牟春霖

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251)

引言

近年來,隨著鋼筋計、軸力計、應(yīng)力(變)計等傳感器精度不斷提高,自動化監(jiān)測技術(shù)發(fā)展較快,配套相應(yīng)的采集模塊,可將數(shù)據(jù)實時傳輸至云端服務(wù)器,實現(xiàn)無人值守的全自動化監(jiān)測。 然而,市場上各大傳感器生產(chǎn)廠家配套的采集模塊各異,一般只能滿足本廠生產(chǎn)的振弦式傳感器的數(shù)據(jù)采集及上傳;另外,在進行數(shù)據(jù)上傳時,不同采集模塊的數(shù)據(jù)上傳協(xié)議均由各廠家自定義,(一般為16 進制),數(shù)據(jù)串較為復(fù)雜,數(shù)據(jù)解析比較困難。 為了滿足項目的實際生產(chǎn)應(yīng)用,需要使采集儀兼容市場上絕大部分廠家傳感器,并能簡化數(shù)據(jù)上傳協(xié)議的格式,統(tǒng)一數(shù)據(jù)上傳標(biāo)準(zhǔn)。

目前,振弦式傳感器主要應(yīng)用于橋梁、基坑、高層建筑等大型建(構(gòu))物等的施工、運營中,并有學(xué)者開展相關(guān)研究。 車鐵成等針對橋梁施工安全監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測精度低等問題,在傳感智能性與檢測精確性上進行了很大的提升[1];田一鳴等對基于振弦式傳感器的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)進行重新設(shè)計,使之能夠同時滿足在線監(jiān)測和離線檢測[2];張吉圭等采用振弦式傳感器的橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng),提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸精確性與可靠性[3];賈鵬輝等基于STM32F103VCT6 核心,解決了隧道、礦山、橋梁監(jiān)測中存在的采集系統(tǒng)精度不高、相互通訊困難等問題[4];解有福等對振弦式傳感器的工作原理進行詳細介紹,并對應(yīng)力(變)計、軸力計、位移計等傳感器進行公式推導(dǎo)[5];李濱等利用試驗數(shù)據(jù)對振弦式傳感器的4 種數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)缺點對比分析[6];劉建軍利用鋼筋應(yīng)力計對寧波某地鐵的基坑混凝土支撐軸力進行試驗分析,并對監(jiān)測方案進行優(yōu)化設(shè)計[7]。

以下借鑒前人研究成果,在詳細研究振弦式傳感器工作原理、通信技術(shù)等的基礎(chǔ)上,通過激振、拾振技術(shù),利用RS485 接口[8-10]、Modbus 協(xié)議[11-12]實現(xiàn)振弦式傳感器與采集模塊之間的數(shù)據(jù)通訊;采用JSON 格式將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器中,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集及上傳。 研發(fā)的智能監(jiān)測采集儀能夠兼容市場上大部分廠家的振弦式傳感器,采用JSON 格式大幅簡化數(shù)據(jù)上傳時對于數(shù)據(jù)串的解析困難程度。 將研制的智能監(jiān)測采集儀應(yīng)用到某城市軌道交通工程基坑監(jiān)測項目中,與傳統(tǒng)的手持讀數(shù)儀采集的數(shù)據(jù)進行對比分析,對智能監(jiān)測采集儀的項目應(yīng)用效果進行研究。

1 振弦式傳感器工作原理

振弦式傳感器一般采用特定材質(zhì)、固定尺寸的鋼弦作為敏感元件的諧振式傳感器[13-14]。 它的工作原理是在鋼弦的四周分布有磁感線圈,在金屬弦受到外力作用后發(fā)生形變,鋼弦本身振動頻率發(fā)生變化,會向磁感應(yīng)線圈發(fā)射脈沖電流,鋼弦會在電磁感應(yīng)的作用下離開平衡位置,開始振動。 當(dāng)鋼弦的長度是一個固定值,鋼弦的振動頻率的變化量就可以反映鋼弦所受的外力作用[15]。 鋼弦的振動頻率與應(yīng)力的關(guān)系為

