橋梁預應力管道注漿質(zhì)量無線智能檢測系統(tǒng)設計

李 婷，龍士國，徐 涵，林國漢，孫 健，胡佳鑫

（1.湖南工程學院 電氣與信息工程學院，湘潭 411104；2.湘潭大學 土木工程與力學學院，湘潭 411105）

0 引言

橋梁在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著重要作用.預應力橋梁具有抗裂能力強、強度高、抗剪能力強和抗疲勞性能好等特點，在橋梁建設中應用廣泛［1］.在預應力管道注漿的過程中，由于注漿材料不合格、工人操作不當、注漿過程隱蔽，管道內(nèi)常常出現(xiàn)空洞或積水現(xiàn)象，這將導致鋼絞線銹蝕，預應力提前失效，給橋梁留下極大的安全隱患［2］.聲波檢測法是一種常用且有效的無損檢測方法［3］，其中，基于聲波透射法是一種快速評價管道整體注漿質(zhì)量的定性方法，根據(jù)聲波在管道內(nèi)傳播的聲時、聲速、波幅以及波形的衰減狀況等參數(shù)來判斷注漿的整體狀況.研究表明，預應力管道內(nèi)的錨固體固結(jié)波速介于鋼絞線與錨固灌漿劑的波速之間，當固結(jié)波速越靠近鋼絞線波速時說明固結(jié)質(zhì)量越不好，反之，說明固結(jié)質(zhì)量越好［1-3］.

聲波檢測儀是實現(xiàn)橋梁質(zhì)量檢測的關鍵.傳統(tǒng)的聲波檢測儀由主機、發(fā)射端和接收端組成，其中，發(fā)射端和接收端分別連接在主機的兩個端口.當被測管道跨徑較大時，只能通過延長發(fā)射端或接收端的線纜長度來進行檢測.由于線纜的纏繞，加之復雜的現(xiàn)場檢測環(huán)境，使傳統(tǒng)儀器有了極大的局限性，不僅耗費人力，也使得檢測效率低.

無線傳輸技術(shù)是一項發(fā)展迅速、應用廣泛的技術(shù)，尤其在大型土木工程結(jié)構(gòu)的檢測與監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用［4］.本文為解決儀器檢測效率低的問題，基于無線傳輸技術(shù)，開發(fā)了一套便攜、高效的聲波檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了聲波信號發(fā)射端與接收端在空間上的分離，系統(tǒng)響應速度快，同步性高，在預應力管道注漿質(zhì)量檢測中既實用又高效.

1 總體方案設計

本文在聲波檢測和無線傳輸技術(shù)的基礎上，將系統(tǒng)分為兩部分：發(fā)射端和采集端，如圖1所示.發(fā)射端主要由聲波發(fā)射電路、微控制器、無線模塊和電源模塊組成，采集端主要由信號采集電路、微控制器、無線模塊、電源模塊和帶有LabVIEW軟件的工控主機組成.微處理器選用的是ST公司的STM32F103芯片，該芯片是基于高性能的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核而設計，具有優(yōu)良的低功耗特性，其12位的AD采集頻率最高可達1 MHz，采用DMA通道將使數(shù)據(jù)傳輸更快，滿足聲波數(shù)據(jù)快速響應的要求.

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

無線傳輸芯片選用了由Nordic半導體公司出品的nRF24L01芯片，它工作在2.4-2.5 GHz的ISM頻段，空中最高傳輸速率2 Mbps，滿足儀器對實時性的要求.nRF24L01采用SPI接口與MCU間進行通信，6個引腳IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE分別對應微控制器STM32F103的PA0、PA6、PA7、PA5、PA4和PA1這6個IO口，實現(xiàn)工作模式配置和狀態(tài)控制.

信號采集電路是將微弱的、信噪比低的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、衰減、濾波、相加等處理，使幅值轉(zhuǎn)變到AD采樣的范圍.AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器的高速USB通道傳輸?shù)街鳈C，并實時顯示在人機交互界面.LabVIEW軟件實現(xiàn)控制信號的發(fā)送、波形數(shù)據(jù)的實時顯示、數(shù)據(jù)的保存與讀取、信號處理等功能.

2 同步采集設計

在聲波透射法中，準確的聲時測量是判斷注漿質(zhì)量的重要指標之一，因而，對于聲波的發(fā)射與接收不在一個硬件系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)，如何達到發(fā)射與接收的同步是設計的關鍵問題.

本文設計的同步采集方案是利用nRF24L01在增強型ShockBurstTM模式下的雙向鏈接協(xié)議.該協(xié)議為：發(fā)送方要求接收方在接收到數(shù)據(jù)后返回應答信號，以便發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失，若數(shù)據(jù)丟失，則重新發(fā)送數(shù)據(jù).

具體來說，如圖2所示，初始化程序中，分別使用采集端和發(fā)射端的ACK和IRQ功能.采集端作為發(fā)送方，向發(fā)射端發(fā)送同步采集命令，發(fā)射端經(jīng)過地址匹配、CRC檢驗正確后，會將IRQ線置低，同時會向發(fā)送方地址發(fā)送ACK確認信號，此時，發(fā)送方IRQ線也置低.雙方分別在IRQ中斷時臨時開啟發(fā)射激勵信號和AD采集功能.若某次接收到的數(shù)據(jù)不正確，雙方的IRQ線均不會置低，因而不會觸發(fā)產(chǎn)生激勵信號和AD采集.該方法將采集端和發(fā)射端的同步誤差降為固定的ACK信號的空中傳輸時間，再通過軟件進行一定的補償，使得誤差保持在微秒級.

