基于振弦式傳感器的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

田一鳴，曲立國，王堯偉，林 瀟，謝黎明，杜賽賽

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230041；2.安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

0 引 言

在橋梁領(lǐng)域，需要對結(jié)構(gòu)的健康狀況進行長期監(jiān)測，特別是對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測非常重要.橋梁的動力特性顯示了橋梁壽命期間結(jié)構(gòu)安全的重要性，特別是在容易發(fā)生大風(fēng)或地震等自然災(zāi)害的地區(qū)，除了自然災(zāi)害荷載之外，車輛運輸量的增加和車輛重量的增加還會引起動態(tài)荷載的增加[1-2].2020年初，廣東虎門大橋橋面突然出現(xiàn)規(guī)律抖動，原因是沿著橋兩邊護欄連續(xù)放置的水馬，改變了橋梁的氣動外形，在大風(fēng)的極限環(huán)境下，產(chǎn)生了橋梁共振現(xiàn)象.因此，對橋梁建成后的性能監(jiān)測非常重要，同時，為了更準確地監(jiān)測橋梁的變化，對應(yīng)變儀校準精度的要求也越來越高[3].針對以上要求，研究人員提出了一系列監(jiān)測方法，并采用了經(jīng)緯儀技術(shù)、測量機器人技術(shù)和圖像成像技術(shù)[4]，但是，這些方法往往無法實現(xiàn)連續(xù)運行以及無人值守的長期監(jiān)測.振弦式傳感器作為國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器[5]，具有一個顯著的優(yōu)勢是其電磁特性對物理和環(huán)境變化都很敏感.它通常被埋入被測物體內(nèi)部或安裝在被測物體表面，用于長期監(jiān)測相應(yīng)變量的變化.同時，振弦式傳感器能夠直接輸出頻率信號，具有抗干擾能力強、受溫度影響小、抗震以及經(jīng)久耐用的特點[6].因此，本文基于振弦式傳感器設(shè)計了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并對監(jiān)測系統(tǒng)的測量相對誤差、穩(wěn)定性和工作特性進行了測試.

1 振弦式傳感器的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 振弦式傳感器測頻原理

振弦傳感器主要測量振弦諧振頻率，并通過標度變換計算壓力、位移等參數(shù).振弦傳感器以鋼弦振動的方式工作，弦的一端連接在薄的圓形膜片/板的中心[7].當(dāng)膜片上施加壓力時，膜片的變形引起弦的拉力變化，從而引起弦的本振頻率的變化.通過電磁激勵振動和頻率計來測量弦的固有頻率，這樣，就可以利用弦的壓力-頻率特性來得到外部壓力的大小.因此，應(yīng)變儀不存在必須現(xiàn)場校準、信號漂移和長期使用耐久性差的問題，解決了應(yīng)變片在長期使用中不穩(wěn)定的缺點.振弦式傳感器具有良好的測量特性，它的非線性度不超過0.1%，靈敏度不低過0.05%，溫度誤差不超過0.1%.應(yīng)變片制作完成后，其鋼弦具有一定的初始張力T0，因此其初始頻率為F0.當(dāng)安裝應(yīng)變計時，振動弦的張力隨弦的變形而變化[8].振弦式傳感器中振弦振動頻率的變化量，可反映出受力的大小.因此，振弦式傳感器能直接以頻率信號輸出，其頻率大小反映待測信號的大小，其頻率范圍通常為400 Hz～5 000 Hz，頻率信號采集電路即是實現(xiàn)輸入信號頻率的測量電路，進而反演成被測量參數(shù)的大小[9].如圖1 所示，振弦傳感器被掃描激振信號激振后，輸出正弦信號，當(dāng)輸出的正弦信號賦值達到最大時，撤去激振信號，輸出信號經(jīng)過調(diào)整后輸出頻率穩(wěn)定的幅值衰減正弦信號，然后經(jīng)過放大電路放大信號，帶通濾波器濾除干擾信號，最后通過滯回比較器整形輸出方波信號，送入STM32處理器完成等精度測頻.

圖1 振弦傳感器信號Fig.1 Vibration string sensor signal

振弦傳感器的信號采樣方式是將正弦衰減信號通過比較器轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ǎ捎玫染葴y頻方法測量方波頻率，然后通過頻率反演振弦傳感器對應(yīng)的物理量(位移或者壓力).

