可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀研制

陳晉央， 余尚江， 郭青林， 杜建國(guó)

(1. 總參工程兵科研三所， 河南 洛陽(yáng) 471023； 2. 敦煌研究院 甘肅 敦煌， 736200)

可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀研制

陳晉央1， 余尚江1， 郭青林2， 杜建國(guó)1

(1. 總參工程兵科研三所， 河南 洛陽(yáng) 471023； 2. 敦煌研究院 甘肅 敦煌， 736200)

為滿(mǎn)足文化遺產(chǎn)地的微振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀。通過(guò)測(cè)試儀硬件電路、固件程序、封裝結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，以及測(cè)試儀的校準(zhǔn)試驗(yàn)和在敦煌莫高窟的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀具有無(wú)線(xiàn)分布式組網(wǎng)、集成度高、遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)、同步采樣、自動(dòng)定位、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足世界文化遺產(chǎn)地對(duì)微振動(dòng)環(huán)境的長(zhǎng)期大范圍監(jiān)測(cè)需求。該測(cè)試儀已經(jīng)在敦煌莫高窟的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)中使用。

敦煌莫高窟；微振動(dòng)監(jiān)測(cè)；無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)；遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)的頻繁，在文化遺產(chǎn)地內(nèi)部及其周邊的游客參觀、交通運(yùn)輸、工程建設(shè)施工等活動(dòng)所產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)石窟寺、古建筑、古文化遺址的影響受到文物保護(hù)部門(mén)的重視[1-6]。由于這種持久性的微幅振動(dòng)是長(zhǎng)期存在并反復(fù)發(fā)生的，石窟寺、古建筑、古文化遺址受到長(zhǎng)期累積影響后將引起疲勞效應(yīng)而出現(xiàn)裂縫或者變形，所以振動(dòng)效應(yīng)對(duì)文化遺產(chǎn)的損害較大。為了保護(hù)文化遺產(chǎn)，有必要在文化遺產(chǎn)地進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，以便達(dá)到及時(shí)預(yù)警、提前保護(hù)的目的。由于大部分的文化遺產(chǎn)地面積較大，給全區(qū)域長(zhǎng)期的微幅振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)帶來(lái)了不便。同時(shí)，為了能夠保持文化遺產(chǎn)的原貌，對(duì)振動(dòng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)也提出了盡量避免監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝、傳輸線(xiàn)纜的埋設(shè)、設(shè)備的后期維護(hù)等苛刻要求。

目前針對(duì)長(zhǎng)期、大范圍、多測(cè)點(diǎn)的微幅振動(dòng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一般采用有線(xiàn)組網(wǎng)方式。采用傳感器、放大器、數(shù)據(jù)采集儀等分離式的設(shè)備組網(wǎng)來(lái)完成測(cè)試?任務(wù)，需要前期鋪設(shè)有線(xiàn)線(xiàn)纜、調(diào)試安裝多臺(tái)復(fù)雜設(shè)備[7]；已有的基于ZigBee (IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn))無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)和無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊的測(cè)試設(shè)備由于傳輸速率低、節(jié)點(diǎn)處理能力弱、無(wú)法同步測(cè)試等限制，僅在可休眠工作的低采樣率的測(cè)試場(chǎng)合中使用[8-11]；同時(shí)在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中還需要定期對(duì)傳感器及測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)以保證測(cè)試精度[12]。有線(xiàn)線(xiàn)纜的鋪設(shè)不僅會(huì)破壞世界文化遺產(chǎn)的原貌，也會(huì)對(duì)原本微弱的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生干擾和線(xiàn)纜噪聲；已有的無(wú)線(xiàn)測(cè)試設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)期大范圍多測(cè)點(diǎn)的微幅振動(dòng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求；定期拆卸設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)不僅會(huì)增加工作量，還會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)的時(shí)間空隙。因此已有的技術(shù)并不能滿(mǎn)足文化遺產(chǎn)地微振動(dòng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)需求。

