多通道振弦傳感器同步測量系統*

呂 燚，李文生，鄧春健

(電子科技大學中山學院，廣東中山528402)

結構健康監測(SHM)是指用無損測量傳感技術，采集結構的物理參數，分析結構相應的內在系統特征，從而監測結構損傷或性能退化。SHM是目前基礎設施行業中，尤其是大型基建項目中非常重要的部分。橋梁健康監測是目前SHM行業最為活躍的領域，通過SHM可全面獲取橋梁運營狀況信息，評估結構的安全性、耐久性;還可對設計假定和設計載荷進行驗證，為完善設計規范提供依據;并為橋梁養護、維修和管理的決策提供依據[1－2]。

振弦傳感器基于鋼弦自振頻率隨張力變化而變化的原理工作，適用于應力測量場合，其輸出為頻率信號，抗干擾能力強、對電纜要求低，遠距離傳輸，能夠很好地滿足橋梁健康監測系統工作環境惡劣，安裝難度大、對可靠性要求高的應用需求，是目前橋梁健康監測中應用非常廣泛的應力測量傳感器[3－4]。

為了測量橋梁等大型建筑結構的整體動態響應，更加科學客觀的反映橋梁結構健康狀況，要求多個傳感器進行同步數據采集，對于振弦式傳感器則需要多通道同步激勵，并行測量。而目前的振弦傳感器測量設備同一時刻只能采集一個通道，在進行多通道測量時往往都采用的分時采集的方法，所測數據并不能如實地反映橋梁的內在特征，無法滿足實際應用需求。本文提出了一種多通道同步激勵，同步測量的設計方案，實際應用證明，該方案設計合理，滿足多通道同步動態測量的實際應用需求，計時精度 0．025 μs，測量精度高。

1 振弦傳感器工作原理

振弦傳感器由一根兩端固定、均質的鋼弦組成，常用彈性彈簧鋼、馬氏不銹鋼或鎢鋼制成[5]。假設鋼弦長度為L，在感知外界作用力F的時候，鋼弦會產生ΔL的拉伸變形，在彈性范圍內，同時考慮溫度T的影響，其中 ΔT=T－T，α 為0線膨脹系數，T0、α、K 均為已知的恒常數[6]。鋼弦的機械振動固有頻率 f可以按如下公式獲得:，其中E是鋼弦的彈性模量，ρv是鋼弦的密度，λ是鋼弦材料的泊松系數，這些均為常數。將上述兩個公式整理，消除便得到F是f和T的確定函數，因而振弦傳感器測量系統主要通過測量傳感器的振蕩頻率f和溫度T 來實現應力 F 的測量[7－8]。

2 系統結構概述

系統總體結構示意圖如圖1所示，包括嵌入式處理器、信號調理與整形電路、掃頻驅動、通信模塊、實時時鐘以及數據存儲等模塊。處理器采用了STM32F103VBT6，片 內 集 成 128 K Flash，20 K SRAM，4個具有輸入捕獲和輸出比較通道的多功能定時器，DMA以及多種通訊接口。

圖1 系統總體結構示意圖

信號調理電路實現了對振弦信號的濾波、放大以及整形，將振弦信號變換為脈沖信號，并采用STM32處理器的輸入捕獲和DMA功能實現了多通道振弦信號的高精度同步測量。傳感器激勵采用掃頻激勵方式，利用定時器的比較匹配功能實現掃頻信號輸出。測量系統與遠程主機通信設計了485通信和GPRS無線通信兩種方式，可以根據實際應用需求選擇無線或有線通訊方式。實時時鐘采用IIC接口的DS3231，內部集成帶溫度補償功能的晶體振蕩器，－40 ℃至+80 ℃范圍內，精度達到±3．5×10－6。數據存儲采用 SPI接口的 DataFalsh芯片AT45DB081，用于存儲各個通道的測量結果，防止測量結果上報過程中通訊錯誤或是主機故障而導致測量數據丟失。在485通訊口和傳感器接口處設計了由TVS、PTC自恢復保險絲和防雷管構成的雷擊浪涌保護電路，增加系統的可靠性。