圖2 同步采集流程圖

3 應用程序設計

交互界面是整個系統(tǒng)的控制中心，本系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW編程軟件進行設計，這是一款強大的集采集、控制、數(shù)據(jù)顯示與分析于一體的軟件.本文程序巧妙地利用while循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)、狀態(tài)機等結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，使應用程序具有儀器連接、設置參數(shù)、單次采集、波形顯示、頻譜顯示、保存等功能.

軟件的狀態(tài)機流程圖如圖3所示，程序一開始進入初始狀態(tài)——等待觸發(fā)事件，即等待用戶進行操作，當用戶選擇參數(shù)設置事件，設置成功后程序自動回到等待觸發(fā)事件；同理，當用戶選擇單次采集事件，觸發(fā)采集完成后，程序?qū)S數(shù)據(jù)流入時、頻譜波形顯示，然后自動保存波形，最后仍然回到等待觸發(fā)事件；而用戶如果選擇的是采集保存事件，則采集完后會跳到保存，再回到初始狀態(tài).這種結(jié)構(gòu)使得程序思路清晰.圖4是軟件利用VISA搜索USB設備的程序框圖，VISA是LabVIEW編程的標準I/O API，所設計的USB為“USB測試和測量”類設備，其VID和PID分別為0x0547、0x1002，使用設備的第一個可用的USBTMC接口，編號為0，搜索成功后即可進行之后的操作.圖5為采集信號的程序框圖，根據(jù)一定的通信協(xié)議，將“命令符”通過“VISA Write.vi”寫入所搜索到的USB設備，再通過“VISA Read.vi”讀取采集到的數(shù)據(jù)，最后將字符串數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，顯示在波形圖中.

圖3 軟件狀態(tài)機流程圖

圖4 搜索USB程序框圖

圖5 采集信號程序框圖

4 實驗驗證

圖6為本文研制的系統(tǒng)實物圖，包括聲波發(fā)射裝置和聲波接收裝置，并經(jīng)過了多次實驗，驗證了系統(tǒng)的實用性和可靠性.

圖6 系統(tǒng)實物圖

本文實驗共分為三組，分別驗證儀器的采集性能、傳輸距離以及對預應力管道全長波速法的檢測效果.

4.1 采集性能測試

將無線儀器的接收端連接于信號發(fā)生器，分別采集幅值為20 mV、頻率為10 kHz及50 kHz的正弦信號，硬件初始放大100倍，之后衰減2倍.采集的信號及頻譜如圖7、圖8所示.由圖可看出，僅通過硬件濾波，采集的10 kHz及50 kHz正弦信號信噪比高，所得頻率準確，符合聲波采集的需求.

圖7 頻率為10 kHz的正弦信號

圖8 頻率為50 kHz的正弦信號

4.2 距離測試

為檢驗系統(tǒng)的無線傳輸性能，本文將無線系統(tǒng)置于不同的測試條件及距離下進行實驗，測試地點為馬路，無線天線為全向天線且均垂直于地面放置.實驗中根據(jù)發(fā)射端聲波發(fā)射裝置的聲響及接收端返回的信息可以判斷無線裝置是否通信正常.測試根據(jù)測試條件分為四組，分別是：增益為2.5 dbi的天線且裝置放于地面，增益2.5 dbi且天線遠離地面1 m，增益為3 dbi的天線且裝置放于地面以及增益3 dbi且天線遠離地面1 m，測試結(jié)果如表1所示.

表1 測試結(jié)果

實驗結(jié)果表明，增益越高的天線傳輸?shù)迷竭h，且無線裝置遠離地面一定距離的情況下，信號質(zhì)量更好.

4.3 全長波速法測試

為驗證系統(tǒng)在預應力管道注漿質(zhì)量檢測中的應用效果，使用湖南省交通科學院的一個管道模型進行了實驗研究［5］.模型的預應力管道長20 m，注漿情況良好.實驗中使用全長波速法進行檢測，將發(fā)射裝置的發(fā)射傳感器置于預應力管道的一端，接收裝置的聲波探頭置于管道另一端，通過主機的人機交互界面進行采集控制.

圖9為對管道連續(xù)采集五次的波形數(shù)據(jù)，由圖可見，波形重復性好.管道注漿情況良好的波形圖，首波聲時約在5 ms處，計算所得波速為4000 m/s，波形的振幅較低，符合理論上鋼筋與水泥漿的固結(jié)良好時的波速范圍.

圖9 時域波形圖

將本文模型的結(jié)果與文獻6所述的有線聲波儀的實驗進行對比可知，本文所介紹的無線智能檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線聲波儀在預應力管道注漿質(zhì)量檢測中具有相同的性能，但無線智能檢測系統(tǒng)在檢測過程中不必像有線儀器一樣使用長的線纜連接，體現(xiàn)出極大的便攜性、實用性和高效性.

5 結(jié)論

本文為解決橋梁預應力管道注漿檢測儀檢測效率低的問題，從聲波檢測方法出發(fā)，基于無線傳輸技術(shù)，開發(fā)了一套便攜、高效的無線聲波檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了信號發(fā)射端與接收端在空間上的分離.實驗顯示，該套系統(tǒng)軟件操作方便、采集信號準確、傳播距離遠、響應速度快、同步性高，在預應力管道注漿質(zhì)量檢測中顯示出實用性強和檢測效率高的優(yōu)勢.