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

本采集系統(tǒng)選用了具有豐富片內(nèi)RAM資源的STM32F103系列芯片作為控制單元.硬件系統(tǒng)由控制器、多路選擇開關(guān)、激振電路、采樣電路、信號處理電路、存儲顯示單元和通信單元組成.在采集過程中為了對多個振弦式傳感器進行信號采集，選用多路模擬開關(guān)的方式選通不同的傳感器，本系統(tǒng)可同時測量至少8路傳感器.

如圖2 所示為基于振弦式傳感器的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖，系統(tǒng)工作后可以選通任意一路振弦式傳感器，通過激振電路使傳感器的鋼弦起振，隨即對信號進行采集，采集的信號通過信號處理電路進行濾波、整形后由STM32進行頻率計算[10-11].

圖2 振弦式傳感器的采集儀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the acquisition instrument of vibrating string sensor

系統(tǒng)以ARM處理器STM32為核心，結(jié)合外部激振電路、采樣電路、信號處理電路和通信電路.利用內(nèi)部A/D完成模擬量信號采集，利用內(nèi)部計數(shù)器、定時器和輸入捕獲功能完成頻率信號的等精度測量，利用內(nèi)部定時器輸出掃頻脈沖信號[12-14].激振電路采用MOSFET場效應(yīng)管實現(xiàn)ARM處理器輸出掃頻信號的放大驅(qū)動.開關(guān)電路采用多路模擬開關(guān)芯片完成信號的切換和隔離.振弦式傳感器輸出信號經(jīng)過采樣電路采樣后輸入信號處理電路，設(shè)置二極管峰值檢波電路，輸出信號為振弦式傳感器振蕩電壓信號的包絡(luò)幅值，然后送入ARM處理器的A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)包絡(luò)電壓檢測.放大電路采用集成運算放大器構(gòu)成的二級同相比例放大器.帶通濾波器由集成運算放大器構(gòu)成二階有源低通濾波器和高通濾波器并進行串聯(lián)來實現(xiàn)，通帶頻率為400 Hz～5 000 Hz.

2 振弦式傳感器的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)采樣模式可設(shè)置為周期定時采樣和單次觸發(fā)采樣，以滿足不同的采樣需求，采樣數(shù)據(jù)同時保存在板載的SD卡中，以便系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中斷時自主進行離線采樣.系統(tǒng)主程序軟件流程如圖3 所示，系統(tǒng)上電初始化后，數(shù)據(jù)采集單元隨時監(jiān)聽來自通信網(wǎng)絡(luò)的控制命令，當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的配置數(shù)據(jù)后，將其存儲在采集儀的FLASH中，接著修改配置參數(shù).然后根據(jù)設(shè)定的采樣模式進行數(shù)據(jù)采樣.所有通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將采樣數(shù)據(jù)進行標度變換、保存.最后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊發(fā)送到監(jiān)控中心的控制服務(wù)器上做進一步處理.在進行軟件設(shè)計時，需要將數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)存儲兩部分設(shè)置為并行運行，這樣設(shè)計的好處是只要不同時發(fā)生網(wǎng)絡(luò)傳輸故障和現(xiàn)場存儲故障，系統(tǒng)就不會癱瘓，從而大大增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖3 主程序軟件流程Fig.3 Main program software flow

2.2 傳感器掃頻激振軟件流程設(shè)計

傳感器掃頻激振軟件流程如圖4 所示，充分利用STM32的內(nèi)部資源定時/計數(shù)器的功能實現(xiàn)掃頻程序,由I/O口輸出頻率可變的信號.定時計數(shù)器工作在定時方式下，定時的時間由掃頻的某一頻率決定,在定時器中斷程序中改變I/O口的狀態(tài),從而在I/O口檢測到脈沖信號.設(shè)傳感器掃頻的頻率上限為fmax，傳感器掃頻的頻率下限為fmin，由I/O口輸出的傳感器掃頻的頻率fmax和傳感器掃頻的頻率fmin之間的某一頻率的脈沖個數(shù)均為N.當(dāng)檢測到上升沿時開始計數(shù)，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)組，直到計數(shù)值大于N，計算頻率穩(wěn)定度，也就是判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)質(zhì)量合格則完成一次頻率測量.

