橋梁預應力傳感器故障的智能檢測應用

韋炳機

（柳州市智能制造科技服務中心柳州市自動化科學研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

隨著我國基礎交通建設的快速發展，拉（吊）索類的橋梁建設方式被廣泛使用在公路橋梁、跨江橋梁及跨海橋梁的建設中。然而，作為橋梁主要受力構件之一的拉索長期處于高強度應力狀態下工作；另一方面，由于風振、雨振等原因，進一步加大拉索的正應力及側張力，長此以往而導致橋梁拉索應力構件產生疲軟、損壞，嚴重者甚至導致橋梁發生重大事故。由此可見，拉索的應力工作狀態儼然已經成為橋梁是否處于安全狀態的重要判斷依據之一。目前，在大體量的預應力檢測應用環境下，現如今在橋梁的預應力測量應用中每年因磁通量傳感器故障而導致磁通量檢測設備燒毀的事件時有發生，所以一種橋梁磁通量傳感器故障的智能檢測裝置對橋梁預應力測量工作具有重要的意義。

本項研究目的是建立基于CAN總線的橋梁磁通量傳感器故障的智能檢測應用裝置，以STC16F40K128微處理器單片機為控制核心，利用CAN總線通信設計實現傳感器通道與磁通量傳感器總線的切換，利用多功能切換電路的設計輔以電阻測量電路、短斷路測量電路實現磁通量傳感器特性的檢測，最后以檢測的結果為主要依據判斷磁通量傳感器是否存在故障。以期望該裝置能為橋梁預應力的檢測提供一種安全的測量技術保障。

1 磁通量傳感器

磁通量傳感器作為應力傳感的敏感器件被廣泛應用于橋梁拉（吊）索的內部應力監測。磁通量傳感器的本質是基于鐵磁性材料的磁彈效應原理制成的磁通量傳感器件[1]，它主要由初級繞組線圈、次級繞組線圈、NTC溫敏元件及空心絕緣套、金屬外殼構成；拉索內部的磁性鋼絞線束從傳感器內部穿心而過，當預應力檢測設備向初級繞組線圈發出脈沖信號能量后，在電磁轉化的作用下使得鋼絞線束的磁化強度（磁導率）發生變化[2]，通過測量次級繞組線圈輸出的變比電壓值就可以間接測量拉索的應力情況。NTC溫敏元件則是起到預應力算法中的溫度補償運算，進一步降低外界溫度對預應力測量的干擾，提高測量的準確性。

2 系統硬件設計

如圖1系統結構框架圖所示利用嵌入式單片機控制核心模塊，多通道ADC測量電路、兩路高精度的0～100歐量程電阻測量電路、一路0～10K歐量程電阻測量電路、短斷路測量電路、磁彈儀測量輸出接口電路、多功能通道切換電路和地址譯碼器控制電路構成的智能測量、切換的功能模塊，系統參數存儲和測量記錄的EEPROM/SD存儲電路模塊，系統電源和隔離電源構成的裝置供電模塊，低功耗IOT/GPRS無線物聯電路和HMI交互屏構成的人機交互輸出模塊以及由9芯地址總線控制電路和PCA82C251接口電路、光隔離電路構成的CAN通信總線兩種總線通信控制輸出模塊設計而成的具有通信控制、磁通量傳感器故障檢測功能的裝置。

圖1 系統結構框架圖

2.1 CAN總線接口電路設計

CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）的簡稱，是目前國際上應用最為廣泛的一種現場總線之一。系統中選擇PCA82C251芯片作為CAN協議控制器和物理總線之間的接口芯片，利用它向總線提供差動的發送能力和向CAN控制器提供差動的接收能力。為了進一步提高CAN總線通信的可靠性與穩定性，CAN總線通信接口電路采用光耦隔離、電源隔離及防雷電路技術共同設計。如圖2所示為CAN通信總線傳輸速率為100Kbit/S，傳輸距離為400 m的高可靠通信設計，圖中電路采用斜率控制模式，斜率電阻R3取47K設計以提高總線通信的抗射頻干擾能力，總線通信采用高速的HCPL0600光耦設計為通信節點做電氣隔離，而防雷管B3D090L及雙向抑制管的電路設計為CAN通信總線提供安全的感應電壓泄放回路。

圖2 CAN總線接口電路圖

2.2 微處理器

本設計是采用宏晶公司新出的STC16F40K128嵌入式微處理器作為主控芯片，其主頻高達40 MHz，是一款超強抗干擾/高速/低功耗的16位8051內核的高性能微處理器。STC16F40K128具有4路UART、15通道的12位高速ADC、CAN協議控制器、USB2.0控制器及LIN控制器等豐富的外設接口，能滿足系統的設計需求。

3 系統軟件設計

系統軟件分上位機軟件編程和微處理器單片機的軟件編程，上位機軟件編程包括觸摸屏的HMI界面編程和遠程PC機的控制軟件程序，它們的功能主要是為用戶提供CAN總線輸出控制的指令發送以及系統參數配置的人機交互界面。微處理器單片機的軟件編程主要實現的是將人機交互部分發送出的控制指令轉化發送及執行控制指令功能。微處理器單片機的軟件功能主要由以下幾個部分構成：系統初始化；操作控制指令的執行，磁通量傳感器故障的測量工作；系統參數更改的寫入操作。具體工作流程如圖3所示。

圖3 軟件工作流程圖

4 結語

文章主要介紹了橋梁磁通量傳感器故障智能檢測的硬件構成、電路設計及軟件設計方法。其主要包括CAN總線接口電路設計，磁通量傳感器特征檢測電路設計及軟件實現方法的控制流程設計；該設計具有CAN總線服務、自動識別磁通量傳感器故障、智能使能磁通量安全測量工作等功能，這些功能為解決橋梁預應力檢測工作中存在的檢測設備使用安全隱患提供了技術支持。目前該裝置已經被應用于多座拉（吊）索大橋的拉索預應力檢測工程及“中國天眼”射電天文望遠鏡的主索索力預應力監測工程，應用結果表明該系統能夠保障預應力檢測設備不受磁通量傳感器故障的影響，具有較高的市場推廣價值。