3 系統硬件設計

本系統硬件部分包括:掃頻激勵電路、信號調理模塊、多通道溫度測量電路、實時時鐘、485通訊電路以及MCU最小系統等部分。

3．1 激勵模塊硬件電路

傳感器激勵驅動電路如圖2所示，VW_PULSE為處理器的掃頻信號輸出，VW_CH1與振弦傳感器相連，采用12V方波激勵方式，VW_IN1用于振弦信號的拾取。由氣體放電管F1、PTC和雙向TVS構成了傳感器接口的雷擊浪涌防護電路，防雷管功率容量大，動作速度慢，實現第1級防護，TVS功率容量較小，但動作速度快，作為第2級防護，兩級防護電路可以有效保護后級電路免受浪涌電壓及靜電的威脅。

圖2 掃頻激勵驅動電路

3．2 信號調理電路設計

信號調理電路包括兩個功能:濾波放大和信號整形。濾波放大功能由JFET運放TL082構成的4階Butterworth帶通濾波電路實現，通頻帶為200 Hz～6 000 Hz，用于濾除振弦信號的之外的高頻干擾噪聲和直流偏置;振弦信號振幅約為1 mV～3 mV，該電路帶內增益為1 000，從而保證輸出信號有足夠的振幅，兩級濾波電路，第1級的帶內增益為10，第2級的帶內增益為100，采用Sallen Key電路實現，電路結構及參數如圖3所示。由過零比較電路和施密特觸發器構成的波形整形電路將正弦信號變換為脈沖信號VW_1，此信號連接到嵌入式處理器的脈沖捕獲輸入模塊，完成信號頻率的測量。

圖3 振弦信號調理及整形電路

3．3 溫度測量電路設計

本系統采用的振弦傳感器內部集成了基康YSI－44005半導體溫度傳感器，測溫范圍為－30℃ ～+80℃，電阻值變化范圍為300 Ω～30 kΩ，溫度與其阻值存在如下關系，其中 A=1．4051×10－3，B=2．369×10－4，C=1．019×10－7。

電路示意圖如圖4所示，基準電阻選取了精度高、溫度穩定性好的金屬箔電阻。一方面用于出廠測試中的恒流源電路標定，另作為測溫過程中的參考電阻。溫度變化較為緩慢，因而本系統溫度測量采用輪替測量方式，依靠多路選擇開關來切換。

圖4 多通道溫度測量示意圖

由于被測阻值范圍很寬，為了提高測量精度，測溫電路采用了兩檔恒流源，同時為了盡可能減小測試電流引起的傳感器發熱，電流值選擇了0．5 mA和0．1 mA兩檔，并盡量縮短傳感器通電時間。采用STM32片內的12 bit ADC進行電壓采集，采樣率配置為1 MSPS，收到測試命令后，首先采用0．1 mA的恒流源，如果被測電阻兩端電壓低于1．5 V則切換0．5 mA的恒流源，然后最終參照基準電阻兩端的電壓確定被測電阻值，并依次完成8個通道的電阻測量，最后計算各個振弦傳感器的溫度。

4 系統軟件設計

系統軟件工作流程如圖5所示，當收到遠程主機的命令后首先測量各個傳感器的溫度，隨后進行多通道同步掃頻激勵，讀取RTC，記錄測量時間，然后完成8通道傳感器振蕩頻率的同步測量，最后向主機上報各通道的溫度和振蕩頻率的測量結果。為了防止通訊出錯或是上位機故障，測量結果還需要保存在本機的DataFlash中，如果主機未收到測量結果，可以要求重發測量結果。

圖5 系統軟件工作流程圖

4．1 掃頻激勵策略設計與優化

在本系統中傳感器激勵采用了低壓掃頻激勵方式，對傳感器施加頻率逐漸變大的掃頻脈沖串信號，當激振信號的頻率和鋼弦的固有頻率相近時，鋼弦能快速達到共振狀態，共振狀態下振幅最大，能產生較大的感應電動勢，傳感器輸出的頻率信號信噪比較高，便于測量。對于多通道振弦傳感器同步測量系統中，要求多通道同步激勵，且由于各個傳感器的頻率范圍不同，這就要求掃頻范圍是從所有傳感器可能出現的最低頻率Fmin到所有傳感器可能出現的最大頻率Fmax，通常情況下是400 Hz到5 000 Hz，而且每個頻率都要持續一段時間，造成了掃頻時間過長，影響到系統動態測量的速度，同時某些傳感器如果掃頻時間太長，則激勵效果較差，波形畸變嚴重，測量誤差較大，甚至會導致測量結果完全錯誤[9－10]。

