孫英寧

摘 要：為了滿足結(jié)構(gòu)動(dòng)位移測量要求，設(shè)計(jì)一套基于 STM32 的嵌入式動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32L151C8T6芯片為核心控制器，結(jié)合電容式MEMS加速度傳感器ADXL355。使用頻域積分方法，在實(shí)驗(yàn)室和某人行橋上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室中通過改變采樣頻率進(jìn)行測量，結(jié)果表明該系統(tǒng)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動(dòng)位移測量時(shí)精度隨著采樣頻率的增大而增大。某人行橋上的動(dòng)位移實(shí)驗(yàn)效果較好，可見使用該方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)位移測量是完全可行的。

關(guān)鍵詞：動(dòng)位移；無線測量；嵌入式編程；加速度傳感器；頻域積分

中圖法分類號(hào)U442；文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

對橋梁結(jié)構(gòu)而言，動(dòng)位移是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)，是評定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力、汽車行駛安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。從動(dòng)位移的數(shù)值分析中可以直接反映橋梁結(jié)構(gòu)的豎向整體剛度和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布狀態(tài)。從而對橋梁的薄弱部位進(jìn)行判斷以及檢查結(jié)構(gòu)的整體性。在橋梁鑒定、危橋改造和新橋驗(yàn)收等方面都需要準(zhǔn)確測量橋梁的靜、動(dòng)位移值[2]。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)位移的測量方法有接線式電阻（感、容）位移計(jì)、激光撓度測試儀、慣性式位移測試儀等[3]，前兩種測量方法要求有一個(gè)固定不動(dòng)的參考點(diǎn)以便進(jìn)行測量，但是對于很多橋梁，由于受使用條件和環(huán)境的限制，這些測試方法往往耗時(shí)長，效率較低。一般情況下，測試橋梁結(jié)構(gòu)的加速度信號(hào)比較方便。用加速度計(jì)測量橋梁的加速度，再通過兩次積分，求得橋梁撓度的加速度測量方法，目前已得到眾多研究者的關(guān)注。

對于采集到的加速度信號(hào)，要得到位移，目前主要有兩種方法，第一種方法是通過硬件積分[4]，第二種方法是軟件積分。硬件積分通過積分電路實(shí)現(xiàn)各參量之間的轉(zhuǎn)換，但是電子元器件的性能參數(shù)具有較大的離散性，若匹配不好，容易在積分后產(chǎn)生畸變。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們更傾向于研究軟件積分方法。軟件積分目前主要有兩種方法：時(shí)域積分和頻率積分。其中時(shí)域積分是直接對加速度信號(hào)進(jìn)行二次積分，從而得到位移信號(hào)，這種方法形式直觀。但是在實(shí)際中采集到的加速度信號(hào)不可避免都會(huì)包含直流分量和噪聲，時(shí)域積分過程中會(huì)產(chǎn)生趨勢項(xiàng)，嚴(yán)重影響積分結(jié)果。因此本文采用頻域積分方法將嵌入式動(dòng)位移測量系統(tǒng)采集到的加速度信號(hào)進(jìn)行積分，從而得到位移信號(hào)。

1頻域積分原理分析

頻域積分時(shí)先對信號(hào)做傅里葉變換，然后再進(jìn)行積分。加速度信號(hào)在任一頻率的傅里葉分量可以表示為[5]：

（1）

由傅里葉變換的積分性質(zhì)：

（2）

當(dāng)初速度分量為0時(shí)，對加速度信號(hào)分量的時(shí)間積分可得速度信號(hào)分量：

（3）

初速度和初位移均為0時(shí)，對加速度信號(hào)的傅里葉分量兩次積分可得位移分量：

（4）

其中，。

2動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)動(dòng)位移無線測試系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)，將該系統(tǒng)分為三個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：基于STM32的微處理單元；加速度傳感器模塊；無線傳輸模塊。其中，基于STM32的微處理單元主要實(shí)現(xiàn)與加速度傳感器模塊和無線傳輸模塊的通訊，通過嵌入式指令使兩個(gè)模塊按照既定的流程進(jìn)行工作。加速度傳感器模塊主要實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)的采集。無線傳輸模塊主要實(shí)現(xiàn)以該動(dòng)位移無線測試系統(tǒng)作為服務(wù)器，將加速度傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中。

基于STM32的微處理單元采用意法半導(dǎo)體推出的STM32L151C8T6，是基于Coretex-M3內(nèi)核的32位ARM芯片系列。

加速度傳感器模塊利用帶數(shù)字輸出的3軸電容式MEMS加速度傳感器ADXL355測量的加速度信號(hào)進(jìn)行動(dòng)位移測試，它具有性能穩(wěn)定，輸出的低噪聲、低漂移、低功耗等特點(diǎn)。

無線傳輸模塊采用支持WIFI@2.4GHz 802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)的低功耗高性能WIFI模塊USR-C322，內(nèi)置超低功耗運(yùn)行機(jī)制，可以有效實(shí)現(xiàn)模塊的低功耗運(yùn)行；支持WiFi協(xié)議以及 TCP/IP 協(xié)議。

嵌入式動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

3嵌入式動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該嵌入式動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室中通過MTS試驗(yàn)機(jī)的位移加載，與提出的動(dòng)位移測量方法進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場如圖2所示。

圖3為不同加載頻率下嵌入式動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)的測量誤差-采樣頻率關(guān)系曲線。

由圖3可以看出，隨著采樣頻率的增大，嵌入式動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)的誤差減少。

3.2 某人行橋?qū)嶒?yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步確定該方法的可行性，使用該系統(tǒng)到某人行橋，與晶明科技開發(fā)的無線振動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行對比性實(shí)驗(yàn)。

在人為激勵(lì)的情況下同時(shí)使用兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行位移測量。

本文的嵌入式動(dòng)位移無線測量系統(tǒng)位移-時(shí)間曲線如圖4所示。

JM3872無線振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線如圖5所示。

從圖4和圖5的結(jié)果對比示意圖可以看出，兩條曲線吻合的很好。

參考文獻(xiàn)

[1]何先龍，楊學(xué)山，趙立珍.一種新的高速鐵路橋梁動(dòng)撓度測試方法[J].測控技術(shù)，2014，33（07）：50-53.

[2]徐亞立.橋梁撓度測量方法的探討[J].鐵道建筑，1996（6）：32-33.

[3]袁向榮.橋梁動(dòng)撓度計(jì)算的加速度積分方法[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（1）：75-78.

[4]徐慶華.試采用FFT方法實(shí)現(xiàn)加速度、速度與位移的相互轉(zhuǎn)換[J].振動(dòng)、測試與診斷，1997，17（4）：30-34.

[5]王濟(jì)，胡曉.MATLAB在振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

（作者單位：華南理工大學(xué)）