[5]研發(fā)的公路路面信息監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器進行了集成設計，但系統(tǒng)只能監(jiān)測路面的信息，不能實時采集路基結構內的應力應變情況。

綜上，現(xiàn)有測試方法效率低，測試成本高，采集到的數(shù)據(jù)無法全面反映道路應力、應變變化規(guī)律,且無法長期保存。鑒于此，本文開發(fā)了一種無人值守的自動采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)將傳感器直接預埋在新建公路路基內，長期監(jiān)測道路多層面應力參數(shù)，并將處理后的數(shù)據(jù)永久保存至大容量閃速存儲器(Flash存儲器)中。系統(tǒng)采用太陽能鋰電池組供電，保證系統(tǒng)的長期運行；采用激光測距傳感器判斷是否有車輛到來，實現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制。該系統(tǒng)具有無人值守、自動采集數(shù)據(jù)的特點，不需要專門的人員在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)測試，降低了測試所需的人力、物力消耗，具有廣闊應用前景。

1 功能介紹

本文開發(fā)的系統(tǒng)結構主要包括4部分：太陽能充電鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)及上位機分析軟件。系統(tǒng)的總體結構見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結構

太陽能充電鋰電池組電源包括鋰電池組及太陽能充電系統(tǒng)2部分，鋰電池組產(chǎn)生12 V的直流電源供給車輛到位感知模塊及數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。當鋰電池組電量降低至下限時，太陽能充電系統(tǒng)自動開啟為電池組充電，通過這種方式保證系統(tǒng)可長期運行。車輛到位感知模塊利用傳感器檢測車輛是否到位，并通過單片機及通訊電路將車輛的到位情況傳遞給數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)接收到車輛到位感知模塊的信號后，控制數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)采集路基形變傳感器的信號。路基形變傳感器信號首先經(jīng)差分放大等處理后，進行數(shù)據(jù)采集，采集的同時將數(shù)據(jù)快速保存至靜態(tài)RAM(隨機存取存儲器)芯片內，待車輛駛過后，再將存儲至靜態(tài)RAM的信號及采樣時間存至大容量Flash存儲器內。最后通過上位機軟件提取存儲器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行濾波處理后，從中提取有用信息反映道路應變信息，并將處理后的數(shù)據(jù)進行保存。

2 設計思路

2.1 車輛到位感知模塊的設計

車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號處理電路、單片機及通訊電路等4部分?？傮w功能見圖2，激光測距傳感器固定在路邊，當車輛到達傳感器安裝位置時觸發(fā)傳感器信號，該信號經(jīng)施密特觸發(fā)電路整形處理后傳送給單片機，單片機根據(jù)該信號確定車輛是否到位，如車輛到位則利用通訊電路告知數(shù)據(jù)采集存儲單元，開始進行數(shù)據(jù)采集及存儲。

圖2 車輛到位感知模塊功能示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集存儲模塊的設計

數(shù)據(jù)采集存儲單元包括路基形變測試傳感器、采集板及主控制器等3部分。所用的傳感器為全橋式應變傳感器，傳感器外形見圖3。該傳感器受到外力作用時，導體或半導體材料產(chǎn)生機械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應變化，由于道路應變小導致應變電阻變化范圍一般都很小，通過惠斯通電橋可將傳感器的微小電阻變化轉換成電壓變化向外輸出。

圖3 應變傳感器外形圖

采集板電路中通過2.5 V恒壓源MC1403給各傳感器供電，傳感器輸出信號首先送入LM258運算放大器進行差分放大，同時通過低通濾波電路對信號進行處理；初步處理的信號送入AD526可調增益放大器中對放大倍數(shù)進行二次調節(jié)；調節(jié)后的電壓信號送入MAX197模數(shù)轉換單元中進行處理，處理后的信號通過連接主機板的接口傳送到主機板的高速RAM中。采集板功能示意見圖4。

圖4 采集板功能示意圖

主控制器以STC12C5A60S2單片機為控制核心；采用74HC573地址鎖存器及625128高速靜態(tài)RAM作為暫存單元，存放采集過程的臨時數(shù)據(jù)；采用CH376S文件管理芯片擴展了大容量Flash存儲器接口電路；采用PCF8563實時時鐘芯片記錄每次采樣的時刻；通過MAX705硬件看門狗芯片保證整個工作的可靠性；此外，采用MAX232芯片實現(xiàn)了串口通信功能，方便后續(xù)系統(tǒng)功能的擴展。主控制器的功能示意見圖5。

圖5 主控制器功能示意圖

數(shù)據(jù)采集存儲模塊的測量精度與傳感器本身精度等級、傳感器安裝方式及模數(shù)轉換單元的轉換精度等因素有關。系統(tǒng)采用的應變傳感器的精度等級為0.5%，模數(shù)轉換單元的轉換誤差理論上在0.5%以內，整個系統(tǒng)的誤差由上述誤差疊加而成，但由于各部分出現(xiàn)偏差的方向不完全相同，故系統(tǒng)誤差不是各部分誤差的簡單疊加，應該根據(jù)均方根求得。系統(tǒng)在實際使用過程中受到外界干擾，其影響遠超過系統(tǒng)本身的誤差，需通過上位機軟件的濾波算法消除干擾的影響，提高信號的信噪比。