本文針對(duì)上述現(xiàn)有微振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中的不足，提出一種可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)微振動(dòng)測(cè)試儀，它具有分布式無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)、集成度高、遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)、同步采樣、自動(dòng)定位、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足文化遺產(chǎn)地對(duì)微振動(dòng)環(huán)境的長(zhǎng)期大范圍監(jiān)測(cè)需求。

1 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的組成

設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示。由振動(dòng)傳感模塊、采集存儲(chǔ)模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)模塊、自校準(zhǔn)模塊和供電模塊組成。振動(dòng)傳感模塊包括高精度三向振動(dòng)傳感器和信號(hào)調(diào)理適配電路；采集存儲(chǔ)模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換AD(Analog to Digital)采樣電路和FLASH存儲(chǔ)電路；微處理模塊以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA(Field-Programmable Gate Array)處理器為核心；無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)模塊包括無(wú)線(xiàn)Wi-Fi(Wireless Fidelity，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn))通信組網(wǎng)電路和全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)/中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS(Beidou Navigation Satellite System)同步及定位電路；自校準(zhǔn)模塊包括DA(Digital to Analog)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和傳感器內(nèi)部的校準(zhǔn)線(xiàn)圈；供電模塊可選擇交流220 V或可充電高能聚合物鋰電池。將上述模塊中的信號(hào)調(diào)理適配電路、AD采樣電路、FLASH存儲(chǔ)電路、微處理電路、無(wú)線(xiàn)Wi-Fi通信組網(wǎng)電路、GPS/BDS接收機(jī)電路、DA電路和電源變換處理電路集成設(shè)計(jì)于同一塊電路板上，同時(shí)將該電路板與三個(gè)高精度振動(dòng)傳感器共同組裝至機(jī)箱內(nèi)構(gòu)成可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)微振動(dòng)測(cè)試儀，單臺(tái)測(cè)試儀可完成三個(gè)方向振動(dòng)信號(hào)感知、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)校準(zhǔn)等功能。

圖1 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的組成模塊示意圖Fig.1 Schematic module of wireless micro vibration testing instrument

2 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的硬件由振動(dòng)傳感器和信號(hào)采集及無(wú)線(xiàn)通信電路組成，其中振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)低頻微小振動(dòng)的感知，并帶有自校準(zhǔn)功能；信號(hào)采集及無(wú)線(xiàn)通信電路集成了信號(hào)調(diào)理、采集、存儲(chǔ)、無(wú)線(xiàn)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步及定位、校準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生等功能模塊，在FPGA處理器的控制下協(xié)調(diào)工作。其中信號(hào)采集及無(wú)線(xiàn)通信電路板中的主要硬件有：完成振動(dòng)信號(hào)放大的三通道信號(hào)調(diào)理電路、完成AD采樣功能的AD芯片、完成無(wú)線(xiàn)通信功能的Wi-Fi通信芯片、完成同步和定位功能的GPS/BDS接收機(jī)芯片、完成存儲(chǔ)功能的FLASH芯片以及完成采樣過(guò)程控制和各芯片適配控制的FPGA處理器。

振動(dòng)傳感器為磁電式傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。包括慣性質(zhì)量、彈性元件、敏感換能元件(磁路和線(xiàn)圈)等部分組成。為了能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)，纏繞了兩組線(xiàn)圈：一組線(xiàn)圈是正常的信號(hào)輸出線(xiàn)圈，用于檢測(cè)正常的振動(dòng)信號(hào)，如圖2中的線(xiàn)圈1。另一組線(xiàn)圈是校準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)輸入線(xiàn)圈(下文簡(jiǎn)稱(chēng)校準(zhǔn)線(xiàn)圈)，用于校準(zhǔn)時(shí)使用，如圖2中的線(xiàn)圈2。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)功能時(shí)，將校準(zhǔn)信號(hào)源加載至校準(zhǔn)線(xiàn)圈，通過(guò)微處理器對(duì)輸入標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)信號(hào)的頻率幅度信息和AD采樣后的頻率幅度信息的處理和計(jì)算，即可完成包含傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的整體校準(zhǔn)。該傳感器頻響范圍為1～200 Hz，振動(dòng)速度靈敏度為15 V/(m/s)，配合信號(hào)調(diào)理電路可有效檢測(cè)6×10-8m/s的微弱振動(dòng)信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)單個(gè)測(cè)點(diǎn)處的三向微振動(dòng)測(cè)試，使用兩個(gè)水平向和一個(gè)垂直向的上述傳感器。

