基于振弦傳感器的應變無線測量系統設計

鄧 霏，顏運強，張 誼

(中國工程物理研究院 計算機應用研究所，四川 綿陽621900)

0 引 言

振弦式傳感器輸出的信號是頻率，具有抗干擾性好、結構簡單可靠、準確度高、重復性好、長期穩定性好等特點［1］。振弦式傳感器的這些優點非常適合在大壩、橋梁等工作環境惡劣而且技術要求又高的工程技術領域，以監測巖土所受的應力和形變。應變測量作為土木工程結構健康檢測的重要組成部分，無論是在工程建設期，還是在工程使用期都需要對工程進行長期監測［2］。現有的檢測技術大多為采用有導線、現場供電和值守的測量手段［3］。隨著土木工程結構建設的規模越來越大，建設和使用周期越來越長，傳統的測量方式的弊端越來越明顯:布設的傳感器越來越多，有線電纜用量劇增，布置和撤離有線電纜工作量大;由于工程的巨大，很多地方人員很難觸及。

本文設計的無線測量系統取消了冗長的導線，大大地提高了系統的適應性;采用太陽能供電，不需要現場取點或者頻繁的更換蓄電池;采用通用分組無線業務(GPRS)實現系統的遠程控制和監測，無需現場值守。因此，本系統的研發，使得對土木工程結構的遠程監測和全天候無人值守監測成為可能，這必將給大型結構的施工控制和已建成土木工程結構的檢測帶來新的生命力。

1 系統整體設計

振弦式應變無線測量系統主要應用于土木工程(如鐵路、橋梁等)的應變測量，當周圍環境溫度發生變化時，振弦長度因為熱脹冷縮發生變化，從而傳感器的輸出發生變化，因此，需用溫度對信號進行修正［4，5］;本系統共有16 個應變和溫度測量通道，可以同時對16 個測點的應變和溫度數據進行采集。該系統是集成GPRS 無線網絡、太陽供電系統和大容量NANDflash 數據存儲為一體動態應變測量系統，系統提供了振弦式應變測量所需的全部功能:高精度橋路激勵源、信號放大、濾波、數據存儲等，并且所有參數均可通過軟件進行無線設置，實現了遠程控制和自動測量。圖1 是系統整體設計示意圖。

圖1 系統整體設計Fig 1 Overall design of system

2 系統硬件設計

系統主要由數據測量終端和遠程監控終端構成。數據測量終端主要負責數據的采集和存儲及發送，其主要由傳感器激振驅動電路、拾振電路，GPRS 通信模塊電路、NAND flash 存儲模塊、太陽能充電控制電路、MCU 電路等組成。遠程監控終端主要由GPRS 通信模塊組成，相當于一個主控制點，它通過地址來識別各個數據測量終端，給各個測量終端發送控制命令并從測量終端回收數據以實現對所有數據測量終端的管理和控制。系統硬件電路結構圖如圖2。

圖2 硬件電路結構圖Fig 2 Structure diagram of hardware circuit

2.1 傳感器激振驅動電路

因為電磁線圈電阻很小，流過線圈的電流能達到200～400 mA，STM32 的I/O 口不能承受，所以，選擇P-MOS(AO3401)來驅動，其電路圖如圖3 所示。圖3 中，JZ-Contro0是單片機的一個GPIO 口，這個GPIO 口控制MOS 管DS 的截止和導通，導通時，MOS 管D 端輸出一個高電平，截止時，MOS 管D 端輸出一個低電平輸。這樣，通過調節MOS管導通截止的頻率，就可以得到一個方波去激勵振弦傳感器。

2.2 拾振電路

由于振弦式傳感器輸出的感應電動勢非常微弱，一般情況下輸出信號的幅度在300 μV ～1 mV 之間，所有需要通過調理后才能被STM32 的I/O 口捕獲。圖4 是拾振電路原理圖，感應電動勢經過儀表放大器AD8231 的放大后，用一個運放組成的二階有源低通濾波電路對其進行低通濾波以去除其高頻雜波，濾波通過運放組成的二級放大電路對其進行放大，二級放大后對其進行二次濾波，最后通過遲滯比較器把傳感器輸出的正弦信號轉換成方波信號，并將這個方波信號通過一個多路開關送入STM32 的定時器獲得陣弦的固有頻率。

