基于stm32與加速度傳感器的動位移無線測量方法

孫英寧

摘 要：為了滿足結構動位移測量要求，設計一套基于 STM32 的嵌入式動位移無線測量系統。該系統以STM32L151C8T6芯片為核心控制器，結合電容式MEMS加速度傳感器ADXL355。使用頻域積分方法，在實驗室和某人行橋上進行了實驗。實驗室中通過改變采樣頻率進行測量，結果表明該系統應用于結構動位移測量時精度隨著采樣頻率的增大而增大。某人行橋上的動位移實驗效果較好，可見使用該方法進行結構動位移測量是完全可行的。

關鍵詞：動位移；無線測量；嵌入式編程；加速度傳感器；頻域積分

中圖法分類號U442；文獻標志碼B

對橋梁結構而言，動位移是一個非常重要的數據，是評定橋梁結構承載能力、汽車行駛安全性的一項重要指標[1]。從動位移的數值分析中可以直接反映橋梁結構的豎向整體剛度和結構內力分布狀態。從而對橋梁的薄弱部位進行判斷以及檢查結構的整體性。在橋梁鑒定、危橋改造和新橋驗收等方面都需要準確測量橋梁的靜、動位移值[2]。橋梁結構動位移的測量方法有接線式電阻（感、容）位移計、激光撓度測試儀、慣性式位移測試儀等[3]，前兩種測量方法要求有一個固定不動的參考點以便進行測量，但是對于很多橋梁，由于受使用條件和環境的限制，這些測試方法往往耗時長，效率較低。一般情況下，測試橋梁結構的加速度信號比較方便。用加速度計測量橋梁的加速度，再通過兩次積分，求得橋梁撓度的加速度測量方法，目前已得到眾多研究者的關注。

對于采集到的加速度信號，要得到位移，目前主要有兩種方法，第一種方法是通過硬件積分[4]，第二種方法是軟件積分。硬件積分通過積分電路實現各參量之間的轉換，但是電子元器件的性能參數具有較大的離散性，若匹配不好，容易在積分后產生畸變。近年來隨著計算機技術的發展，人們更傾向于研究軟件積分方法。軟件積分目前主要有兩種方法：時域積分和頻率積分。其中時域積分是直接對加速度信號進行二次積分，從而得到位移信號，這種方法形式直觀。但是在實際中采集到的加速度信號不可避免都會包含直流分量和噪聲，時域積分過程中會產生趨勢項，嚴重影響積分結果。因此本文采用頻域積分方法將嵌入式動位移測量系統采集到的加速度信號進行積分，從而得到位移信號。

1頻域積分原理分析

頻域積分時先對信號做傅里葉變換，然后再進行積分。加速度信號在任一頻率的傅里葉分量可以表示為[5]：

（1）

由傅里葉變換的積分性質：

（2）

當初速度分量為0時，對加速度信號分量的時間積分可得速度信號分量：

（3）

初速度和初位移均為0時，對加速度信號的傅里葉分量兩次積分可得位移分量：

（4）

其中，。

2動位移無線測量系統硬件設計

要實現動位移無線測試系統的嵌入式開發，將該系統分為三個模塊進行設計：基于STM32的微處理單元；加速度傳感器模塊；無線傳輸模塊。其中，基于STM32的微處理單元主要實現與加速度傳感器模塊和無線傳輸模塊的通訊，通過嵌入式指令使兩個模塊按照既定的流程進行工作。加速度傳感器模塊主要實現加速度信號的采集。無線傳輸模塊主要實現以該動位移無線測試系統作為服務器，將加速度傳感器模塊采集到的數據發送到上位機中。

基于STM32的微處理單元采用意法半導體推出的STM32L151C8T6，是基于Coretex-M3內核的32位ARM芯片系列。

加速度傳感器模塊利用帶數字輸出的3軸電容式MEMS加速度傳感器ADXL355測量的加速度信號進行動位移測試，它具有性能穩定，輸出的低噪聲、低漂移、低功耗等特點。

無線傳輸模塊采用支持WIFI@2.4GHz 802.11b/g/n無線標準的低功耗高性能WIFI模塊USR-C322，內置超低功耗運行機制，可以有效實現模塊的低功耗運行；支持WiFi協議以及 TCP/IP 協議。

嵌入式動位移無線測量系統硬件架構如圖1所示。

3嵌入式動位移無線測量系統實驗驗證

3.1實驗室實驗結果分析

為了驗證該嵌入式動位移無線測量系統的準確性，在實驗室中通過MTS試驗機的位移加載，與提出的動位移測量方法進行對比。實驗室現場如圖2所示。

圖3為不同加載頻率下嵌入式動位移無線測量系統的測量誤差-采樣頻率關系曲線。

由圖3可以看出，隨著采樣頻率的增大，嵌入式動位移無線測量系統的誤差減少。

3.2 某人行橋實驗結果分析

為了進一步確定該方法的可行性，使用該系統到某人行橋，與晶明科技開發的無線振動測試系統進行對比性實驗。

在人為激勵的情況下同時使用兩個系統進行位移測量。

本文的嵌入式動位移無線測量系統位移-時間曲線如圖4所示。

JM3872無線振動節點位移-時間曲線如圖5所示。

從圖4和圖5的結果對比示意圖可以看出，兩條曲線吻合的很好。

參考文獻

[1]何先龍，楊學山，趙立珍.一種新的高速鐵路橋梁動撓度測試方法[J].測控技術，2014，33（07）：50-53.

[2]徐亞立.橋梁撓度測量方法的探討[J].鐵道建筑，1996（6）：32-33.

[3]袁向榮.橋梁動撓度計算的加速度積分方法[J].廣州大學學報（自然科學版），2007（1）：75-78.

[4]徐慶華.試采用FFT方法實現加速度、速度與位移的相互轉換[J].振動、測試與診斷，1997，17（4）：30-34.

[5]王濟，胡曉.MATLAB在振動信號處理中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

（作者單位：華南理工大學）