式中,f為鋼弦的振動頻率;L為鋼弦的有效長度;ρ為鋼弦的線密度;σ為鋼弦受到的應(yīng)力。

將式(1)進行形式變換后,有

應(yīng)力及應(yīng)變的關(guān)系為

式中,E為鋼弦的彈性模量,不同材質(zhì)的鋼弦各異;ε為鋼弦應(yīng)變。

將式(2)代入式(3),可得

式中,鋼弦長度L、密度ρ和彈性模量E均為固有特性,所以分子式為一個常量。鋼弦的應(yīng)變量可以通過鋼弦振動頻率的變化量來計算,可以通過標(biāo)準(zhǔn)的計量儀器對振弦式傳感器進行標(biāo)定,得到一個關(guān)于頻率f和應(yīng)變ε的關(guān)系曲線。

振弦式讀數(shù)儀的工作原理:由振弦式傳感器測量出頻率f或者周期N后,根據(jù)公式(4),計算出鋼弦應(yīng)變ε,再通過鋼弦應(yīng)變ε和需要用到的物理量關(guān)系,結(jié)合傳感器和測量物體的固定屬性,比如材料、尺寸等參數(shù),顯示出需要的物理量。

振弦式傳感器在出廠前都會給鋼弦施加一個初始的應(yīng)力σ0,即賦予一個初始的鋼弦振動頻率f0,當(dāng)傳感器受到外力作用后,鋼弦發(fā)生形變,鋼弦應(yīng)力為σ1,與之相對的頻率為f1。 由式(4)可得

式中,Δε為鋼弦的應(yīng)變量。

綜上所述,鋼弦的振動頻率是振弦式傳感器的最基礎(chǔ)物理量。 研究的振弦式傳感器,無論待測物理量是應(yīng)力(應(yīng)變)還是軸力,都需要測量鋼弦的振動頻率。

以基坑監(jiān)測中混凝土支撐軸力為例,一般而言,如果要得到混凝土支撐的軸力,需要在混凝土支撐內(nèi)部的主鋼筋上布設(shè)4 根鋼筋應(yīng)力計[16-17],利用4 根鋼筋應(yīng)力計的應(yīng)變值來計算此混凝土支撐的軸力。

首先,利用獲得的鋼筋應(yīng)力計鋼弦的振動頻率計算其應(yīng)變值,有

式中,ε為鋼筋應(yīng)力計的應(yīng)變值;k為鋼筋應(yīng)力計的標(biāo)定系數(shù);fi為鋼筋應(yīng)力計的本次頻率;f0為鋼筋應(yīng)力計未受力狀態(tài)下的初始頻率;Es為鋼筋彈性模量;Asi為鋼筋應(yīng)力計的截面積。

利用式(6)計算得到每根鋼筋應(yīng)力計的應(yīng)變值后,取4 根鋼筋應(yīng)力計應(yīng)變值的平均值,有

根據(jù)4 根鋼筋應(yīng)力計的應(yīng)變平均值,可以計算得到此混凝土支撐的軸力[18],有

式中,N為混凝土支撐的軸力;Ec為混凝土彈性模量;Ac、As分別為混凝土支撐截面積、混凝土支撐中鋼筋的總截面積。

根據(jù)上述推導(dǎo)過程,混凝土支撐軸力的變化與布設(shè)在其中的鋼筋應(yīng)力計鋼弦的振動頻率相關(guān)性較強,研發(fā)的智能監(jiān)測采集儀獲取的頻率數(shù)據(jù)精度是決定混凝土支撐軸力計算正確與否的關(guān)鍵。

2 通信及信息傳輸技術(shù)

2.1 RS485 協(xié)議

目前,多種工業(yè)化智能設(shè)備正在大規(guī)模運用RS485 接口進行信息傳輸,并且越來越多的基于RS485 接口的總線橋不斷問世。 RS485 接口是基于RS422[19]串口標(biāo)準(zhǔn)上制訂的串口標(biāo)準(zhǔn)。 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)解決了大部分聯(lián)網(wǎng)問題,并且各方面性能都要更優(yōu)于RS232 接口,所以RS485 接口開始替換RS232 接口運用于各類中小型集散系統(tǒng)中[20]。

表1 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)

基于性能、成本等因素考慮,RS485 通信芯片選取了MAX485 芯片, MAX485 引腳及實物見圖1,MAX485 芯片最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到2.5 Mb/s,并且可以有效減小電磁干擾,并降低終端匹配電纜引起的反射現(xiàn)象,能夠?qū)崿F(xiàn)最高可達250 kb/s 的數(shù)據(jù)傳輸。 自主研發(fā)智能監(jiān)測采集儀的RS485 模塊電路見圖2。

