道路層面響應參數采集系統的設計開發*

王 豪 呂承舉 紀少波 廖寶梁 李 萌 徐懷民

(1.山東大學能源與動力工程學院 濟南 250061； 2.山東省交通科學研究院 濟南 250031)

目前，路基路面的健康狀態多采用傳統檢測設備對路基結構進行定期定點檢測，利用有線布局的方式，工程量大，另外，此系統需要檢測人員到現場作業，數據采集成本高[1-2]。文獻[3]開發了一套高速公路養護管理系統，系統亦需要作業人員到現場采集數據，并對系統進行維護；文獻[4]開發了高速公路采集系統，能夠采集高速公路的路況圖像，但依靠人工到現場測試數據，無法實現數據的長期自動監測；文獻[5]研發的公路路面信息監測系統，將傳感器進行了集成設計，但系統只能監測路面的信息，不能實時采集路基結構內的應力應變情況。

綜上，現有測試方法效率低，測試成本高，采集到的數據無法全面反映道路應力、應變變化規律,且無法長期保存。鑒于此，本文開發了一種無人值守的自動采集系統，本系統將傳感器直接預埋在新建公路路基內，長期監測道路多層面應力參數，并將處理后的數據永久保存至大容量閃速存儲器(Flash存儲器)中。系統采用太陽能鋰電池組供電，保證系統的長期運行；采用激光測距傳感器判斷是否有車輛到來，實現系統工作狀態的控制。該系統具有無人值守、自動采集數據的特點，不需要專門的人員在現場進行數據測試，降低了測試所需的人力、物力消耗，具有廣闊應用前景。

1 功能介紹

本文開發的系統結構主要包括4部分：太陽能充電鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數據采集存儲系統及上位機分析軟件。系統的總體結構見圖1。

圖1 系統總體結構

太陽能充電鋰電池組電源包括鋰電池組及太陽能充電系統2部分，鋰電池組產生12 V的直流電源供給車輛到位感知模塊及數據采集存儲系統。當鋰電池組電量降低至下限時，太陽能充電系統自動開啟為電池組充電，通過這種方式保證系統可長期運行。車輛到位感知模塊利用傳感器檢測車輛是否到位，并通過單片機及通訊電路將車輛的到位情況傳遞給數據采集及存儲系統。系統接收到車輛到位感知模塊的信號后，控制數據采集及存儲系統采集路基形變傳感器的信號。路基形變傳感器信號首先經差分放大等處理后，進行數據采集，采集的同時將數據快速保存至靜態RAM(隨機存取存儲器)芯片內，待車輛駛過后，再將存儲至靜態RAM的信號及采樣時間存至大容量Flash存儲器內。最后通過上位機軟件提取存儲器數據，對數據進行濾波處理后，從中提取有用信息反映道路應變信息，并將處理后的數據進行保存。

2 設計思路

2.1 車輛到位感知模塊的設計

車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號處理電路、單片機及通訊電路等4部分。總體功能見圖2，激光測距傳感器固定在路邊，當車輛到達傳感器安裝位置時觸發傳感器信號，該信號經施密特觸發電路整形處理后傳送給單片機，單片機根據該信號確定車輛是否到位，如車輛到位則利用通訊電路告知數據采集存儲單元，開始進行數據采集及存儲。

圖2 車輛到位感知模塊功能示意圖

2.2 數據采集存儲模塊的設計

數據采集存儲單元包括路基形變測試傳感器、采集板及主控制器等3部分。所用的傳感器為全橋式應變傳感器，傳感器外形見圖3。該傳感器受到外力作用時，導體或半導體材料產生機械變形，從而引起材料電阻值發生相應變化，由于道路應變小導致應變電阻變化范圍一般都很小，通過惠斯通電橋可將傳感器的微小電阻變化轉換成電壓變化向外輸出。

圖3 應變傳感器外形圖

采集板電路中通過2.5 V恒壓源MC1403給各傳感器供電，傳感器輸出信號首先送入LM258運算放大器進行差分放大，同時通過低通濾波電路對信號進行處理；初步處理的信號送入AD526可調增益放大器中對放大倍數進行二次調節；調節后的電壓信號送入MAX197模數轉換單元中進行處理，處理后的信號通過連接主機板的接口傳送到主機板的高速RAM中。采集板功能示意見圖4。

圖4 采集板功能示意圖

主控制器以STC12C5A60S2單片機為控制核心；采用74HC573地址鎖存器及625128高速靜態RAM作為暫存單元，存放采集過程的臨時數據；采用CH376S文件管理芯片擴展了大容量Flash存儲器接口電路；采用PCF8563實時時鐘芯片記錄每次采樣的時刻；通過MAX705硬件看門狗芯片保證整個工作的可靠性；此外，采用MAX232芯片實現了串口通信功能，方便后續系統功能的擴展。主控制器的功能示意見圖5。

圖5 主控制器功能示意圖

數據采集存儲模塊的測量精度與傳感器本身精度等級、傳感器安裝方式及模數轉換單元的轉換精度等因素有關。系統采用的應變傳感器的精度等級為0.5%，模數轉換單元的轉換誤差理論上在0.5%以內，整個系統的誤差由上述誤差疊加而成，但由于各部分出現偏差的方向不完全相同，故系統誤差不是各部分誤差的簡單疊加，應該根據均方根求得。系統在實際使用過程中受到外界干擾，其影響遠超過系統本身的誤差，需通過上位機軟件的濾波算法消除干擾的影響，提高信號的信噪比。

