多路振弦式傳感器橋梁檢測系統設計*

莫 琳， 何華光， 陳 妮, 謝開仲

(1.廣西大學 計算機與電子信息學院,廣西 南寧 530004；2.廣西醫科大學 基礎醫學院,廣西 南寧 530021； 3.廣西大學 土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004)

設計與制造

多路振弦式傳感器橋梁檢測系統設計*

莫 琳1， 何華光1， 陳 妮2, 謝開仲3

(1.廣西大學 計算機與電子信息學院,廣西 南寧 530004；2.廣西醫科大學 基礎醫學院,廣西 南寧 530021； 3.廣西大學 土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004)

為了滿足橋梁安全監測中振弦式傳感器數據采集需求,設計了多路頻率數據采集的測量系統。針對振弦式傳感器輸出信號微弱、容易受到干擾而造成的測量精度下降問題，設計了高效抑制干擾的硬件電路，軟件以STM32處理器為核心，提出適合測量頻率方案。測量系統能夠在24 s內完成8個通道的振弦式傳感器的測量，測量準確率高達99.9 %。實驗結果表明:該系統具有工作穩定性較高、硬件電路簡單、抗干擾能力強等優點。

振弦式傳感器； 數據采集； 頻率測量

0 引 言

我國橋梁建設在高速發展，橋梁健康安全監測已越來越重要。橋梁在使用過程中，內部結構受到的壓力作用引起頻率振動千變萬化，同時也會造成各種不同程度的結構損傷，為確保掌握橋梁的信息狀態，不但依靠計算分析了解受力狀況，還要對橋梁的斷面實際情況進行檢測，因此,橋梁的應變力測試是一項重要工作[1]。

振弦式傳感器是一種頻率性傳感器，依其穩定性、耐久性強的特點廣泛地應用在橋梁安全監測領域中。根據振弦式傳感器振弦的振動頻率的變化，轉換成相應的應力變化，通過檢測應力數據，獲取橋梁結構層發生的變形信息，為橋梁的結構安全，提供有效的科學依據[2]。針對振弦式傳感器輸出信號頻率微弱、易受干擾的特點，本文給出了高效抑制干擾的硬件措施，提出了以STM32為核心，采用簡單電路實現多路頻率測量方案。

1 硬件系統設計

圖1為硬件系統結構圖。本系統主要由激振電路、多路開關電路、放大電路、濾波電路、整形電路、STM32處理器、時鐘模塊構成。激振電路通過激勵振弦式傳感器使其輸出固有頻率信號，經過多路開關實現對通道的選擇后，信號在放大電路中被放大，在濾波電路中濾除掉噪聲，在經過整形電路后利用STM32處理器進行頻率的測量。

圖1 硬件系統結構圖Fig 1 Structure diagram of hardware system

1.1 激振電路

振弦式傳感器通過一根張緊的金屬絲，采用間接激發法，在電激勵下，產生固有頻率振動，經過測量固有頻率，可測量出振弦張力的大小[3]。以單路激振電路為例，其原理圖如圖2所示。TR_IN0由ARM控制，TRI0_N和TRI0_P接入第1路傳感器，當TR_IN0為高電平時，BG1,BG5,BG9同時導通，給應變計以高壓脈沖激勵信號，當TR_IN0為低電平時，BG1,BG5,BG9同時截止，激勵脈沖消失，經過短暫的時間后，振弦式傳感器輸出固有頻率信號[4]。

圖2 激振電路Fig 2 Excitation circuit

1.2 多路開關

為了有效地抑制共模信號，提高信噪比，放大電路部分采用差分方式，電路采用2片CD4051實現信號多路復用，同時為放大電路提供差分輸入方式。多路信號開關電路如圖3所示。CD4051的A,B,C端是芯片通道選通控制端，兩片由ARM統一控制，并同時選通相同的通道。由于在激勵期間，激勵電壓過大，為保護CD4051在其輸入端增加了限流電阻器和保護二極管，可有效地防止過高的輸入電壓損壞CD4051。