圖1 MAX485 引腳及實物

圖2 RS485 通信模塊電路

2.2 Modbus 仿真軟件

Modbus 網(wǎng)關(guān)是一個網(wǎng)絡(luò)集線器串行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換設(shè)備,能夠與各種傳感器設(shè)備連接,Modbus 通訊協(xié)議支持多種協(xié)議、網(wǎng)口、串口連接,支持5G、4G、WAN、Wi-Fi 等網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字IO 輸入輸出、串口終端通信等接入,也支持TCP/IP、http、UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 如通過TCP/IP 協(xié)議,把遠程的串口設(shè)備,虛擬連接到本地的電腦上,實現(xiàn)遠程設(shè)備管理,2 臺設(shè)備之間通過Modbus 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

Modbus 通訊協(xié)議屬于軟件協(xié)議,它包含報頭包圍的格式,Modbus 是應(yīng)用層的通訊協(xié)議,主要用于傳送和接收文件包的格式。 而RS232、RS485 等是物理層的串行接口,屬于硬件協(xié)議,可以支持幾十種通訊協(xié)議,Modbus 只是其中的一種。

研發(fā)的智能監(jiān)測采集儀利用Modbus 協(xié)議以及RS485 串行接口運行流程見圖3。

圖3 Modbus 運行流程

Modbus 協(xié)議是一種作用在電子控制器上的通用語言。 通過此協(xié)議,不同品牌的控制器也能夠相互之間通過網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng))和其他設(shè)備進行信息傳輸。

將Modbus 協(xié)議程序燒錄到STM32 電路板一般有2 種方法:基于USB 串口的ISP 下載和基于仿真器的下載。 研發(fā)的智能監(jiān)測采集儀采用了基于USB 串口的ISP 下載這一方式。

3 智能監(jiān)測采集儀研發(fā)

數(shù)據(jù)采集是指將采集到的模擬量(位移,壓力,溫度等)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,再進行處理或儲存。 從基坑監(jiān)測項目的實際應(yīng)用需求出發(fā),以充分的市場調(diào)研為基礎(chǔ),自主設(shè)計研發(fā)了智能監(jiān)測采集儀,可以實現(xiàn)應(yīng)力(應(yīng)變)計、鋼筋計、軸力計等多種傳感器的數(shù)據(jù)采集和上傳。 主程序流程見圖4。

圖4 智能監(jiān)測采集儀主程序流程

智能監(jiān)測采集儀采集模塊硬件原理見圖5。

圖5 智能監(jiān)測采集儀采集模塊硬件原理

與市場上的采集設(shè)備相比,研發(fā)的智能監(jiān)測采集儀具有以下優(yōu)勢。

(1)智能監(jiān)測采集儀可以兼容不同廠家的振弦式傳感器,并且可以自適應(yīng)不同種類型的振弦式傳感器信號輸出激勵電壓,能夠讓傳感器處于最佳的工作狀態(tài),從而大幅度提高監(jiān)測效率。

(2)將智能監(jiān)測采集儀的激勵信號與振弦式傳感器之間進行物理隔離,大幅提高傳感器的使用壽命。

(3)采用“鋰電池+”交流電供電技術(shù)來滿足日常使用,并且能夠外接多晶硅太陽能電池板,在連續(xù)陰雨天或者光照條件不足時,使得智能監(jiān)測采集儀能夠在戶外正常工作100 h 以上。

(4)智能監(jiān)測采集儀內(nèi)部設(shè)置數(shù)據(jù)存儲模塊,在網(wǎng)絡(luò)條件不好時,能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)滿足要求時,將存儲的數(shù)據(jù)及時上傳至云端服務(wù)器。

(5)智能監(jiān)測采集儀能夠進行遠程控制,根據(jù)項目現(xiàn)場的實際情況,設(shè)定采樣間隔及休眠時間。

(6)采用JSON 格式通過4G 模塊上傳采集的數(shù)據(jù),大幅度降低了數(shù)據(jù)上傳和解析的困難程度。

4 智能監(jiān)測采集儀數(shù)據(jù)對比分析

利用激振、拾振技術(shù)對振弦式傳感器的數(shù)據(jù)進行采集,采用RS485 接口及Modbus 通訊協(xié)議實現(xiàn)智能監(jiān)測采集儀與傳感器之間的通訊,將獲取的數(shù)據(jù)利用JSON 格式通過4G 模塊實時上傳至云端服務(wù)器中。將研發(fā)的智能監(jiān)測采集儀應(yīng)用于某城市軌道交通工程基坑監(jiān)測項目中(見圖6),對混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計進行數(shù)據(jù)的采集,智能監(jiān)測采集儀現(xiàn)場安裝情況見圖7。

