無線雙核應(yīng)變應(yīng)力測量裝置

陳得民 / 北京必創(chuàng)科技股份有限公司

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無線雙核應(yīng)變應(yīng)力測量裝置

陳得民 / 北京必創(chuàng)科技股份有限公司

摘要設(shè)計了一種無線雙核應(yīng)力測試裝置，從硬件技術(shù)上解決了無線網(wǎng)絡(luò)的同步性問題。設(shè)備主要有三部分組成：測量電路，數(shù)據(jù)處理單元和無線射頻單元。無線射頻單元采用獨立的數(shù)據(jù)處理模塊，和外部的數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成一個雙核系統(tǒng)。在進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集時，直接由射頻單元內(nèi)的時鐘發(fā)送脈沖信號來控制采集電路，從而大大降低了時間延誤，提高了數(shù)據(jù)采集的同步準(zhǔn)確度。設(shè)備在閘門支臂啟閉過程中進(jìn)行了應(yīng)力測試。結(jié)果顯示，該設(shè)備滿足工程測試要求，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞無線傳感器；應(yīng)變測試；應(yīng)力測試；雙核

0　引言

應(yīng)變測量是很多機械工程、水利工程、巖土工程等領(lǐng)域中一項最基本的測試內(nèi)容。但在這些工程測試領(lǐng)域，其現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，很多處于高空位置，如果采用傳統(tǒng)的有線測量方式，一則工程量巨大，施工難度極高；二則，有線方式易受到外部環(huán)境的干擾；三則，對于部分移動設(shè)備，將無法完成測量。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為解決傳統(tǒng)有線應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所面臨的問題提供了契機。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是涉及傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、微機電系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理等諸多技術(shù)領(lǐng)域的一門交叉學(xué)科。雖然，基于該技術(shù)，目前很多企事業(yè)單位也研制出很多無線應(yīng)變應(yīng)力測試系統(tǒng)，可以解決有線系統(tǒng)所面臨的上述諸多問題，但是，在很多特殊的應(yīng)力應(yīng)變測試工況中，需要多傳感器多測點同步測試，而這些設(shè)備有的只能進(jìn)行靜態(tài)加載試驗，有的只能進(jìn)行定采樣率動態(tài)獨立測試，其單設(shè)備內(nèi)通道間及設(shè)備與設(shè)備間同步性都比較差，例如大型起重機械的動載試驗，水閘門啟閉過程中支臂應(yīng)力測試等。這些動態(tài)過程測試中，需要同時對整個結(jié)構(gòu)上的多個測點進(jìn)行同步測試，以便掌握設(shè)備整體動態(tài)受力特性。而市場上常見的這些無線應(yīng)變檢測系統(tǒng)，雖然也可以實現(xiàn)多測點同步測試，但其同步技術(shù)都是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中同步算法實現(xiàn)，其同步準(zhǔn)確度不高?；谏鲜鲋T因素的考慮，本文研究設(shè)計一種無線雙核應(yīng)力測試裝置，從硬件架構(gòu)上解決無線網(wǎng)絡(luò)的同步性問題。同時，本文結(jié)合一典型的工程應(yīng)用實例，對該設(shè)備的應(yīng)用做了詳細(xì)描述。事實證明，該設(shè)備使用方便、功能齊全、性能穩(wěn)定，不僅可以用于結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)變應(yīng)力測試，亦可用于結(jié)構(gòu)動態(tài)多測點同步應(yīng)變應(yīng)力測試。

1　無線應(yīng)變測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所涉及的無線應(yīng)變測試系統(tǒng)是一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。系統(tǒng)采用無線應(yīng)變傳感器采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，每個無線應(yīng)變傳感器獨立工作，分布式布置，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)接收本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個無線應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)，并通過各種有線或無線接口轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控主機。監(jiān)控主機安裝有數(shù)據(jù)采集與處理軟件，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、顯示和分析等。

2　應(yīng)變應(yīng)力測試原理

材料在受外力作用時，將產(chǎn)生機械變形，機械變形會產(chǎn)生阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。用應(yīng)變片測量受力應(yīng)變時，將應(yīng)變片粘貼于被測對象的表面。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形時，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化[2]，其存在如下關(guān)系式：

k —— 靈敏系數(shù)；

ε —— 應(yīng)變值

圖1　惠斯登電橋

式中：δ —— 試件的應(yīng)力；

E —— 試件材料的彈性模量；

k —— 一般在1.7~3.6之間

3　無線應(yīng)變傳感器

無線應(yīng)變測量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊及電源管理模塊組成。數(shù)據(jù)采集電路主要是通過激勵源給外部應(yīng)變片提供恒壓或恒流源，然后將外部應(yīng)變片與內(nèi)部高精度電阻組成測量橋路，再通過放大、濾波及A/D采集芯片等實現(xiàn)應(yīng)變信號的采集；數(shù)據(jù)處理模塊主要是控制數(shù)據(jù)的采集和處理，并與無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；無線通信模塊主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)；電池管理模塊主要給該設(shè)備供電部分提供電源[3,4]。