2.3 上位機軟件的設計

本文所開發(fā)的上位機軟件程序從Flash存儲器中提取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提取過程中根據(jù)存儲時的通道號、數(shù)據(jù)高位及數(shù)據(jù)低位，依次提取各通道的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)采集存儲模塊得到各傳感器輸出的電壓信號，并通過傳感器的轉換系數(shù)將測量的電壓值轉化為對應的物理量，轉換系數(shù)通過對傳感器標定得到，不同傳感器的轉換系數(shù)存在差異，故程序設計了轉換系數(shù)修改窗口，用于輸入各傳感器的轉換系數(shù)。每次修改后，程序會自動根據(jù)新的系數(shù)計算各通道信號對應的物理量。程序設計了數(shù)字濾波算法程序，可對各通道信號進行數(shù)字濾波處理，減少干擾成分，提高信號的信噪比。軟件開發(fā)了各通道信號對比程序，可方便識別不同通道信號的特點。軟件能夠顯示圖像時域參數(shù)，當鼠標移動時，窗口上方會同步顯示鼠標焦點所在位置的橫、縱坐標值，通過鼠標框選可實現(xiàn)選定區(qū)域的放大顯示。程序具有數(shù)據(jù)存儲功能，可將提取后的數(shù)據(jù)及數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)進行存儲，方便后續(xù)開展分析工作。程序還增加了參數(shù)設置界面，可通過串口訪問主機板的主控單片機，并下傳設定的參數(shù)，如果主機板收到設定的增益及時鐘參數(shù)，則回饋信息給上位機程序。軟件具備聯(lián)機測試功能，該功能需要通過串口將電腦與自動采集系統(tǒng)的通訊端口相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，上位機軟件界面見圖6。

圖6 上位機軟件界面圖

3 功能驗證

通過現(xiàn)場試驗對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能進行驗證，應變傳感器安裝方式如圖7所示，為反映道路不同層面的應變情況，在道路不同層面安裝應變傳感器；為反映同一層面的道路應變情況，在同一層面間安裝不同傳感器測量道路水平方向拉、壓應變。為保證傳感器的測量精度，傳感器安裝時應保證載荷的作用線與傳感器受力軸線重合，避免產(chǎn)生附加力矩；另外，使用多個傳感器時，傳感器安裝位置的溫度應盡量接近，以減少溫度對傳感器輸出信號的影響。

圖7 傳感器布置示意圖

現(xiàn)場試驗選用一輛4軸貨車(前2軸較輕，后2軸較重)進行道路應變測試，當車輛經(jīng)過到位感知模塊時，系統(tǒng)自動采集并存儲數(shù)據(jù)，利用上位機軟件從大容量Flash存儲器中導出測試數(shù)據(jù)，并選取通道1數(shù)據(jù)進行如圖8所示的數(shù)字濾波處理。

圖8 信號濾波處理前后對比圖

由圖8可見，上位機軟件使用的濾波方式不僅可以去除信號內噪聲，提高信噪比，還能夠有效保留信號的峰谷值。此外，在荷載引起波峰出現(xiàn)前都有一個小波谷，如圖中2，6，10，13點，這是因為荷載靠近傳感器時對道路有一個壓縮過程。從基準線到第一個波谷(1點到2點)是前軸輪載通過時產(chǎn)生的第一個壓應變。從波谷到波峰之間的差值(2點到3點)是前軸輪載產(chǎn)生的第一個拉應變對應的電壓增量。然后從波峰到第二個波谷(3點到4點)是輪胎荷載離開傳感器時引起的應變響應。第4點到第5點則是輪胎荷載離開傳感器時引起的拉伸響應。根據(jù)以上分析可知，每個軸產(chǎn)生的最大應變響應的電壓差就是該荷載引起的第一個波谷和第一個波峰之間(2個連續(xù)變形點)的電壓差值。故第2、3、4軸產(chǎn)生最大拉應變的電壓差分別對應6點和7點、10點和11點、13點和14點之間的電壓差。由上述變形點的選擇原則，計算出代表響應指標的2個連續(xù)變形點的電壓差值后，乘以各通道的轉換系數(shù)即得到應變值。

4 結語

1) 本文開發(fā)的道路層面響應參數(shù)采集系統(tǒng)具備無人值守功能，可實現(xiàn)路基應變參數(shù)的自動采集。系統(tǒng)主要包括太陽能充電鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊及上位機分析軟件4個部分。

2) 太陽能充電鋰電池組電源主要為車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集存儲模塊供電，當電池電量不足時，系統(tǒng)自動利用太陽能為其充電，節(jié)約了從市區(qū)供電所消耗的人力物力，且使系統(tǒng)能不間斷地工作，保證了數(shù)據(jù)采集的完整性。

3) 車輛到位感知模塊利用激光測距傳感器判斷車輛是否到位，并控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)能在接收到車輛到位信號后進入快速采集狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫存到SD卡中，在采集空檔時，再存入大容量Flash存儲器內。上位機軟件可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波處理，并轉化為相應的物理量，方便后續(xù)應變信息的提取。

4) 試驗驗證結果表明，當有車輛經(jīng)過時，系統(tǒng)能夠自動判斷并進行數(shù)據(jù)采集和存儲，上位機軟件可以提取大容量Flash存儲器中的數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波后的信號信噪比有提高。

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