圖6 智能監(jiān)測采集儀安裝現(xiàn)場

圖7 混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計數(shù)據(jù)

研發(fā)的智能監(jiān)測采集儀包括8 個通道的數(shù)據(jù)接口,可同時采集8 個振弦式傳感器的數(shù)據(jù),將其中4 個通道分別接入不同混凝土支撐上的鋼筋應(yīng)力計,通過系統(tǒng)配置,將智能監(jiān)測采集儀的采集頻率設(shè)置為1 h,連續(xù)獲取混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計的頻率數(shù)據(jù),經(jīng)過一段時間的監(jiān)測,智能監(jiān)測采集儀獲取的數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 智能監(jiān)測采集儀與手持讀數(shù)儀成果對比

由圖7 可知,智能監(jiān)測采集儀獲取的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,能夠滿足現(xiàn)場的實際應(yīng)用需求。

為了進一步對智能監(jiān)測采集儀采集數(shù)據(jù)的絕對精度進行分析,利用智能監(jiān)測采集儀與609 讀數(shù)儀分別在某天10:00、11:00、12:00 時間節(jié)點采集3 根鋼筋應(yīng)力計的數(shù)據(jù),將智能監(jiān)測采集儀獲取的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計的數(shù)據(jù)與人工采用609 讀數(shù)儀獲取的數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果見表2 和圖8。

表2 智能監(jiān)測采集儀與手持讀數(shù)儀成果對比_______

由表2 和圖8 可知,智能監(jiān)測采集儀獲取的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計的數(shù)據(jù)與手持讀數(shù)儀相比,兩者誤差均小于0.4 Hz,最大值為0.32 Hz,最小值為-0.32 Hz。 不難看出,智能監(jiān)測采集儀獲取的數(shù)據(jù)精度較高,能夠滿足基坑監(jiān)測項目中混凝土支撐軸力的應(yīng)用需求,不同時間段采集的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計的數(shù)據(jù)無明顯的系統(tǒng)誤差。

與人工方式相比,智能采集儀能夠?qū)崟r獲取混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計的頻率數(shù)據(jù),并將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器,無需人工到達現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集,可大幅提高外業(yè)監(jiān)測工作效率。

5 結(jié)語

在研究振弦式傳感器的工作原理、數(shù)據(jù)通訊等技術(shù)的基礎(chǔ)上,研發(fā)出一款適用于各廠家振弦式傳感器的智能監(jiān)測采集儀,采用激振、拾振技術(shù)獲取傳感器的數(shù)據(jù),利用RS485 接口、Modbus 通訊協(xié)議實現(xiàn)傳感器與采集儀之間的數(shù)據(jù)通訊。 采用JSON 格式通過4G模塊將采集的數(shù)據(jù)實時上傳至云端服務(wù)器,大幅度降低數(shù)據(jù)上傳和解析的困難程度,與人工采用手持讀數(shù)儀的方式相比,大幅提高外業(yè)監(jiān)測工作效率。

將智能監(jiān)測采集儀獲取的傳感器數(shù)據(jù)與人工采用609 讀數(shù)儀獲取的數(shù)據(jù)進行對比分析,結(jié)果表明,智能監(jiān)測儀獲取的傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,采集的數(shù)據(jù)誤差均在0.4Hz 以內(nèi),與手持讀數(shù)儀測量結(jié)果相當(dāng),能夠滿足基坑監(jiān)測項目中支撐軸力監(jiān)測的應(yīng)用需求。

智能監(jiān)測采集儀具有實時性強、兼容性高、供電方式靈活多樣、數(shù)據(jù)格式解析簡單等優(yōu)點,利用智能監(jiān)測采集儀能夠?qū)崟r獲取被測結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),能夠為基坑工程施工提供指導(dǎo),是未來智慧工地的發(fā)展方向之一。