針對多通道傳感器同步激勵掃頻時間長，測量誤差大的弊端，本文提出了多通道同步獨立掃頻的方案:硬件上各個通道擁有獨立的掃頻驅動電路，軟件上采用STM32處理器中定時器TIM1和TIM8的8個比較匹配輸出通道，在各個通道的比較匹配中斷中修改其比較匹配寄存器的值，從而實現各個通道的掃頻激勵同時進行，但是掃頻范圍相互獨立。

掃頻策略方面則以上次測量結果f0為基準來確定下一次的掃頻范圍。實現方法:首先執行全頻段掃頻測量，各通道傳感器的初次測量結果記做fi'，然后以fi'作為該通道下一次掃頻的中心頻率，上下浮動800 Hz，再次激勵并得到各通道的最終測量結果fi。測量結果的有效性通過兩個方面來判斷:首先，fi是否超出傳感器的頻率范圍;其次，一次測量過程中記錄信號的每一個周期(T1、T2……Tn)，計算這一系列周期所對應頻率值的方差D，Dmax為根據傳感器樣本的采樣而確定的傳感器良好共振狀態下方差的上限，應該滿足D＜Dmax。上述兩個條件必須同時滿足，否則認為激勵失敗，需要重新進行全頻段掃頻[11]。

經過如上優化，一方面大大改善了激勵效果，提高了測量精度，而且將掃頻時間從原來的200 ms縮短到50 ms，有效提高了動態測量的速度。

4．2 振弦信號測量方法設計與實現

振弦傳感器信號為逐漸衰減的正弦信號，經過調理變換后變為方波信號[12]，本設計中，信號頻率測量未采用在外部中斷中對脈沖計數的方式，而是聯合使用STM32定時器的輸入捕獲功能和DMA實現了對脈沖次數的自動記錄和測量時間的精確采集。測量示意圖如圖6所示，計數時間為100 ms左右，開始頻率測量后開啟輸入捕獲中斷，在第1次輸入捕獲中斷中，開啟100 ms定時，初始化DMA功能，DMA次數計數器初值設置為0xFFFF，最后關閉輸入捕獲中斷。此后每次發生輸入捕獲，不產生中斷，但會觸發DMA數據傳輸，且DMA次數計數器減一，利用DMA的數據自動傳輸功能記錄systick值，利用DMA次數計數器實現對脈沖的計數。當100 ms定時時間結束后，再次開啟輸入捕獲中斷，在隨后的中斷服務程序中讀取DMA傳輸計數器的值記做counter，并記錄第1次的DMA的systick值記作Time1，最后一次DMA的systick值記作Time2，則被測信號的頻率為，其中Tsystick為 systick計數器的時鐘周期，本系統systick時鐘為系統時鐘72M，其周期為 1/72 μs。DMA記錄的各個上升沿的systick值則用于計算一次測量過程中各信號周期的統計特征，用于最終測量結果的有效性判定。

圖6 振弦信號測量方法示意圖

5 測試結果與總結

系統測試中，4個振弦傳感器分別固定在4個梁式結構上，接入4個測量通道中。測試分2次進行，第1次不施加應力，第2次采用電子拉力機對梁式結構施加100kN的徑向載荷，采用本系統Vwmeter和美國基康GK－403振弦讀數做對比測試。首先本系統可以同時完成多通道的測量，從而同步測量多個結構的應力狀態;其次本系統實現了在200 ms內完成多通道同步測量，測量速度快。而GK－403則是多通道輪替測量方式，不能同步測量，且每通道的測量時間需要800 ms，速度較慢。最后的測量結果如表1所示，測量結果與GK－403的測量結果基本相同，本系統測量結果精確到小數點后兩位有效數字，理論計時精度為1/72 μs，采用安捷倫33 250 A信號發生器進行標定，實際計時精度達0．025 μs，遠優于 GK－403 的 0．1 μs的指標。

表1 測量結果對比

本文提出一種多通道振弦傳感器同步測量設計及實現方法，完成了多通道傳感器的同步掃頻激勵，通過掃頻激勵策略優化，縮短了激勵時間，改善了激勵效果;巧妙利用定時器輸入捕獲自動觸發DMA自動數據傳輸的功能，實現了脈沖自動計數和高精度時間測量。實際測試證明，本系統測量速度快，精度高，并且可以完成多個通道的同步激勵，同步測量，非常適合橋梁健康監測中的多點動態同步測量場合，具有較高的應用價值。

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