基于電阻探針的懸索橋主纜腐蝕監測傳感器設計

1 引言

主纜是懸索橋的主要受力構件，承受橋梁的全部荷載，且在大橋的整個使用期內不易更換[1-4]。 在大氣腐蝕環境和荷載作用下，隨著時間的推移，纜索鋼絲及其防護層不可避免地產生腐蝕與損傷，縮短橋梁的使用壽命，更使得橋梁的安全可靠性評價出現困難[5-8]。 因此，為保障橋梁的結構安全及預防運營事故的發生，有必要對橋梁纜索進行腐蝕在線監測，從而保障橋梁的全壽命安全。 本系統提供了一種橋梁纜索腐蝕全天候在線監測服務，可全天候在線實時監測橋梁纜索腐蝕速率、溫度、濕度、氣壓等狀態，實現對橋梁纜索服役過程中多方位腐蝕數據的在線采集和及時預警。

2 整體設計方案

電阻探針法是一種反應靈敏、應用靈活的腐蝕監測方法，在測量過程中， 傳感器內部電路實時監測電阻探針的阻值的變化，從而計算出測量范圍內的腐蝕狀態[9-11]。在懸索橋主纜的腐蝕監測上，考慮到主纜內部應用環境、技術成熟程度以及安裝便捷性，采用電阻探針法以及LoRa 無線通信的方式進行主纜腐蝕監測的設計。本設計中電阻探針結構如圖1 所示，將其安裝于懸索橋主纜的氣夾內部，電阻探針材質與主纜鋼絲相同。

圖1 電阻探針結構

電阻探針結構分為兩部分，一部分為測量電阻Rx，另一部分為參考電阻Rf，其中Rx暴露于測量環境中，Rf為密封狀態，在工作時，將A、F 兩端接通恒定電流，同時測量Rx與Rf兩端的電壓值，在進行計算可得出鋼絲的剩余半徑及腐蝕速率。

式中，Vx為待測電阻兩端B 和C 的電壓；Vf為參考電阻兩端D和E 的電壓；λ 為被測電阻與參考電阻的比值；R（B-C）為節點B、C 之間電阻(被測電阻)；R（D-E）為D 到E 之間電阻（參考電阻）。

由于相同材質的電導率相同，因此得式（2）：

式中，ρ 為電阻探針的電阻率；Sx為被測電阻絲的截面積；Sf為參考電阻絲的截面積；Lx，Lf分別為被測電阻絲和參考電阻絲的長度；rx，rf為被測電阻絲和參考電阻絲的半徑，前者會隨腐蝕進行而逐漸減小，參考電阻絲由于處于封閉的探頭內，其值不會改變。

t 時刻有式（3）：

因此，t 時刻Rx腐蝕剩余半徑為式（4）：

腐蝕速率為式（6）：

為了更清晰地反映出主纜內部環境狀況， 本設計集成溫濕度、壓力監測功能進行多參數測量。

懸索橋主纜腐蝕監測系統主要包括腐蝕監測傳感器、LoRa模塊、以太網交換機等部分，見圖2。 系統結構主要分為3 層。

圖2 懸索橋主纜腐蝕監測傳感器拓撲網絡結構

第一層為數據采集層。 該層由眾多腐蝕監測傳感器組成，實時采集懸索橋主纜內部腐蝕、溫度、濕度以及壓力數據，同時通過LoRa 無線通信方式將數據發送給上層的LoRa 集中器，實現數據的上傳。

第二層為數據傳輸層。 該層由LoRa 集中器、以太網線纜以及交換機組成，進行主纜內部監測數據的傳輸。 其中LoRa集中器與LoRa 模塊構成無線mesh 網絡， 可自由進行網絡拓撲的變化，保證數據傳輸的穩定性。

第三層為數據解析層。 該層由監控上位機組成，通過以太網接收數據并進行數據的解析， 通過數據可視化技術將懸索橋主纜各監測點數據進行展示， 對于異常數據可進行報警處理，支持數據報表的生成與管理。