圖2 低頻微振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of low-frequency micro vibration sensor

信號(hào)調(diào)理適配電路由四級(jí)低噪聲運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)阻抗變換、低噪聲放大、高陡度貝塞爾濾波功能。電路放大倍數(shù)可遠(yuǎn)程通過(guò)繼電器切換調(diào)整，放大倍數(shù)可設(shè)置1倍、10倍、100倍、500倍、2 000倍、5 000倍等多個(gè)檔位，與傳感器的各個(gè)量程檔配合后實(shí)現(xiàn)的速度動(dòng)態(tài)范圍為6×10-8～6.4 m/s。

AD采樣電路采用AD7606芯片，該AD芯片工作于±5 V輸入模式， 16位AD轉(zhuǎn)換精度，同步采樣，最小分辨率為152 μV。AD7606芯片具有8個(gè)輸入通道，其中三個(gè)通道與信號(hào)適配調(diào)理電路連接，三個(gè)通道與校準(zhǔn)輸入信號(hào)連接，完成傳感器輸出信號(hào)和校準(zhǔn)信號(hào)的數(shù)字化，通過(guò)微處理器控制其采樣率為2 kSPS。

FLASH存儲(chǔ)電路的最大容量為4 Gbit，其寫(xiě)入速率大于測(cè)試儀的AD采樣速率，用于完成偶然斷電或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)。

相比于溫濕度等環(huán)境參量無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，振動(dòng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的采樣率要高很多，單位時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，多臺(tái)測(cè)試儀組網(wǎng)時(shí)，需要使用Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)。一方面Wi-Fi通信目前應(yīng)用十分廣泛，基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)單，另一方面Wi-Fi通信在固定區(qū)域的組網(wǎng)及高速數(shù)據(jù)傳輸明顯優(yōu)于其他的無(wú)線(xiàn)通信方式。采用的以太網(wǎng)芯片W5300和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)Wi-Fi芯片WizFi630內(nèi)部集成了以太網(wǎng)協(xié)議和Wi-Fi協(xié)議的物理層和基本協(xié)議棧，僅需要微處理器進(jìn)行寄存器操作即可完成Wi-Fi組網(wǎng)通信，簡(jiǎn)單可靠。多個(gè)測(cè)試儀使用時(shí)采用不同IP地址完成無(wú)線(xiàn)Wi-Fi組網(wǎng)，進(jìn)行控制命令和測(cè)試數(shù)據(jù)的交互。在大范圍組網(wǎng)時(shí)，為滿(mǎn)足振動(dòng)信號(hào)分析、模態(tài)識(shí)別所需信號(hào)的時(shí)間同步，必須保證測(cè)試儀的時(shí)鐘同步，采用和芯星通的GPS/BDS雙模芯片UM220完成不同測(cè)試儀之間的時(shí)鐘同步，該芯片的1PPS信號(hào)精度達(dá)到20 ns，配合微處理器的高速時(shí)鐘進(jìn)行上升沿檢測(cè)，同時(shí)考慮不同接收機(jī)的同步誤差，通過(guò)本地時(shí)鐘經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生的多相高頻時(shí)鐘及同步算法的具體實(shí)現(xiàn)，可以保證不同測(cè)試儀的同步精度優(yōu)于1 μs。同時(shí)UM220模塊1 s更新一次導(dǎo)航解，F(xiàn)PGA處理后直接發(fā)送給振動(dòng)監(jiān)測(cè)服務(wù)器，可以獲取測(cè)試儀的位置信息，在大范圍測(cè)試中可以方便的與地理信息系統(tǒng)融合。