圖3 激振驅動電路Fig 3 Excitation drive circuit

圖4 拾振電路原理圖Fig 5 Principle diagram of vibration picking circuit

2.3 太陽能充電管理電路

因為系統需要全天候不間斷監測，所以，系統采用太陽能結合可充電鋰電池的供電方案。如圖5 所示，太陽能面板將供電給充電管理電路，充電管理電路再給鋰電池充電。該充電管理電路是一個基于UC2843 的Boost 變換電路，UC2843 是一個單端輸出型的PWM 控制集成電路［6］，只需要在其外圍配置很少的元器件，就可以實現一個高效率的Boost 變換器。

圖5 充電管理原理圖Fig 5 Principle diagram of charging management

2.4 數據存儲電路

在系統工作中，每個測量單元可接16 只傳感器，要存儲振弦傳感器的頻率數據和傳感器的溫度信息，本系統要用于長期監測，所以，有大量數據需要存儲在系統的存儲單元中。本系統選擇NANDflash 作為數據的存儲介質，其電路如圖6。

3 系統軟件設計

系統的軟件主要有激振程序、拾振程序、數據存儲程序和無線收發程序等組成。設計的難點是激振程序。在本系統中采用間歇反饋激振法，結合掃頻激振法來設計系統的激振程序。如圖7，間歇反饋激振法，就是先根據傳感器的固有頻率初始值，設定第一次掃頻激振的頻率上限fmax1和下限fmin1，第一次激振后，對傳感器的輸出信號進行處理并測量其頻率f1。如果第一次拾得的方波個數小于n1，則根據f1來設定第二次掃頻激振的頻率上限fmax2和下限fmin2，然后測得第二次激振后傳感器的輸出頻率f2。以此類推，當STM32 拾得的方波個數大于等于n1，則停止激振，此時測得的傳感器輸出頻率就是傳感器的固有頻率，記錄這個頻率，用作下次測量的初始激振頻率。如果掃頻激振n2次后，STM32 拾得的方波個數依然小于n1，則報錯。所謂掃頻激振，就是從掃頻頻率下限fmin開始，由STM32 的I/O 口輸N 個脈沖，后增加δf，直到輸出頻率大于等率掃頻上限fmax。由這4 個參數決定的掃頻程序框圖如圖8 所示。

圖6 NAND flash 電路圖Fig 6 Circuit diagram of NAND flash

圖7 反饋激振程序流程圖Fig 7 Program flow chart of excitation with feedback

圖8 掃頻激振程序流程圖Fig 8 Program flow chart of frequency sweeping vibration

4 系統測試

系統的測試在某長江大橋下塔柱施工中進行，監測數據如圖9 所示。

圖9 監測數據圖Fig 9 Diagram of monitoring datas

5 結束語

本測量系統已經實際應用于很多橋梁的施工監測中，通過實際應用和測試數據證明:該測量系統可以對混凝土應變和溫度進行準確的測量，實現了對土木工程結構應變和溫度的長期自動監測。同時，拓展了GPRS 無線網絡在土木工程監測中的應用，實現了系統遠程控制和數據的無線傳輸，具有較好的使用價值。

［1］ Lee H M，Kim J M，Sho，Park K，et al.A wireless vibrating wire sensor node for continuous structural health monitoring［J］.Electronics and Devices Instrumentation and Measurement，2010，23(3):27-32.

［2］ 王錦華.基坑工程監測過程分析［J］.現代測繪，2012，35(2):45-46.

［3］ Lynch J P，Law K H，Kiremidjian A S，et.A wireless modular monitoring system for civil structures［C］∥A Conference on Structural Dynamics，Los Angeles:IMAC-XX，2002:1-6.

［4］ 劉曉曦，王 旭，劉一通.振弦式土壓力傳感器溫度敏感性試驗研究［J］.儀表技術與傳感器，2009(1):6-8.

［5］ 張 勇.正弦式傳感器的原理及校準方法［J］.計量技術，2008(6):54-56.

［6］ 周慧潮.常用電子元器件及典型應用［M］.北京:電子工業出版社，2005:102-103.