3.1應(yīng)變采集電路的設(shè)計

應(yīng)變采集電路是該設(shè)備最前端信號獲取部分，也是本設(shè)備最關(guān)鍵電路部分之一，直接關(guān)系到采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度。該采集電路如圖2所示，主要由五部分組成：激勵電路、配橋電路、電橋調(diào)平電路、放大濾波電路以及A/D采集芯片。激勵電路主要是利用運算放大器，通過電阻R2 和V_REF的配比計算產(chǎn)生一個恒定電壓或電流，為橋路提供工作所需要的恒定激勵源。橋路電路由四個高精度橋臂電阻（R5- R8）和一個多路開關(guān)芯片組成，可通過控制多路開關(guān)芯片的通斷來切換內(nèi)部橋臂電阻的連接方式，從而可以對全橋、半橋、四分之一橋等不同橋路進(jìn)行選擇，大大增加了系統(tǒng)架設(shè)的靈活性。由于受環(huán)境變化、應(yīng)變片電阻不一致性等因素影響，電橋電路將發(fā)生零偏。電橋調(diào)平電路由兩個橋路調(diào)平輔助電阻R9、R10和一個可調(diào)電位計構(gòu)成。通過控制可調(diào)電位計的阻值大小完成電橋電路的零偏校正。放大濾波電路是由儀表放大器和與之匹配的電阻（R11-R15）、電容（C1、C2）組成，用于放大、調(diào)理因橋路微小應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號。合理的放大倍數(shù)和濾波頻率能夠最大程度地還原真實值，反應(yīng)橋路的變化情況。A/D采集芯片負(fù)責(zé)將已經(jīng)放大、濾波后的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過spi、串口等其他數(shù)字接口傳輸給主控芯片MCU。

圖2　采集電路圖

3.2雙核數(shù)據(jù)處理硬件架構(gòu)

傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集裝置如圖3所示，其包括一個微控制單元MCU，以及與微控制單元連接的無線射頻單元和數(shù)據(jù)采集單元。其中，數(shù)據(jù)采集單元用于在微控制單元控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，微控制單元對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；無線射頻單元用于在控制單元控制下發(fā)送數(shù)據(jù)處理結(jié)果。但是，由于現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)采集裝置中僅具備單微控制單元，因此，其采集能力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)的傳輸能力以及系統(tǒng)的擴展能力都很有限。

圖3　雙核硬件原理

本文設(shè)計的無線雙核數(shù)據(jù)采集裝置，由于分別在無線射頻部分和數(shù)據(jù)處理部分設(shè)置了單獨的微控制單元，因此可以提高無線數(shù)據(jù)采集裝置的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及擴展等能力。同時，由于無線射頻部分微控制單元中的時鐘電路模塊向數(shù)據(jù)處理部分中的采集電路提供時鐘信號，由此實現(xiàn)了同步采集。該雙核采集裝置主要由數(shù)據(jù)處理部分和無線射頻部分組成。其中，無線射頻部分由射頻芯片和數(shù)據(jù)處理模塊組成，數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)處理電路及時鐘電路組成。數(shù)據(jù)處理部分由數(shù)據(jù)采集電路、時鐘電路及數(shù)據(jù)處理電路組成。基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，無線射頻部分包括第一微控制單元MCU1和射頻芯片。MCU1包括第一時鐘電路模塊和第一數(shù)據(jù)處理電路模塊。數(shù)據(jù)處理部分包括第二微控制單元MCU2。MCU2包括第二時鐘電路模塊、第二數(shù)據(jù)處理電路模塊和采集電路模塊。第一時鐘電路模塊用于向第一數(shù)據(jù)處理電路模塊提供第一時鐘信號，并在采集時間點向采集電路提供第一時鐘信號。采集電路根據(jù)第一時鐘信號在采集時間點進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將得到的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至第二數(shù)據(jù)處理電路模塊。第二時鐘電路模塊用于向第二數(shù)據(jù)處理電路模塊提供第二時鐘信號。第二數(shù)據(jù)處理電路模塊根據(jù)第二時鐘信號對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，并將運算結(jié)果發(fā)送至第一數(shù)據(jù)處理電路模塊。第一數(shù)據(jù)處理電路模塊通過射頻芯片接收包括采集時間點的采集指令，并于采集啟動時間點控制第一時鐘電路模塊向采集電路模塊提供第一時鐘信號，以及用于根據(jù)第一時鐘信號和預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對運算結(jié)果進(jìn)行調(diào)制形成數(shù)據(jù)包，并通過射頻芯片發(fā)送數(shù)據(jù)包。

本文所設(shè)計的無線應(yīng)變采集裝置中，無線射頻部分中的射頻芯片采用低功耗射頻芯片MC13192 zigbee，第一微控制單元采用帶時鐘的低功耗單片機MC9S08GB60A。數(shù)據(jù)處理部分中的第二微控制單元采用帶A/D采集電路及內(nèi)部時鐘的單片機MSP430。由于MC9S08GB60A中的時鐘信號提供給MSP430中的A/D采集電路，由此實現(xiàn)了同步采集。

