基于磁耦合共振的無源無線路橋應變監測系統研究

摘" 要：針對傳統混凝土構件應變監測中存在的問題，提出一種基于磁耦合共振的無源無線路橋安全智能監測系統。該系統整合磁耦合共振取電、應變傳感器及無線通信技術，實現構件應變的非接觸式無線采集傳輸，克服傳統監測方法依賴外接電源或電池供電的局限性，確保傳感器在構件內部的長期無源工作能力，提高應變監測的持續性和可靠性。實驗測試系統的電能傳輸距離、效率及障礙物穿透能力等，表明該系統能及時準確采集構建內部應變數據，為路橋結構安全監測提供一種高效的解決方案。

關鍵詞：混凝土構件；磁耦合共振；無線輸電；應變監測；LoRa

中圖分類號：TP274+.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0058-05

Abstract： Aiming at the problems existing in traditional strain monitoring of concrete members， a passive wireless intelligent road and bridge safety monitoring system based on magnetic coupled resonance is proposed. The system integrates magnetic coupled resonance power harvesting， strain sensors and wireless communication technology to realize contactless wireless collection and transmission of component strain， overcome the limitations of traditional monitoring methods relying on external power supplies or battery power supply， and ensure that the sensor is inside the component. Long-term passive working ability improves the continuity and reliability of strain monitoring. Experiments were carried out to test the system's power transmission distance， efficiency and obstacle penetration ability， which showed that the system can collect and construct internal strain data in a timely and accurate manner， providing an efficient solution for road and bridge structural safety monitoring.

Keywords： concrete component; magnetic coupled resonance; wireless transmission; strain monitoring; LoRa

隨著我國基礎建設的不斷完善，橋梁與高速公路的基建需求日益增長。橋梁、高速公路的混凝土構件內部應力與結構安全直接相關。目前，路橋施工大多采用混凝土預制構件批量生產、施工現場統一裝配的方式。對混凝土構件內部結構的應變檢測是路橋結構施工、運輸安裝、運維檢修和荷載試驗中的重要環節[1]。

傳統的應變監測需要采用外接電源或者電池進行供電運行，只能做到將應變傳感器本體埋入混凝土預制件內，而把與之連接的供電以及數據線纜留在預制件外，這樣僅僅能在工程建設周期（3個月）里通過臨時外接電源和檢測儀表的方式查看應變情況，既存在無法有效供電或者電池耗盡失效的問題，也有著器件老化以及可靠性降級失效的問題[2]，無法滿足構件長期運維檢測的工程化需求，一旦發生事故將造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。

針對上述問題，本文提出利用磁共振原理傳輸電能[3]，采用非接觸式無源無線傳感技術來檢測路橋預制件內部結構應變的監測方案。該方案將磁耦合共振取電、高耐久性應變傳感器技術和無線通信技術集成優化為無源無線應變傳感器，將其埋入混凝土預制件內，在混凝土構件外通過磁共振式數據采集裝置激發磁共振來無線傳遞電能，將構件內部應變傳感器激活運行，以非接觸方式獲取傳感器采集到的應變數據，同時將應變數據無線遠傳到數據監測中心集中處理，通過大數據分析獲得路橋應變的統計規律信息，從而為路橋的維護維修和管理決策提供依據與指導。

1" 磁耦合共振電能傳輸

磁耦合共振電能傳輸是基于能量諧振耦合通過高頻電磁場實現能量的傳遞，主要包含發射端和接收端2個部分。發射端和接收端都包含有特定頻率的諧振線圈，當發射端的諧振線圈被激勵時，它會產生一個特定頻率的電磁場，此時如果接收端的諧振線圈的頻率與發射端相同，那么2個線圈之間會發生磁耦合。在磁耦合的作用下，發射端的電磁場會在接收端產生感應電流，從而實現電能的無線傳輸。在共振狀態下系統能夠不受空間位置和障礙物的影響，并擁有較高的能量傳輸效率，可實現中距離高效的電能傳輸[4]。磁耦合共振電能傳輸原理如圖1所示。

基于磁耦合共振的無源無線路橋安全智能監測系統發射線圈集成于磁耦合共振輸電激勵裝置中，接收線圈集成于無源無線應變傳感器中。系統工作時，高頻電源輸出高頻交變電流至發射線圈處，通過阻抗匹配器使接收線圈與發射線圈發生耦合共振，實現電能從發射線圈到接收線圈的無線傳輸。接收線圈接收的電能經整流濾波后給應變傳感單元和無線數據傳輸單元供電，將應變檢測數據上傳至數據中心。

2" 無源無線路橋監測系統架構

基于磁耦合共振的無源無線路橋安全智能監測系統將磁耦合共振取電、低功耗以及無線通信技術集成優化為無源無線應變傳感器，傳感器在施工時埋入混凝土構件內，監測構件應變時，在構件外通過磁耦合共振式數據采集裝置激發磁共振來無線傳遞電能，將構件內部的應變傳感器激活運行。應變傳感器將監測到的應變數據及ID信息以無線方式發送給數據采集裝置，數據采集裝置將應變數據無線遠傳至數據監測中心集中處理。數據中心通過大數據分析獲得路橋運維信息，項目總體方案架構如圖2所示。

2.1" 無源無線振弦應變智能傳感器

無源無線振弦應變智能傳感器由振弦應變傳感器本體和核心主控單元、磁耦合共振取電單元、應變傳感單元和無線傳輸單元集成。其中磁耦合共振取電單元、核心主控單元以及無線數據傳輸單元集成封裝為數據采集控制單元，并通過電纜與振弦傳感器本體連接。磁耦合共振取電單元通過無線方式獲取電能，對核心主控單元供電，主控單元驅動無線傳輸單元以及應變傳感單元進行工作。