3 硬件設計

腐蝕監測傳感器以STM32F107VCT6 為主控核心， 采用模塊化結構，由腐蝕測量電路、壓力測量電路、溫濕度測量電路、LoRa 收發電路以及電源電路等部分構成，如圖3 所示。

圖3 腐蝕監測傳感器硬件結構

3.1 主控電路

主控電路如圖4 所示，核心采用STM32F107VCT6 芯片，該芯片工作頻率為72 MHz，內部的分頻器和倍頻器可以為系統提供多個時鐘，具有功耗低、運行速度快、穩定性高等特點，以及關機、休眠和待機3 個工作模式，內置了256 kB 容量的FLASH ROM 和64kB 容量的SRAM，擁有UART、I 2 C、SPI、ADC、CAN 總線、IO、 中斷等多個片上資源， 芯片支持JTAG和SWD 接口程序下載和調試，且操作簡單。 為了給壓力傳感器ADC 測量提供基準電壓， 電路中采用LT1790-2.5 基準電源芯片進行了設計。J8 為腐蝕監測模塊接口，包含用于腐蝕測量的SPI 通信總線、 控制線、 電源線等，PB6、PB7 設置為IIC接口，用于溫濕度傳感器的數據通信，U3 為LoRa 無線通信模塊，采用YL-800MN-2W 模塊進行長距離無線mesh 通信，接口設置為UART1，波特率為9 600 bit/s。J7 為在線下載調試接口，采用SWD 方式進行程序下載與調試。

圖4 主控電路設計

3.2 腐蝕測量電路

圖1 中腐蝕監測探頭接線端A、B、C、D、E、F 分別連接于圖5 中J1 接線端的Ii+、Va+、Va-、Vb+、Vb-、Ii-。其中Ii+、Ii-端通過高精度電流源輸出的可調電流，使腐蝕探頭內Rx、Rf兩端產生電壓，Rx電壓測量端為Va+、Va-，Rf電壓測量端為Vb+、Vb-。 腐蝕測量電路如圖5 所示， 本設計中電流源采用LT3092xST 芯片， 其為一款可編程兩端電流源芯片， 可輸出0.5~200 mA 的電流， 電流輸出大小可經過Vdac 引腳進行調節，其中Vdac 引腳接入主控模塊輸出的可調電壓。 同時設計場效應管對電流的啟停進行控制，控制端為Ctrl 引腳，由主控模塊輸出高低進行電平控制。 測量電路部分包括前級放大電路、濾波電路，前級放大電路將微弱電壓信號進行放大，便于后續電壓采集，本設計中前級放大電路采用AD620，其為一款高精度儀表放大器，增益范圍為1~10 000，可通過外置電阻設置增益大小，計算公式為G=1+49.4kΩ/Rg（式中，G 為AD620芯片的放大增益；Rg為AD620 芯片外置放大電阻），此處設置增益大小為100。 濾波電路部分采用Sallen-Key 低通濾波器，設置截止頻率為10 Hz，濾除外界高頻噪聲的干擾，最終將模擬信號輸送給AD 采集芯片進行測量。

圖5 腐蝕測量電路（1）

腐蝕測量電路的模數轉換如圖6 所示， 模擬信號采集芯片采用ADS1262，該芯片為一款32 位精密數模轉換器，內部集成PGA、電壓基準和內部故障監視器，具有低噪聲、低漂移、 高采樣率的特點。 與主控模塊之間采用SPI 方式進行通信，設置AIN1 與AIN2 引腳分別采集經過放大、濾波后的腐蝕探針上的電壓， 內部寄存器INTERFACE、MODE0、MODE1、MODE2 分別配置為0×05、0×13、0×00、0×04。本設計中采用的OP4177 芯片需要±5 V 供電，因此，選用ICL7660 小功率極性反轉電源轉換器提供-5 V 的電壓輸出。

