道路層面響應(yīng)參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)*

王 豪 呂承舉 紀(jì)少波 廖寶梁 李 萌 徐懷民

(1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 濟(jì)南 250061； 2.山東省交通科學(xué)研究院 濟(jì)南 250031)

目前，路基路面的健康狀態(tài)多采用傳統(tǒng)檢測設(shè)備對路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期定點(diǎn)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(xiàn)[3]開發(fā)了一套高速公路養(yǎng)護(hù)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(jìn)行維護(hù)；文獻(xiàn)[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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期自動(dòng)監(jiān)測；文獻(xiàn)[5]研發(fā)的公路路面信息監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，但系統(tǒng)只能監(jiān)測路面的信息，不能實(shí)時(shí)采集路基結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力、應(yīng)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(dòng)采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)將傳感器直接預(yù)埋在新建公路路基內(nèi)，長期監(jiān)測道路多層面應(yīng)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(chǔ)器(Flash存儲(chǔ)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(yùn)行；采用激光測距傳感器判斷是否有車輛到來，實(shí)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(dòng)采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，不需要專門的人員在現(xiàn)場進(jìn)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(yīng)用前景。

1 功能介紹

本文開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)系統(tǒng)及上位機(jī)分析軟件。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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(chǔ)系統(tǒng)。當(dāng)鋰電池組電量降低至下限時(shí)，太陽能充電系統(tǒng)自動(dòng)開啟為電池組充電，通過這種方式保證系統(tǒng)可長期運(yùn)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(jī)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(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)接收到車輛到位感知模塊的信號(hào)后，控制數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)采集路基形變傳感器的信號(hào)。路基形變傳感器信號(hào)首先經(jīng)差分放大等處理后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的同時(shí)將數(shù)據(jù)快速保存至靜態(tài)RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)芯片內(nèi)，待車輛駛過后，再將存儲(chǔ)至靜態(tài)RAM的信號(hào)及采樣時(shí)間存至大容量Flash存儲(chǔ)器內(nèi)。最后通過上位機(jī)軟件提取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，從中提取有用信息反映道路應(yīng)變信息，并將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 車輛到位感知模塊的設(shè)計(jì)

車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號(hào)處理電路、單片機(jī)及通訊電路等4部分。總體功能見圖2，激光測距傳感器固定在路邊，當(dāng)車輛到達(dá)傳感器安裝位置時(shí)觸發(fā)傳感器信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)電路整形處理后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)該信號(hào)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(chǔ)單元，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)。

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(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)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(yīng)變傳感器，傳感器外形見圖3。該傳感器受到外力作用時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料產(chǎn)生機(jī)械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，由于道路應(yīng)變小導(dǎo)致應(yīng)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(zhuǎn)換成電壓變化向外輸出。

圖3 應(yīng)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(hào)首先送入LM258運(yùn)算放大器進(jìn)行差分放大，同時(shí)通過低通濾波電路對信號(hào)進(jìn)行處理；初步處理的信號(hào)送入AD526可調(diào)增益放大器中對放大倍數(shù)進(jìn)行二次調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)后的電壓信號(hào)送入MAX197模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中進(jìn)行處理，處理后的信號(hào)通過連接主機(jī)板的接口傳送到主機(jī)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(jī)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(shí)數(shù)據(jù)；采用CH376S文件管理芯片擴(kuò)展了大容量Flash存儲(chǔ)器接口電路；采用PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片記錄每次采樣的時(shí)刻；通過MAX705硬件看門狗芯片保證整個(gè)工作的可靠性；此外，采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)了串口通信功能，方便后續(xù)系統(tǒng)功能的擴(kuò)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(chǔ)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(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換精度等因素有關(guān)。系統(tǒng)采用的應(yīng)變傳感器的精度等級為0.5%，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換誤差理論上在0.5%以內(nèi)，整個(gè)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(yīng)該根據(jù)均方根求得。系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中受到外界干擾，其影響遠(yuǎn)超過系統(tǒng)本身的誤差，需通過上位機(jī)軟件的濾波算法消除干擾的影響，提高信號(hào)的信噪比。