圖4 傳感器掃頻激振軟件流程Fig.4 Software flow of sensor sweep and vibration excitation

2.3 數(shù)字傳感器信號采集軟件流程設(shè)計

數(shù)字傳感器信號采集軟件流程如圖5 所示，數(shù)字傳感器信號采集軟件主要通過設(shè)置STM32F103內(nèi)部的串口與上位機通信，根據(jù)上位機指令，設(shè)置通道傳感器參數(shù)(包括傳感器編號、類型等)，然后設(shè)置節(jié)點地址.采用輪詢訪問方式配置、讀取各個數(shù)字傳感器輸出的數(shù)據(jù).

圖5 數(shù)字傳感器信號采集軟件流程Fig.5 Digital sensor signal acquisition software flow

2.4 通信軟件流程設(shè)計

如圖6 所示，通信軟件主要是配置下位機與上位機的通信參數(shù)，包括波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)校驗方式、通信協(xié)議設(shè)置，然后基于設(shè)定的通信協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、校準零點、單通道校準零點、單通道取消測量、設(shè)置定時測量參數(shù)、讀取傳感器編號、數(shù)據(jù)上傳等功能.

圖6 通信軟件流程圖Fig.6 Flow chart of co mmunication software

3 通信協(xié)議

在MODBUS協(xié)議下，開放三個子模塊數(shù)據(jù)可讀取，子模塊名和子模塊地址分別為測頻模塊(0x01)、時鐘模塊(0x02)、溫度模塊(0x03).其中，測頻模塊讀出“頻率值”2字節(jié)(單位：Hz)、時鐘模塊讀出“年月日時分秒”7字節(jié)、溫度模塊輸出“溫度值”2字節(jié)(單位：℃).其中，測頻模塊寫入采樣方式(1字節(jié)：0x01自動采樣/0x02定時采樣)、定時采樣時間(2字節(jié)：單位為ms)、掃頻下限(2字節(jié))、掃頻上限(2字節(jié))、掃頻步進(2字節(jié))、掃頻周期(2字節(jié))；時鐘模塊寫入年(2字節(jié))、月(1字節(jié))、日(1字節(jié))、時(1字節(jié))、分(1字節(jié))、秒(1字節(jié)).

在MODBUS協(xié)議下，支持基于MODBUS協(xié)議的多(單)模塊讀取、單個模塊寫入、多個模塊寫入三種指令，對應(yīng)指令碼分別為0x03，0x06，0x10.指令碼的指令和返回數(shù)據(jù)幀格式分別如表1 和表2 所示.

表1 指令數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Tab.1 Instruction data frame structure

表2 返回數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Tab.2 Returns the data frame structure

例：讀取地址為 0x01 的采集儀，第1個通道傳感器值，子模塊起始地址為 0，連續(xù)讀取3個模塊.

主機發(fā)送指令：0x01 0x03 0x01 0x01 0x03 0x09 0xD5；

從機返回應(yīng)答：0x01 0x03 0x01 0x0B 0x27 0x10 0x07 0xD8 0x08 0x08 0x08 0x08 0x08 0x00 0xFA 0x95 0xA5，從0x27至0xFA為讀取數(shù)據(jù)：頻率值為1 000 Hz，時間為2008年8月8日8時8分8秒，溫度值為25 ℃.

如果從機接收到非法的功能碼，則無法解析并返回如表3 所示的非法功能碼返回數(shù)據(jù)幀，非法功能碼如表4 所示.

表3 非法功能碼返回數(shù)據(jù)幀Tab.3 Illegal function code returns data frame

表4 非法功能碼列表Tab.4 List of illegal function codes

4 系統(tǒng)測試與分析

為了驗證橋梁監(jiān)測傳感器信號采集儀的工作特性，我們對橋梁監(jiān)測傳感器信號采集儀的測量相對誤差、穩(wěn)定性和工作特性進行測試.系統(tǒng)測試平臺如圖7 所示.