2.3 上位機軟件的設計

本文所開發的上位機軟件程序從Flash存儲器中提取數據，數據提取過程中根據存儲時的通道號、數據高位及數據低位，依次提取各通道的數據。通過數據采集存儲模塊得到各傳感器輸出的電壓信號，并通過傳感器的轉換系數將測量的電壓值轉化為對應的物理量，轉換系數通過對傳感器標定得到，不同傳感器的轉換系數存在差異，故程序設計了轉換系數修改窗口，用于輸入各傳感器的轉換系數。每次修改后，程序會自動根據新的系數計算各通道信號對應的物理量。程序設計了數字濾波算法程序，可對各通道信號進行數字濾波處理，減少干擾成分，提高信號的信噪比。軟件開發了各通道信號對比程序，可方便識別不同通道信號的特點。軟件能夠顯示圖像時域參數，當鼠標移動時，窗口上方會同步顯示鼠標焦點所在位置的橫、縱坐標值，通過鼠標框選可實現選定區域的放大顯示。程序具有數據存儲功能，可將提取后的數據及數字濾波后的數據進行存儲，方便后續開展分析工作。程序還增加了參數設置界面，可通過串口訪問主機板的主控單片機，并下傳設定的參數，如果主機板收到設定的增益及時鐘參數，則回饋信息給上位機程序。軟件具備聯機測試功能，該功能需要通過串口將電腦與自動采集系統的通訊端口相連，實現數據的上傳，上位機軟件界面見圖6。

圖6 上位機軟件界面圖

3 功能驗證

通過現場試驗對數據采集系統的功能進行驗證，應變傳感器安裝方式如圖7所示，為反映道路不同層面的應變情況，在道路不同層面安裝應變傳感器；為反映同一層面的道路應變情況，在同一層面間安裝不同傳感器測量道路水平方向拉、壓應變。為保證傳感器的測量精度，傳感器安裝時應保證載荷的作用線與傳感器受力軸線重合，避免產生附加力矩；另外，使用多個傳感器時，傳感器安裝位置的溫度應盡量接近，以減少溫度對傳感器輸出信號的影響。

圖7 傳感器布置示意圖

現場試驗選用一輛4軸貨車(前2軸較輕，后2軸較重)進行道路應變測試，當車輛經過到位感知模塊時，系統自動采集并存儲數據，利用上位機軟件從大容量Flash存儲器中導出測試數據，并選取通道1數據進行如圖8所示的數字濾波處理。

圖8 信號濾波處理前后對比圖

由圖8可見，上位機軟件使用的濾波方式不僅可以去除信號內噪聲，提高信噪比，還能夠有效保留信號的峰谷值。此外，在荷載引起波峰出現前都有一個小波谷，如圖中2，6，10，13點，這是因為荷載靠近傳感器時對道路有一個壓縮過程。從基準線到第一個波谷(1點到2點)是前軸輪載通過時產生的第一個壓應變。從波谷到波峰之間的差值(2點到3點)是前軸輪載產生的第一個拉應變對應的電壓增量。然后從波峰到第二個波谷(3點到4點)是輪胎荷載離開傳感器時引起的應變響應。第4點到第5點則是輪胎荷載離開傳感器時引起的拉伸響應。根據以上分析可知，每個軸產生的最大應變響應的電壓差就是該荷載引起的第一個波谷和第一個波峰之間(2個連續變形點)的電壓差值。故第2、3、4軸產生最大拉應變的電壓差分別對應6點和7點、10點和11點、13點和14點之間的電壓差。由上述變形點的選擇原則，計算出代表響應指標的2個連續變形點的電壓差值后，乘以各通道的轉換系數即得到應變值。

4 結語

1) 本文開發的道路層面響應參數采集系統具備無人值守功能，可實現路基應變參數的自動采集。系統主要包括太陽能充電鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數據采集存儲模塊及上位機分析軟件4個部分。

2) 太陽能充電鋰電池組電源主要為車輛到位感知模塊和數據采集存儲模塊供電，當電池電量不足時，系統自動利用太陽能為其充電，節約了從市區供電所消耗的人力物力，且使系統能不間斷地工作，保證了數據采集的完整性。

3) 車輛到位感知模塊利用激光測距傳感器判斷車輛是否到位，并控制數據采集系統采集數據。數據采集及存儲系統能在接收到車輛到位信號后進入快速采集狀態，并將采集到的數據暫存到SD卡中，在采集空檔時，再存入大容量Flash存儲器內。上位機軟件可以實現數據濾波處理，并轉化為相應的物理量，方便后續應變信息的提取。

4) 試驗驗證結果表明，當有車輛經過時，系統能夠自動判斷并進行數據采集和存儲，上位機軟件可以提取大容量Flash存儲器中的數據，數字濾波后的信號信噪比有提高。

[1] 隋海波,施斌,張丹,等.邊坡工程分布式光纖監測技術研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(2):3725-3730.

[2] 張開洪,李聰,張文會.基于ZigBee和GPRS的嵌入式橋梁健康監測系統[J].重慶交通大學學報,2012,31(6):1116-1120.

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[4] 鄒國平,黃錚,郝國昌.基于PDA高速公路養護數據采集系統設計與實現[J].交通標準化,2007(6):97-101.

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