基于PQCR-PSL的橋梁振動無線監測系統

馬文卓， 陳向東， 丁 星

(西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610031)

基于PQCR-PSL的橋梁振動無線監測系統

馬文卓， 陳向東， 丁 星

(西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610031)

基于壓電式石英晶體諧振器與平面螺旋電感串聯結構(PQCR-PSL)，結合現場可編程門陣列(FPGA)、無線傳感器網絡(WSNs)和C#等技術，將一種結構簡單、以頻率為輸出的數字化石英晶體電感傳感器應用到橋梁振動等低頻測量中，并以此為傳感器探頭搭建了整套無線監測系統。系統主要由傳感器探頭、FPGA系統、ZigBee網絡、C#上位機4部分組成，具有結構簡單、穩定性好、數字化輸出等特點，實現了對低頻振動信號的非接觸式無線實時監測。

橋梁振動； 石英晶振； 螺旋電感； 現場可編程門陣列； ZigBee； 上位機

0 引 言

應用于橋梁振動監測的傳感器主要有電阻應變片式傳感器、壓電型加速度傳感器和光纖光柵傳感器。3種傳感器均屬于接觸式測量。電阻應變片式傳感器由于容易損壞，壽命較短，一般應用于短期測試；壓電型加速度傳感器不能用于大跨度橋梁的振動測量[1]，且不能測量靜態響應，無法反映出橋梁變形等緩慢變化或靜態問題；光纖光柵傳感器成本高，技術要求高，設備復雜等缺點限制了應用和推廣[2]。而電感式傳感器具有結構簡單、可靠壽命長、靈敏度和分辨率高、線性度和重復性好等特點，可應用于灰塵、污垢和潮濕等惡劣環境中，實現低成本、高分辨率、非接觸式感測，廣泛應用于軍事、工業、醫療等領域的高精度測量中。

與現有的加速度傳感器橋梁振動測量系統相比[3]，本文將一種簡單的、數字化頻率輸出的石英晶體電感式傳感器應用于橋梁振動監測中，該類傳感器的大感頻牽引率提高了系統的靈敏度。同時，與傳統皮爾斯(Pierce)振蕩電路相比，系統振蕩電路由3P5609AL1數字化芯片搭建，能得到更高的振蕩頻率和更優良的振蕩波形，并在此基礎上構建了ZigBee無線傳感網，將數據傳入C#上位機，實現對橋梁振動信號的無線實時監測。

1 橋梁振動測量原理

根據橋梁振動懸臂梁測量方法[1]，如圖1所示為一個簡化的壓電石英晶體諧振器—平面螺旋電感(piezoelectric quartz crystal resonator in series with planar spiral inductor,PQCR-PSL)結構傳感器橋梁振動測量工作原理。在實際測量時，載物臺置于橋面，將橋體的縱向振動通過懸臂梁傳遞到金屬薄片上，引起金屬薄片的上下振動，懸臂梁將振動信號幅度放大。減振海綿上用于放置由電池或移動電源供電的無線監測節點，減小探頭隨橋體的振動，保證探頭與金屬薄片間的相對位移變化足夠大。也可將懸臂梁豎直以各方向直接固定在橋體上，用于測量橋體對應方向的振動情況。傳感器探頭平行置于金屬薄片正下方，其工作原理：線圈電感值的大小為PSL與金屬薄片間距離、金屬尺寸和成分有關的函數，在金屬薄片一定的情況下，根據Pierce振蕩電路頻率公式，電感變化進而影響振蕩電路中振蕩頻率的大小[4]。通過對探頭所在振蕩電路頻率的測量，對應著PSL大小的變化，可反映出線圈與金屬薄片間相對位移的變化[5]，當對電路頻率進行快速采集時即可反映出金屬薄片的振動情況，間接反映出橋梁在該方向上的振動情況。