圖7 系統(tǒng)測試平臺Fig.7 System test platform

4.1 系統(tǒng)測量相對誤差

為了驗證本系統(tǒng)的測量的相對誤差，進行了如下實驗：選用振弦式位移傳感器作為被測對象，同時分別用測量精度為0.02 mm的游標卡尺和本文設(shè)計的采集儀測量.改變振弦式位移傳感器位移量10次，再分別用游標卡尺和采集儀測量改變位移量的大小.每次在振弦式位移傳感器位置固定時用游標卡尺測量10次并取其平均值，記錄游標卡尺測量平均值和采集儀測量值，如表5 所示.由表5 可知，采集儀測量值與游標卡尺最大相對誤差為0.07 mm，平均相對誤差為0.031 mm.

表5 測量數(shù)據(jù)Tab.5 Measurement data

4.2 系統(tǒng)線性度測試

為了驗證本系統(tǒng)的工作特性是否良好，將位移傳感器當(dāng)前位置設(shè)置為零，然后改變傳感器的位移大小，將傳感器在不同位置時本系統(tǒng)所測的位移數(shù)據(jù)記錄下來，再利用MATLAB軟件對得到的數(shù)據(jù)進行擬合.先采用線性擬合方法對傳感器測量的位移數(shù)據(jù)進行擬合，設(shè)直線方程y=kx+b，計算得到斜率為 0.037 42，截距為-62.075 08，也即擬合直線為y=0.037 42x-62.075 08.校正相關(guān)系數(shù)約為 0.998 49，皮爾遜相關(guān)系數(shù)約為0.999 25.

圖8 線性擬合Fig.8 Linear fitting

再采用多項式擬合方法進行擬合，如圖9 所示，設(shè)多項式擬合函數(shù)形式為y=Ax2+Bx+c，計算得到A1=9.674 47x10-6，B=2.193 6x10-6，C=-26.119 36，校正相關(guān)系數(shù)為1.通過這兩種方法分析可以得出，本系統(tǒng)的工作特性趨近于直線.

圖9 多項式擬合Fig.9 Polynomial fitting

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

工程上需要對橋梁狀態(tài)進行長期監(jiān)測，必須保證監(jiān)測系統(tǒng)長期工作，因此，本文對所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性實驗，并將分別采用市場上的上海有數(shù)電子的振弦信號采集儀與本系統(tǒng)所測量的數(shù)據(jù)進行了對比.圖10 和圖11 分別為振弦式傳感器1和振弦式傳感器2在靜態(tài)環(huán)境(傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài))和相同條件下(溫度、濕度、采樣時間相同)由有數(shù)電子采集儀和本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集儀測得的頻率數(shù)據(jù).由圖可以看出，本文設(shè)計的采集系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)變化小，測量的穩(wěn)定度更高，其原因主要是兩者所采用的測頻方法不同.

圖10 傳感器1在不同采集儀測量的數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison of data measured by sensor 1 in different acquisition instruments

圖11 傳感器2在不同采集儀測量的數(shù)據(jù)對比Fig.11 Comparison of data measured by sensor 2 in different acquisition instrument

5 結(jié) 論

1)本文完成了基于振弦式傳感器的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，將STM32F103作為控制內(nèi)核，可同時實時/離線監(jiān)測至少8路外部傳感器信號，與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，本文設(shè)計的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)同時監(jiān)測點多、采集數(shù)據(jù)量大、能夠同時滿足在線和離線監(jiān)測，提高了采集工作效率.因此，本文設(shè)計的系統(tǒng)在橋梁領(lǐng)域及道路監(jiān)測、文物保護等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景.

2)本文對所設(shè)計的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)進行了一系列實驗.測量精度測試表明，本系統(tǒng)測量值與游標卡尺測量值的最大相對誤差為0.07 mm，平均相對誤差為0.031 mm.利用安徽省合巢蕪大橋作為外場實驗場地，對本文所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)線進行性度測試，結(jié)果表明，本系統(tǒng)采用線性擬合的校正相關(guān)系數(shù)約為0.998 49，皮爾遜相關(guān)系數(shù)約為0.999 25，采用多項式擬合的校正相關(guān)系數(shù)為1.系統(tǒng)穩(wěn)定度測試表明，本系統(tǒng)長期測試數(shù)據(jù)變化小于0.7 Hz.這些實驗表明，本系統(tǒng)具有精度高、線性度高以及穩(wěn)定性強等特點，因此，具有較大的應(yīng)用價值.