2.3 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

本文所開發(fā)的上位機(jī)軟件程序從Flash存儲(chǔ)器中提取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提取過程中根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的通道號(hào)、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(chǔ)模塊得到各傳感器輸出的電壓信號(hào)，并通過傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)將測量的電壓值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的物理量，轉(zhuǎn)換系數(shù)通過對傳感器標(biāo)定得到，不同傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)存在差異，故程序設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換系數(shù)修改窗口，用于輸入各傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)。每次修改后，程序會(huì)自動(dòng)根據(jù)新的系數(shù)計(jì)算各通道信號(hào)對應(yīng)的物理量。程序設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波算法程序，可對各通道信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，減少干擾成分，提高信號(hào)的信噪比。軟件開發(fā)了各通道信號(hào)對比程序，可方便識(shí)別不同通道信號(hào)的特點(diǎn)。軟件能夠顯示圖像時(shí)域參數(shù)，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，窗口上方會(huì)同步顯示鼠標(biāo)焦點(diǎn)所在位置的橫、縱坐標(biāo)值，通過鼠標(biāo)框選可實(shí)現(xiàn)選定區(qū)域的放大顯示。程序具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)開展分析工作。程序還增加了參數(shù)設(shè)置界面，可通過串口訪問主機(jī)板的主控單片機(jī)，并下傳設(shè)定的參數(shù)，如果主機(jī)板收到設(shè)定的增益及時(shí)鐘參數(shù)，則回饋信息給上位機(jī)程序。軟件具備聯(lián)機(jī)測試功能，該功能需要通過串口將電腦與自動(dòng)采集系統(tǒng)的通訊端口相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，上位機(jī)軟件界面見圖6。

圖6 上位機(jī)軟件界面圖

3 功能驗(yàn)證

通過現(xiàn)場試驗(yàn)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)變傳感器安裝方式如圖7所示，為反映道路不同層面的應(yīng)變情況，在道路不同層面安裝應(yīng)變傳感器；為反映同一層面的道路應(yīng)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(yīng)變。為保證傳感器的測量精度，傳感器安裝時(shí)應(yīng)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(gè)傳感器時(shí)，傳感器安裝位置的溫度應(yīng)盡量接近，以減少溫度對傳感器輸出信號(hào)的影響。

圖7 傳感器布置示意圖

現(xiàn)場試驗(yàn)選用一輛4軸貨車(前2軸較輕，后2軸較重)進(jìn)行道路應(yīng)變測試，當(dāng)車輛經(jīng)過到位感知模塊時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)軟件從大容量Flash存儲(chǔ)器中導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)，并選取通道1數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖8所示的數(shù)字濾波處理。

圖8 信號(hào)濾波處理前后對比圖

由圖8可見，上位機(jī)軟件使用的濾波方式不僅可以去除信號(hào)內(nèi)噪聲，提高信噪比，還能夠有效保留信號(hào)的峰谷值。此外，在荷載引起波峰出現(xiàn)前都有一個(gè)小波谷，如圖中2，6，10，13點(diǎn)，這是因?yàn)楹奢d靠近傳感器時(shí)對道路有一個(gè)壓縮過程。從基準(zhǔn)線到第一個(gè)波谷(1點(diǎn)到2點(diǎn))是前軸輪載通過時(shí)產(chǎn)生的第一個(gè)壓應(yīng)變。從波谷到波峰之間的差值(2點(diǎn)到3點(diǎn))是前軸輪載產(chǎn)生的第一個(gè)拉應(yīng)變對應(yīng)的電壓增量。然后從波峰到第二個(gè)波谷(3點(diǎn)到4點(diǎn))是輪胎荷載離開傳感器時(shí)引起的應(yīng)變響應(yīng)。第4點(diǎn)到第5點(diǎn)則是輪胎荷載離開傳感器時(shí)引起的拉伸響應(yīng)。根據(jù)以上分析可知，每個(gè)軸產(chǎn)生的最大應(yīng)變響應(yīng)的電壓差就是該荷載引起的第一個(gè)波谷和第一個(gè)波峰之間(2個(gè)連續(xù)變形點(diǎn))的電壓差值。故第2、3、4軸產(chǎn)生最大拉應(yīng)變的電壓差分別對應(yīng)6點(diǎn)和7點(diǎn)、10點(diǎn)和11點(diǎn)、13點(diǎn)和14點(diǎn)之間的電壓差。由上述變形點(diǎn)的選擇原則，計(jì)算出代表響應(yīng)指標(biāo)的2個(gè)連續(xù)變形點(diǎn)的電壓差值后，乘以各通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)即得到應(yīng)變值。

4 結(jié)語

1) 本文開發(fā)的道路層面響應(yīng)參數(shù)采集系統(tǒng)具備無人值守功能，可實(shí)現(xiàn)路基應(yīng)變參數(shù)的自動(dòng)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(chǔ)模塊及上位機(jī)分析軟件4個(gè)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(chǔ)模塊供電，當(dāng)電池電量不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)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(chǔ)系統(tǒng)能在接收到車輛到位信號(hào)后進(jìn)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(shí)，再存入大容量Flash存儲(chǔ)器內(nèi)。上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波處理，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理量，方便后續(xù)應(yīng)變信息的提取。

4) 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，上位機(jī)軟件可以提取大容量Flash存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波后的信號(hào)信噪比有提高。

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