圖1 橋梁振動監測原理

系統選用Pierce振蕩電路構成振蕩回路。相比于基本Pierce振蕩電路的基本結構和功能，系統使用高性能、低功耗、高頻率晶體振蕩控制器3P5609AL1芯片。其內含的振蕩電路限制了振蕩電流大小，降低了整體功耗，其內置高頻電容有效地消除了外部電容對振蕩電路的影響，同時，其內置的反相器反饋電阻增強了電路穩定性。本文傳感器探頭測量范圍為0～15 mm，在0～6 mm范圍內，最大誤差為0.03 mm，分辨率達到10 μm[6]。

2 系統設計與實現

2.1 系統整體結構設計

如圖2系統框圖所示，基于現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的橋梁振動無線監測系統主要由傳感器探頭,FPGA系統,ZigBee無線通信網絡,C#上位機4部分組成。其中傳感器探頭又分為PQCR與PSL串聯結構,Pierce振蕩電路,電壓轉換電路,溫度傳感器DS18B20等。傳感器探頭感測振動時橋體與線圈的相對位移，電感檢測電路將頻率數據傳入FPGA系統，由頻率采集模塊測頻后傳入NIOS II軟核，進行數據處理，同時溫度采集模塊采集DS18B20的實時溫度數據，傳入NIOS II軟核進行處理后與頻率數據一并打包。最終數據以串口方式發往ZigBee終端節點模塊，多個傳感器節點的數據通過無線通信網絡經過路由器模塊在協調器模塊匯總，協調器以串口方式將數據傳入上位機，實現了對橋梁振動信號的低成本、多節點、非接觸式無線實時監測。

圖2 系統框圖

2.2 硬件電路設計

系統傳感器節點主要用于橋梁某點振動信號采集、處理，最終無線發送至路由器，其硬件電路(如圖3為部分原理圖)主要由傳感器探頭(L1),電感檢測電路(U1),電源轉換電路(P1),DS18B20溫度傳感器模塊(T1),CC2530芯片(U2),74HC595芯片和兩個外接口插座等其他外圍輔助電路組成。

路由器模塊和協調器模塊主要用于多個傳感器節點信息的中轉和匯聚，實現網絡的建立和維護，其中協調器與上位機通過串口進行通信。系統采用CC2530模塊作為路由器模塊和協調器模塊的硬件設備，在此基礎上編程開發其具體的功能。

圖3 硬件原理(部分)

2.3 軟件設計

2.3.1 FPGA系統設計

傳感器節點中的FPGA系統主要包括頻率采集模塊,溫度采集模塊,鎖相環PLL,NIOS II軟核等部分。其中,搭建NIOS系統主要用作數據處理和串口數據發送。

2.3.2 頻率采集模塊設計

系統采用等精度測頻法對電感檢測電路的輸出頻率信號進行快速采頻。為滿足橋梁振動頻率范圍，設定閘門信號周期為10 ms，頻率采集模塊理論可測頻響范圍為0～100 Hz。由于使用此種快速采集方法個位、十位頻率變化將不可測，系統需要足夠大的頻率變化量反映位移的變化，因此，電感檢測電路使用12 MHz PQCR與PSL組成振蕩回路，實驗測試得到總頻率變化超過3 kHz，可清楚分辨振動引起的位移變化，達到實驗要求。

2.3.3 ZigBee無線通信技術

ZigBee以其高可靠性、高安全性、低成本、低功耗、組網能力強等特點廣泛應用于各種測量系統中[7]。基于ZigBee 2007/PRO，系統傳感器節點ZigBee程序、路由器和協調器程序在IAR Embedded Workbench環境下完成開發。工作時，以收到FPGA發來的串口信號為事件觸發，收到后立即進行無線通信。節點上還設計了由74HC595芯片驅動的128×64點陣LCD顯示模塊，用于顯示ZigBee網絡連接情況和傳感器節點采集到的溫度和頻率信息。

2.3.4 C#上位機

上位機使用C#語言開發的監測程序，開發環境為Visual Studio 2010，主要包括橋梁振動實時監測模塊和歷史數據查詢模塊。程序實現與協調器的串口通信，同時選用MySQL數據庫進行數據管理和調用，并利用ZedGraph.NET控件實現數據動態顯示和歷史數據查詢繪圖。