微處理器是測(cè)試儀底層硬件的控制核心，采用FPGA實(shí)現(xiàn)如下功能：①測(cè)控服務(wù)器的命令解析；②控制AD工作休眠過(guò)程；③根據(jù)量程設(shè)置不同的適配電路放大倍數(shù)；④在測(cè)試儀斷電或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)啟動(dòng)FLASH存儲(chǔ)；⑤控制以太網(wǎng)和Wi-Fi芯片保證控制命令和數(shù)據(jù)的可靠交互；⑥監(jiān)測(cè)GPS/BDS芯片的1PPS信號(hào)和導(dǎo)航信息以獲得多臺(tái)測(cè)試儀的時(shí)鐘同步和定位信息；⑦遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)時(shí)控制DA產(chǎn)生掃頻信號(hào)并切換AD采樣通道，當(dāng)需要校準(zhǔn)時(shí)利用數(shù)字頻率合成技術(shù)使DA電路產(chǎn)生相應(yīng)的掃頻信號(hào)，加載至傳感器的校準(zhǔn)線(xiàn)圈上。

采用六層板設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)芯片小封裝選型和電路優(yōu)化布線(xiàn)，將所有電路模塊集成于一塊電路板，設(shè)計(jì)的最終的電路板尺寸為120 mm×75 mm，如圖3所示。

2.2 固件程序?qū)崿F(xiàn)

固件程序主要完成AD、FLASH、無(wú)線(xiàn)Wi-Fi、GPS/BDS接收機(jī)、DA、調(diào)理電路增益等具體電路模塊的驅(qū)動(dòng)適配和測(cè)試過(guò)程的控制，燒錄在FPGA處理器中。該固件程序的主要功能模塊,如圖4所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的硬件電路板實(shí)物圖Fig.3 Hardware material of wireless micro vibration testing instrument

圖4 微處理器中固件程序的主要功能模塊Fig.4 Main function of firmware in microprocessor

通過(guò)上述主要功能模塊的編程，F(xiàn)PGA可以控制管理各個(gè)硬件芯片，完成無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的所有功能。微處理器中固件程序的實(shí)現(xiàn)流程圖，如圖5所示，根據(jù)Wi-Fi通信接收到的測(cè)控服務(wù)器工作配置命令決定進(jìn)入不同的工作模式：①空閑模式時(shí)不進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集，僅解析衛(wèi)星接收機(jī)的導(dǎo)航信息，間隔一定時(shí)間上報(bào)位置和工作狀態(tài)信息；②工作模式時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)命令配置調(diào)理電路的放大倍數(shù)，啟動(dòng)振動(dòng)信號(hào)的采集，在振動(dòng)數(shù)據(jù)回傳之前檢測(cè)衛(wèi)星接收機(jī)模塊產(chǎn)生的1PPS信號(hào)的上升沿，根據(jù)該上升沿在測(cè)試數(shù)據(jù)中加入絕對(duì)時(shí)刻信息，然后判斷Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連通情況，如果網(wǎng)絡(luò)正常，實(shí)時(shí)回傳測(cè)試數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡(luò)異常，將測(cè)試數(shù)據(jù)存入FLASH存儲(chǔ)中；③自校準(zhǔn)模式時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)命令產(chǎn)生相應(yīng)的校準(zhǔn)信號(hào)源，將該信號(hào)源加載至傳感器的校準(zhǔn)線(xiàn)圈上，無(wú)線(xiàn)回傳經(jīng)過(guò)AD采樣后的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，由測(cè)控服務(wù)器進(jìn)行包含傳感器和數(shù)據(jù)采集在內(nèi)的測(cè)試儀的整體靈敏度及頻帶校準(zhǔn)。

2.3 測(cè)試儀的封裝及使用

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了三種封裝形式的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀，如圖6所示。其中放置式用于可以直接放置使用的場(chǎng)合，緊固式用于需要固定至結(jié)構(gòu)表面使用的場(chǎng)合，埋設(shè)式用于需要在沙土介質(zhì)內(nèi)部埋設(shè)使用的場(chǎng)合。該測(cè)試儀應(yīng)用時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示[13]。測(cè)試儀將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)支持Wi-Fi協(xié)議的無(wú)線(xiàn)AP或中繼將數(shù)字信號(hào)傳輸至振動(dòng)監(jiān)測(cè)的測(cè)控中心，該中心的服務(wù)器上運(yùn)行測(cè)控軟件完成振動(dòng)數(shù)據(jù)分析及處理，同時(shí)可與遠(yuǎn)程用戶(hù)通信，當(dāng)振動(dòng)值達(dá)到預(yù)警值時(shí)通過(guò)多種方式預(yù)警提醒。