圖3 多路信號開關電路Fig 3 Multipath signal switch circuit

1.3 放大電路

由于振弦式傳感器產生的信號很微弱，其值多為幾百微幅級，因此,放大電路必需要提供足夠大的放大倍數，以使信號電壓能達到后級所需要的電壓，同時能抑制干擾信號高次諧波、低頻駐波及噪聲、電源紋波等的影響，電路為了獲得高增益，高抗干擾能力，有效地抑制共模信號，放大電路采用兩級放大，第一級采用儀表放大器AD620，實現G1為1 000倍的放大；第二級采用NE5532,實現G2為8倍的放大，電路的總放大倍數約為G1·G2=8 000。

1.4 濾波與整形電路

系統設計帶通濾波器，以便消除帶外干擾，提高頻率穩定性。為設計和調試方便，系統設計5 kΩ的低通濾波器和200 Hz的高通濾波器，由它們構成帶通濾波器。

由于振弦式傳感器輸出的頻率為幅度不斷衰減的正弦波[5]，因此，需要轉換為方波才能為處理器所識別。整形電路如圖4所示。

圖4 整形電路Fig 4 Shaping circuit

R77主要用于進一步濾掉來自電源的干擾，提高電路的穩定性。由于其值過小，可以認為電源電壓在其上幾乎沒有壓降。因此，在沒有信號輸入時，LM393的反向和正向輸入端的靜態電位分別為

同向輸入端比反向輸入端高出約ΔV=V+-V-≈0.052 V=52 mV，之所以設置同向端電壓比反相端電壓高，是為了靜態時前級耦合過來的電路噪聲不足以引起LM393有電平變化輸出。靜態時，由于V+>V-，LM393輸出高電平(3.3 V)；當有信號輸入時，信號經過電容器、1 kΩ的電阻器后形成Vi耦合到LM339的反向端，當且僅當Vi>52 mV時，才有V-+Vi>V+，引起輸出電平的變化，這樣，就可以將正弦波轉換為方波。

1.5 時鐘模塊

時鐘電路用DALLAS公司的時鐘芯片DS1302，其性能高、功耗低，實時記錄頻率采集時間。靜態ARM有31字節，由SPI接口與CPU同步進行通信，采用突發方式，一次傳送ARM數據和多個字節的時鐘信號。實時時鐘具體到時分秒和年月日。時鐘模塊電路主要作用是提供記錄每個振弦式傳感器所受到壓力時輸出的頻率值。

2 系統測頻設計

2.1 測頻方法的分析

微控制器采用ARM Cortex—M3，其內核STM32F103C8T6最高有72 MHz工作頻率， 振弦式傳感器輸出的頻率在400～4 500 Hz的范圍內，系統時鐘頻率遠大于振弦式傳感器輸出的頻率，因此，采用測周法。雖然測周期法存在觸發誤差，并且是測輸出頻率波形的某一瞬時周期值，瞬時頻率不穩定，但是采用多次測量，剔除粗大誤差頻率，再求平均值求得頻率，對多通道測量而言，能得到比較穩定的精度較高的頻率。

2.2 系統測頻過程

本系統測頻流程圖如圖5。

圖5 測頻流程圖Fig 5 Flow chart of frequency measurement

系統激勵模塊首先使用24 V電壓對振弦式傳感器進行400 ms的高壓激勵，然后等待300 ms讓傳感器穩定輸出信號后再進行測量。系統數據處理，首先對采集到多個頻率數據進行從小到大地排序，根據一定的相似性將數組被分割為多個區域，根據每個區域含有多少個元素，求出最大區域的平均值。該平均值就作為振弦式傳感器的輸出頻率。

3 實驗結果

加入振弦式傳感器對橋梁檢測系統進行調試，激振電路對振弦式傳感器進行激勵，輸出信號十分微弱，將信號放大1000倍左右之后，用示波器測量。由于振弦式傳感器的振弦做阻尼振動，所以,振弦式傳感器的輸出信號的頻率幅度會由大變小并逐漸為0，因此,測量到信號幅度會有大變小的動態過程[6]。觀察經過帶通濾波器之后，其頻率信號的波形有所改善。最后將信號傳給整形電路，將其轉換為方波，再將方波傳輸給ARM測量出頻率。

振弦式傳感器在激勵后輸出的信號非常微弱，并伴隨大量的噪聲，輸出信號經AD620放大之后的波形在如圖6所示。圖6(a)是AD620放大的波形，圖6(b)是經過8階低通濾波和8階高通濾波的波形。對比2組信號的波形可以看到，經過放大的信號峰峰值可以達到1.31 V，信號經過濾波后能夠有效地抑制高頻和低頻噪聲，獲得1.07 V峰峰值的正弦波。