3 系統測試與分析

如圖4所示為系統測試實物，系統以鐵路橋模型和敲擊激勵模擬橋梁振動進行系統測試，懸臂梁由彈性鋼條搭建，存在阻尼振動。由于使用12 MHz晶振組成振蕩回路，為減小傳輸數據長度，在NIOS II系統中已將實際采集的頻率值與固定值做差，再省略了無效的個位和十位，最后進行數據傳輸，測得無路由器時有效無線通信距離為50 m，可用多級路由增加傳輸距離。

圖4 系統測試實物

如圖5所示為系統C#上位機測試，上位機中橋梁振動實時監測界面動態繪制振動信號曲線，同時將數據存入MySQL數據庫，歷史數據查詢界面可按存入時間段調出數據庫數據并繪圖查看。通過圖中實驗數據可以看出：模擬振動頻率在20 Hz左右，與實際大跨度橋梁振動主頻率相近，系統可較好地完成模擬橋梁振動的數據采集、傳輸、實時顯示和存儲查詢工作，清晰地反映出模擬振動信號情況。調用數據庫數據，靜態繪圖較動態繪圖更清晰圓滑，為后期頻譜分析、橋梁健康問題防治提供數據支持。

圖5 上位機測試

4 結束語

系統將以頻率變化反映相對位移變化的PQCR-PSL結構振動傳感器應用到了橋梁振動測量中，通過測試驗證了應用的可行性。系統結構簡單、穩定性好、具有數字化頻率輸出，可清楚地反映出模擬橋梁振動情況，實現了對低頻振動信號的非接觸式無線實時監測。可為橋梁缺陷、變形和裂紋等問題的防治提供數據參考，可應用于各種低頻振動監測中。

[1] 宋 宇,李迅鵬,馬 琨,等.調頻式電感傳感器電路及其在橋梁低頻振動檢測中的應用[J].昆明理工大學學報：理工版,2009(4):53-57.

[2] 周雪芳,梁 磊.光纖光柵傳感器穩定性試驗研究[J].傳感器與微系統,2007,26(11):25-27.

[3] 陳高杰.基于無線傳感器網絡的橋梁振動檢測系統研究[D].杭州：浙江大學,2015.

[4] Fericean S,Droxler R.New noncontacting inductive analog pro-ximity and inductive linear displacement sensors for industrial automation[J].Sensors Journal,IEEE,2007,7(11):1538-1545.

[5] Ding X,Chen X,Ma W,et al.A novel PQCR-L circuit for inductive sensing and its application in displacement detection[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2016,65(3):685-693.

[6] 馬文卓,陳向東,丁 星.基于FPGA的平面螺旋電感式微位移傳感器系統[J].傳感器與微系統,2016,35(6):66-68.

[7] 龔發根,汪 煒,秦 拯.基于ZigBee無線傳感器網絡的工業廢氣監控系統[J].傳感器與微系統,2011,30(1):86-89.

Wireless vibration monitoring system for bridges based on PQCR-PSL

MA Wen-zhuo, CHEN Xiang-dong, DING Xing

(School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Based on structure of piezoelectric quartz crystal resonator(PQCR)in series with a planar spiral inductor(PSL),the system combines with field programmable gate array(FPGA),wireless sensor networks(WSNs)and C#,apply digital quartz crystal inductive sensor,which has simple structure and use frequency as output,to bridge vibration measurement.And use this as sensor probe to build up a set of bridge vibration wireless monitoring system.The system is mainly composed of sensor probe,FPGA system,ZigBee network, C# upper computer and has the characteristics of simple structure,good stability and digital output.It achieves non-contact,wireless,real-time monitoring on low-frequency vibration signal.

bridge vibration; quartz crystal; spiral inductor; field programmable gate array(FPGA); ZigBee; upper computer

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0101—03

2016—10—12

TP 212.9； TN 92

A

1000—9787(2017)09—0101—03

馬文卓(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為傳感器與智能信息獲取。

陳向東(1967-)，男，教授，博士生導師，主要從事無線傳感器網、信息獲取技術以及新型傳感器的研究。

丁 星(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向為傳感器技術與振蕩器。