圖5 微處理器中固件程序流程圖Fig.5 Process of firmware in microprocessor

(a)放置式 (b)緊固式 (c)埋設(shè)式圖6 三種封裝形式的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀實(shí)物圖Fig.6 Three kinds of package of wireless micro vibration testing instrument

圖7 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的典型應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Typical application system of wireless micro vibration testing instrument

3 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證研制的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的性能，在某計(jì)量測(cè)試站利用低頻振動(dòng)校準(zhǔn)裝置對(duì)該測(cè)試儀進(jìn)行了性能試驗(yàn)。試驗(yàn)分為：①低頻振動(dòng)傳感器性能測(cè)試，將使用的低頻振動(dòng)傳感器置于低頻振動(dòng)臺(tái)上，通過(guò)信號(hào)電纜線(xiàn)與后端無(wú)線(xiàn)采集處理電路板連接，測(cè)量傳感器的靈敏度及頻響范圍；②測(cè)試儀性能測(cè)試，將封裝后的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀整體放置于低頻振動(dòng)臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)靈敏度及頻響范圍進(jìn)行校準(zhǔn)；③對(duì)比試驗(yàn)，將研制的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀與低頻振動(dòng)傳感器配合東華測(cè)試技術(shù)公司的采集儀組成的有線(xiàn)測(cè)試儀進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)測(cè)試的對(duì)比試驗(yàn)。

性能試驗(yàn)裝置，如圖8 所示。通過(guò)試驗(yàn)得到如下結(jié)果：①傳感器自身及封裝后的無(wú)線(xiàn)測(cè)試儀在頻響范圍內(nèi)的靈敏度幅頻響應(yīng)平坦(<±5%)；②振動(dòng)傳感器封裝前后的靈敏度最大誤差<1.04%；③封裝后的無(wú)線(xiàn)振動(dòng)測(cè)試儀的共振頻率>220 Hz；④通過(guò)與有線(xiàn)式測(cè)量方法比較，無(wú)線(xiàn)測(cè)試儀具有與有線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度。

(a)測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

(b)低頻振動(dòng)測(cè)試裝置

(c)無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀在振動(dòng)臺(tái)上安裝圖8 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀試驗(yàn)裝置圖Fig.8 Experiment device of wireless micro vibration testing instrument

4 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的應(yīng)用

本文提出的無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀主要是為世界文化遺產(chǎn)地的微振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的，在敦煌莫高窟進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。2014年敦煌莫高窟某洞窟進(jìn)行了為期三個(gè)月的窟前平臺(tái)拆除施工工作，施工全過(guò)程使用四臺(tái)無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中在施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的一個(gè)測(cè)試儀，如圖9所示。施工管理人員根據(jù)測(cè)試儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)修正確定具體的施工方法，在保護(hù)文物不受影響的前提下圓滿(mǎn)完成了拆除施工任務(wù)。

為配合敦煌莫高窟振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，針對(duì)大范圍多測(cè)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀的監(jiān)測(cè)及預(yù)警軟件，軟件界面，如圖10所示。利用無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀及軟件，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)間斷地監(jiān)測(cè)敦煌莫高窟的振動(dòng)環(huán)境，獲得了莫高窟的一些振動(dòng)環(huán)境數(shù)據(jù)，如洞窟地面的地脈動(dòng)幅值為0.3～0.6 μm/s，游客在洞窟內(nèi)走動(dòng)引起地面垂直向振動(dòng)幅值為5～30 μm/s，公路上行駛的翻斗車(chē)引起的振動(dòng)幅值為10～20 μm/s，而洞窟外進(jìn)行地面鋪磚施工引起相鄰洞窟內(nèi)地面振動(dòng)幅值為20～50 μm/s。振動(dòng)信號(hào)的頻率分布及振幅值與之前相關(guān)測(cè)試結(jié)論相符[14-16]。