圖6 傳感器信號經放大和濾波后的波形Fig 6 Sensor signal waveform after amplifying and filtering

圖6得到的波形還必須經過整形電路變成方波才能被ARM測量，整形電路的輸入和輸出波形如圖7所示。

圖7 整形電路的輸入和輸出波形Fig 7 Input and output waveform of shaping circuit

整形電路將正弦波轉換為頻率相同的方波，從圖7可以看出：系統設計的整形電路能夠將濾波后的正弦波正確地轉換為同頻率的方波，滿足頻率測量的要求。由于振弦傳感器是阻尼振蕩，信號存在的時間非常短，上面的信號是傳感器被激振后信號較強的時候捕獲的波形。ARM處理器必須在很短的時間內準確地測量出該信號的頻率。

為了測試系統的性能，在溫度28 ℃，模擬通道同時輸入8路不同頻率的正弦波信號， 24 s內完成8個通道的振弦式傳感器的測量。在模擬振弦式傳感的輸出信號中，由于傳感器的輸出非常微弱，故設定信號幅度為1 mV。系統測試結果如表1所示。

從表1的實驗數據可以看出：系統能較準確地測量到微弱信號的頻率，測量準確率高達99.9 %。

表1 系統測試結果Tab 1 System test results

4 結 論

本系統以最大化降低干擾、實現較為精確測頻為目標，提出了基于STM32實現對多路振弦傳感器的頻率測量的設計方法，測量準確率高達99.9 %。在橋梁檢測時，埋入大量的振弦式傳感器，通過設計的硬件電路，測量各個振弦式傳感器的輸出頻率。將輸出頻率轉換為所受壓力，經過對這些數據分析，就可以知道橋梁整體的受力情況，從而為橋梁檢測維護提供科學的數據。實驗表明：該系統具有干擾小、測頻精度較高、系統應變快等特點，為基于振弦式傳感器測量儀器的應用提供了理論基礎。

[1] 楊興明，何清平，張培仁.遠程振弦式傳感器測量模塊刺痛設計[J].傳感器與微系統,2011，30(1):94-96.

[2] 李紅杰，苗順占，付華明.基于振弦式傳感器的橋梁檢測系統設計[J].傳感器與微系統，2011，30(6):93-95.

[3] 賀 虎,王萬順,田冬成,等.振弦式傳感器激振策略優化[J].傳感技術學報,2010,23(1):74-77.

[4] 莫 琳，何華光，謝開仲.基于振弦式傳感器的橋梁實時監測系統設計[J].廣西大學學報:自然科學版,2012，37(6):1248-1253.

[5] 溫宗周，夏自幫，李富寧.振弦式傳感器測頻技術的研究[J].西安工程大學學報，2012，26(1)：72-76.

[6] 鄧鐵六，于 鳳，鄧 偉,等.大量程自激振弦式傳感器及相關技術[J].傳感器技術,2001，20(9)：41-43.

Design of bridge-detection system using multi-channel vibrating wire sensor*

MO Lin1, HE Hua-guang1, CHEN Ni2, XIE Kai-zhong3

(1.College of Computer and Electronics and Information,Guangxi University,Nanning 530004,China;2.School of Preclinical Medicine,Guangxi Medical University,Nanning 530021,China; 3.College of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

For the desire of data acquisition of vibrating wire sensors in security detection of bridge,design a measurement system of multi-channel frequency data acquisition.Aiming at problem of weak output signal of vibrating wire sensors and easy to be interfered which result in precision decrease,hardware circuit which efficiently suppress interference is designed and software uses STM32 processor as the core,frequency measuring scheme is put forward.The measurement system can perform the measurement of vibrating wire sensors of 8 channels in 24 s,the measurement accuracy rate is as high as 99.9 %.The experimental results show that the system has advantages of high working stability,simple hardware circuit,strong anti-interference capability.

vibrating wire sensor; data acquisition; frequency measurement

2013—09—25

國家自然科學基金資助項目(51068001)

TP 212

A

1000—9787(2014)04—0068—04

莫 琳(1969-)，女，廣西玉林人，實驗師,研究方向為電子技術實驗教學與科研工作。