圖4　通道橋路電路

3.3無線應(yīng)變采集設(shè)備實現(xiàn)

本文設(shè)計的無線應(yīng)變節(jié)點是一種基于802.15.4協(xié)議的新型雙核數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其使用非常簡單，直接將節(jié)點用自帶的磁鐵吸在被測物上即可。每個設(shè)備設(shè)計四路獨立采集電路，其由電源模塊、采集處理模塊以及無線通信模塊組成。每個數(shù)據(jù)采集通道內(nèi)都有內(nèi)置獨立的高精度橋路電阻和放大調(diào)理電路，以支持電壓激勵。同時，該設(shè)備可以通過上位機軟件，方便地實現(xiàn)四分之一橋、半橋、全橋測量方式的自動切換，兼容了各種類型的橋路傳感器。其數(shù)據(jù)采集通道與外接應(yīng)變片組成的橋路原理圖如圖4所示，Sx+、Sx-是通道的正負(fù)信號端，AEXC是在全橋時和接地端AGND組成橋路輸入端。

該設(shè)備采集的數(shù)據(jù)可以實時存儲在節(jié)點內(nèi)，同時也可以實時傳輸?shù)缴衔粰C，從而保證了采集數(shù)據(jù)的安全性及準(zhǔn)確性。節(jié)點的無線傳輸速率可以達(dá)到250 kbps，其通信距離可達(dá)到1 km。節(jié)點內(nèi)部有電源管理軟硬件，在數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸時節(jié)點功耗僅幾毫安。節(jié)點內(nèi)置可充電電池，充滿一次電可連續(xù)工作半年以上。節(jié)點支持外部I/O觸發(fā)采集控制模式，通過外部接口接入高電平信號進(jìn)行控制。節(jié)點帶有USB接口，用戶可以通過USB接口對節(jié)點充電，同時可以快速把節(jié)點內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)下載下來[5]。

4　工程應(yīng)用

該設(shè)備在江山碗窯水庫露頂弧形工作閘門8 m× 10 m-10 m的閘門支臂上進(jìn)行了動態(tài)應(yīng)力測試[6]。在無水壓力作用下測量啟閉閘門過程的動態(tài)應(yīng)力。測試前，在閘門上支臂選擇8個測點，每個測點粘貼一單片1/4橋應(yīng)變片，其中4個測點在左支臂，4個測點在右支臂，每4個測點使用一臺四通道的無線應(yīng)變采集裝置，在閘門啟閉過程中對支臂動態(tài)應(yīng)力進(jìn)行實時同步測量。部分測量結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　閘門左支臂測點啟閉過程應(yīng)力曲線

圖6　閘門右支臂測點啟閉過程應(yīng)力曲線

動態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果顯示，在無水壓力作用下，左支臂上測點在啟門過程的實測附加動應(yīng)力一直保持在較高水平，附加動應(yīng)力值并沒因受力條件改善而降低，受力狀態(tài)不正常。同時，通過對8條數(shù)據(jù)曲線分析，通道與通道之間及兩采集設(shè)備之間的數(shù)據(jù)同步準(zhǔn)確度極高，通道之間同步誤差在±0.01 ms之內(nèi)，設(shè)備與設(shè)備之間同步誤差在±0.1 ms之內(nèi)。

5　結(jié)語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線測試系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工程應(yīng)用方面所面臨的諸多問題。同步采集技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最關(guān)鍵的技術(shù)之一。本文研制的雙核應(yīng)變應(yīng)力采集裝置從硬件技術(shù)架構(gòu)上解決了無線應(yīng)變采集系統(tǒng)的時間同步問題，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)的一次革新。同時，本文研制的無線應(yīng)變測試系統(tǒng)在實際工程中得到應(yīng)用。結(jié)果顯示，本系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，測量準(zhǔn)確度及時間同步準(zhǔn)確度極高。

參考文獻(xiàn)

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[3] 陳得民,羅銀生, 張俊輝,等.一種應(yīng)變式無線傳感器: CN 102628717 A[P]. 2012.

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[6] 陳得民,沈唯真,代嘯寧.一種無線閘門設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置:CN 203642964 U[P]. 2014.

A wireless dual-core strain stress measuring device

Chen Demin
（BeiJing BeeTech Inc）

Abstract:A wireless dual-core stress testing device was designed. The synchronization of wireless network in hardware technology has been solved. The device was composed of three components: measuring circuits, data processing unit and wireless communicating module. Wireless communicating module adopted independent data processing module which constituted a dual-core processor with the external CPU. In the synchronous data acquisiting system, the clock signals of wireless communicating module sent pulse signals directly to control the data acquisition circuit. In this way, the time delay was reduced greatly and the synchronous accuracy of data acquisition was improved. The measuring device was applied to stress testing in the process of opening and closing of the gate arm. The testing results show that the system meets the requirements of engineering test, and the system performance is stable and reliable.

Key words:wireless sensor; strain test; stress test; dual-core