圖9 無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀在敦煌莫高窟使用實(shí)物圖Fig.9 Practical application of wireless micro vibration testing instrument in Mogao Grottoes

圖10 監(jiān)測(cè)軟件圖Fig.10 Monitoring software

結(jié)合針對(duì)本文研制的可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)測(cè)試儀進(jìn)行的性能試驗(yàn)和敦煌莫高窟現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，該設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of the instrument

目前，本文提出的可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)微振動(dòng)測(cè)試儀已列入敦煌莫高窟整體的“世界文化遺產(chǎn)地莫高窟監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)”項(xiàng)目，將為文物的預(yù)防性保護(hù)提供了實(shí)際振動(dòng)環(huán)境的定量依據(jù)。

5 結(jié) 論

通過(guò)硬件、固件程序和封裝的合理設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，研制了可遠(yuǎn)程自校準(zhǔn)的分布式無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)微振動(dòng)測(cè)試儀。測(cè)試儀的性能試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，測(cè)試儀具有集成度高、布設(shè)維護(hù)方便(遠(yuǎn)程自校準(zhǔn))、動(dòng)態(tài)范圍大、采樣速率高、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、可大范圍無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)、具備同步測(cè)試及定位功能等特點(diǎn)，克服了有線(xiàn)式、無(wú)線(xiàn)ZigBee式等測(cè)試手段在長(zhǎng)期、大范圍、多測(cè)點(diǎn)振動(dòng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的局限性，可廣泛應(yīng)用于世界文化遺產(chǎn)地等文物保護(hù)場(chǎng)合對(duì)微振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期大范圍監(jiān)測(cè)，為重要文物的有效保護(hù)提供技術(shù)支撐。

[1] 張明泉，溫玲麗，王旭東，等. 敦煌莫高窟保護(hù)工程施工振動(dòng)對(duì)洞窟文物的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009， 28(增刊2): 3762-3768.

ZHANG Mingquan, WEN Lingli, WANG Xudong, et al. Impact of construction vibration on Mogao Grottoes in Dunhuang[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(Sup2): 3762-3768.

[2] 王昊. 交通振動(dòng)對(duì)石窟類(lèi)古建筑的影響及對(duì)策[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011(10): 168-170.

WANG Hao. Effects and countermeasure on grottoes ancient architecture by traffic vibration[J]. Transport Standardization, 2011(10): 168-170.

[3] 羅瑤. 敦煌莫高窟旅游環(huán)境容量及量測(cè)分析[J]. 敦煌研究，2005(4): 9-15.

LUO Yao. Analysis on tour environmental capacity and assessment of Mogao Grottoes in Dunhuang[J]. Dunhuang Research, 2005(4): 9-15.

[4] 李昊，簡(jiǎn)方梁. 人群行走荷載作用下的人致結(jié)構(gòu)振動(dòng)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010,38(4): 125-130.

LI Hao, JIAN Fangliang. Human-induced vibration under walking-crowd excitation[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2010,38(4): 125-130.

[5] 石玉成，王旭東，秋仁東，等. 敦煌莫高窟崖體錨索加固技術(shù)鉆孔振動(dòng)效應(yīng)測(cè)試分析[J].世界地震工程，2007, 23(4):7-12.

SHI Yucheng, WANG Xudong, QIU Rendong, et al. Vibration effect testing and analysis of achor wire reinforcement of cliff rock mass of Mogao Grotto[J]. World Earthquake Engineering, 2007,23(4):7-12.

[6] 李克飛，劉維寧，劉衛(wèi)豐，等. 交通振動(dòng)對(duì)鄰近古建筑的動(dòng)力影響測(cè)試分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,35(1):79-83.

LI Kefei, LIU Weining, LIU Weifeng, et al. Tests and analysis of traffic-induced vibration effects on surrounding historic buildings[J]. Journal of Beijing Jiaotong university. 2011, 35 (1):79-83.