圖6 腐蝕測量電路（2）

3.3 溫濕度測量電路

溫濕度測量電路如圖7 所示， 采用SHT31 傳感器芯片，SHT31 數字溫濕度傳感器模塊是新一代溫濕度傳感器， 可以寬電壓2.4~5.5 V 供電，采用IIC 通訊，通信速度高達1 MHz，相對濕度精確度為±2%， 溫度精確度為0.3 ℃， 工作電流為800 μA ，配置通信地址為0×44。

圖7 溫濕度測量電路設計

3.4 壓力測量電路

壓力測量電路如圖8 所示， 輸入端口為4~20 mA 電流接口，連接QDW90A 擴散硅壓力傳感器輸出接口，接口內部串聯150 Ω 電阻，電壓范圍0.6~3 V。 測量電路采用LM324 運算放大器進行構建，其中U2A、U2B 構成電壓跟隨器，增強信號的負載能力，提高測量信號的穩定性，此外，還可通過RV1 可調電阻進行信號的校準設置。 利用U2C 構成可調放大器，其放大倍數可通過RV2 可調電阻進行調節。

圖8 壓力測量電路設計

3.5 電源電路

電源電路設計如圖9 所示， 為方便腐蝕監測傳感器在主纜上的安裝，在電源設計上采用橋梁主纜上便于連接的220 V交流電作為接入端，采用HLK-PM01 進行AC-DC 的轉換，該模塊輸出電壓為5 V，提供3 W 功率的輸出，輸入輸出隔離可達3 000 VAC。 為滿足主控模塊的3.3 V 供電需求， 采用AMS1117-3.3 低壓差線性穩壓器對5 V 電壓進行降壓。

圖9 電源電路設計

4 軟件設計

腐蝕監測傳感器軟件采用C 語言編程及模塊化程序設計， 編程、 調試環境采用Keil uVision 5， 軟件程序主要包括GPIO 初始化、UART 初始化、DMA 初始化、ADC 初始化、IIC初始化、DAC 初始化、SPI 初始化、ADS1262 初始化、腐蝕度采集程序、溫濕度采集程序、壓力采集程序、濾波程序、無線發送程序等。 傳感器上電啟動后首先進行硬件初始化配置，根據內部存儲的參數進行傳感器軟件配置， 隨后進行溫濕度、 腐蝕度、壓力值的測量，利用測量值進行數據的處理，包括溫濕度數值的換算、腐蝕速率的計算以及ADC-壓力值的換算，以上數據經過濾波程序去除干擾，進行本地存儲。 根據是否接收到數據請求或參數配置請求執行相應的數據發送程序或參數配置程序， 數據無線發送程序向串口發送包含溫濕度、 腐蝕速率、壓力值數據的modbus 協議，LoRa 無線收發模塊接收到數據后向上級LoRa 集中器進行發送；參數配置程序可以根據上位機發送來的參數更新傳感器的配置參數，包括采集頻率、時鐘參數、波特率、設備啟停等。 軟件流程圖如圖10 所示。

圖10 軟件流程圖

5 應用測試

為了測試腐蝕監測傳感器， 在懸索橋主纜模型上搭建實驗平臺，并將腐蝕監測傳感器安裝于主纜通信箱內，通信箱內還包括浪涌保護器、斷路器、泄氣伐等器件，通信箱安裝于主纜進氣夾或出氣夾段的扶手繩上， 電阻腐蝕探針安裝于氣夾內，溫濕度傳感器與壓力傳感器安裝于通信箱氣體管道內，如圖11 所示。 圖12~圖15 為傳感器測試數據， 測試時間為30天， 測試表明該傳感器可以穩定運行并實現較為準確的懸索橋主纜腐蝕數據監測。

圖11 腐蝕監測傳感器的安裝測試

圖12 溫度測試數據

圖13 相對濕度測試數據

圖15 腐蝕速率測試數據

6 結論