[7] 孫正華，方平. 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J].工程質(zhì)量，2008,8(增刊1):476-480.

SUN Zhenghua, FANG Ping. Application of blasting vibration monitoring technique in the historical relics protection[J]. Quality of Civil Engineering and Construction, 2008, 8(Sup1): 476-480.

[8] 馮志鵬，金樂(lè)娜，劉立，等. 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].振動(dòng)與沖擊，2010,29(增刊1): 405-407.

FENG Zhipeng, JIN Lena, LIU Li, et al. Vibration monitoring system based on wireless sensor network[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010,29(Sup1): 405-407.

[9] 孫志遠(yuǎn)，韓煒. ZigBee技術(shù)在振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(10): 114-116.

SUN Zhiyuan, HAN Wei. Application of ZigBee technology in vibration monitor[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2009，28(10): 114-116.

[10] 秦國(guó)軍，胡蔦慶，李磊. 振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].振動(dòng)與沖擊，2008，27(增刊1): 98-100.

QIN Guojun, HU Niaoqing, LI Lei. Design and application of wireless sensor network for vibration monitoring[J]. Journal of Vibration and Shock，2008，27(Sup1): 98-100.

[11] 王子龍，袁慎芳，胡步青，等. 用于大規(guī)模實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的WSN多信道基站設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2013，33(3): 494-498.

WANG Zilong, YUAN Shenfang, HU Buqing, et al. The multi-channel sink node design of wireless sensor network for widespread real-time continuous monitoring[J]. Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis，2013，33(3): 494-498.

[12] 楊年華，林世雄. 爆破振動(dòng)測(cè)試技術(shù)探討[J].爆破，2000，17(3): 90-92.

YANG Nianhua, LIN Shixiong. Discuss of blasting vibration testing technology [J].Blasting，2000，17(3): 90-92.

[13] 陳晉央，余尚江，杜建國(guó). 敦煌莫高窟無(wú)線(xiàn)微振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建[C] //張煒，鄭建國(guó). 首屆全國(guó)文物建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與保護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議. 西安，2014：87-91.

[14] 李伯松，汪世亮，王旭東，等. 敦煌機(jī)場(chǎng)飛機(jī)起落對(duì)莫高窟影響的測(cè)試分析報(bào)告[R]. 洛陽(yáng)：總參工程兵科研三所，1991.

[15] 杜建國(guó)，余尚江，陳晉央，等. 敦煌莫高窟振源監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[R]. 洛陽(yáng)：總參工程兵科研三所，2015.

[16] IWASAKI Y, NAKAGAWA K, ISHIKAWA Y, et al. Microtremor measurements at Mogao Grottoes, Dunhuang, China for preliminary dynamic characterization for performance during earthquake[J]. Engineering Geology for Society and Territory, 2015(8):31-35.

A design of distributed wireless micro vibration testing instrument with remote self-calibration function

CHEN Jinyang1, YU Shangjiang1, GUO Qinglin2, DU Jianguo1

(1. The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff, Luoyang 471023, China；2. Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China)

In order to realize real-time micro vibration monitoring in the area of cultural heritage, a distributed wireless micro vibration testing instrument was designed with remote self-calibrate function. Through the rational design of hardware circuit, firmware program and package structure, at the same time the calibration experiment and field experiment in Mogao Grottoes of the testing instrument were implemented. It has been proved that the designed testing instrument has the advantage such as distributed wireless networking, high integrated sense and adaptation, remote self-calibration, synchronous sampling, automatic positioning and high sensitivity, which is able to meet the demand of micro vibration monitoring for long time and wide range in the area of world cultural heritage. At present the testing instruments are used in the risk early warning system of Dunhuang Mogao Grottoes.

Dunhuang Mogao Grottoes; micro vibration monitoring; wireless networking; remote self-calibrate

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAK01B01)

2016-02-23 修改稿收到日期： 2016-04-19

陳晉央 男，碩士，助理研究員，1987年生

余尚江 男，博士，研究員，1968年生

TH165.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.032