2.1.1" 振弦應變傳感器本體

振弦應變傳感器由一根張拉在2個端塊之間的鋼弦和振蕩放大電路組成。端塊緊密地與被測混凝土貼合，混凝土的變形可以完全反應至兩端塊，使兩端塊之間發生相對移動，并導致鋼弦的張力發生變化。這種張力的變化使鋼弦的固有諧振頻率亦發生變化，通過電路檢測該固有諧振頻率的變化可以測量混凝土內部的應力應變的變化值。

在電壓激勵下，振弦按其固有頻率振動。改變振弦的張力F，可以得到不同的振動頻率f，即張力與諧振頻率的平方成線性關系。

振弦的振動頻率可由以下公式確定

f===

式中：S為振弦的橫截面積；ρv為振弦的體密度（ρv=ρ/s）；Δl為振弦受張力后的長度增量；E為振弦的彈性模量；σ為振弦所受的應力。當振弦傳感器確定以后，其振弦的質量m，工作段的長度L，弦的橫截面積S，體密度ρv及彈性模量E隨之確定。由于振弦所受應力的作用使得弦長有所變化，而弦長的變化可改變振弦的固有振動頻率，由于E×Δl正比于應力，因此只要測得振弦的振動頻率就可以測得混凝土應變量。

2.1.2" 核心主控單元

核心主控單元采用STM32L1低功耗微控制器。STM32L1控制器基于Cortex-M3內核，具有動態電壓調節功能，集成有高速嵌入式存儲器及各種增強型I/O和外設，可以滿足系統對振弦應變檢測、磁耦合共振取電及應變數據無線傳輸的需求。

2.1.3" 磁耦合共振取電單元

磁耦合共振單元包含一套諧振線圈及電源管理電路。取電單元諧振線圈與發射端的諧振線圈形成一對耦合諧振系統，當發射端的線圈產生高頻交變磁場時，接收端線圈通過磁耦合作用感應出電流，經整流、濾波處理后轉換為適合負載使用的低壓直流電[5]。磁耦合共振取電電路原理如圖3所示。

2.1.4" 應變傳感器單元

應變傳感器單元工作時由激振電路驅動電磁線圈，當信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，弦絲迅速達到共振狀態，振動產生的感應電動勢通過檢測電路濾波、放大、整形送給主控單元，主控單元根據接收的信號，通過軟件方式反饋給激振電路驅動電磁線圈。通過反饋，弦絲能在電磁線圈產生的變化磁場驅動下在本振頻率點振動。當激振信號撤去后，弦絲由于慣性作用仍然振動。單片機通過測量感應電動勢脈沖周期，測得弦絲的振動頻率，根據頻率與應變的線性關系，最后即可測得待測結構的應變信息。應變檢測電路原理圖如圖4所示。

2.1.5" 無線數據傳輸單元

無線數據傳輸單元采用支持LoRa協議的Semtech SX1278模塊設計。Semtech SX1278模塊支持廣播透傳和星型協議組網協議，內部自動擴頻計算和前導CRC糾錯處理，具有傳輸距離長、低功耗和抗干擾能力強的特點。振弦應變傳感器設置為LoRa終端節點，振弦應變傳感器被激勵工作時通過Join-Request命令向網絡服務器發起入網請求，網絡服務器收到入網請求確認無誤后向終端發送Join-Accept命令，并為終端分配一個唯一的32位網絡地址（DevAddr），同時生成NwkSKey和AppSKey，用于入網后應變數據的傳輸加密和校驗[6]。LoRa節點組網流程如圖5所示。

2.2" 磁耦合共振輸電激勵裝置

磁耦合共振輸電激勵裝置主要由發射線圈和激勵電路組成。激勵電路主要包括直流穩壓、高頻逆變和諧振補償幾個部分，磁耦合共振輸電激勵裝置電路如圖6所示。

磁耦合共振輸電激勵裝置輸入直流電源，經過直流穩壓電路穩壓后，輸出穩壓電流至高頻逆變電路，經高頻逆變電路后將直流電轉變成高頻電壓給發射線圈提供高頻正弦波電流，最后經諧振補償電路將電能通過發射線圈與接收線圈傳輸到接收端電路，在諧振補償電路中設置一定的電容、電感以形成諧振，并對諧振的頻率進行跟蹤與補償。

2.3" 磁共振數據采集裝置

磁共振數據采集裝置主要用于采集多個振弦應變傳感器傳輸的應變數據信息，并對數據處理后將應變信息直接上傳至云端服務器。

磁耦合共振式數據采集裝置主要由核心控制單元、數據接收單元、數據傳輸單元和供電單元組成。核心主控單元采用STM32L1低功耗微控制器，用于對測控終端進行電源管理、時序控制等。數據接收單元采用Semtech SX1278模塊設計實現LoRa無線網關的功能，它位處LoRa星形網絡的核心位置，是應變傳感終端和云服務器之間的橋梁，負責接收振弦應變傳感器終端發送的路橋內部應變數據，并對數據進行處理和轉發，實現數據在終端設備和云端服務器之間的雙向傳輸[7]。數據傳輸單元通過 GPRS網絡把振弦應變傳感器應變數據傳輸至云端控制中心。LoRa協調器組網流程如圖7所示。

2.4" 數據監測中心

數據監測中心由監控平臺、主服務器和通信服務器組成。監控中心通過數據專線和防火墻接入Internet，直接與移動互聯網接入的路由器之間建立虛擬連接，移動互聯網接入服務器與GGSN網關連接，從而實現監控中心與數據采集裝置之間的通信。主服務器包括數據庫和地理信息服務器，主要負責采集數據的分析和處理，以及地理信息系統的維護和更新等；通信服務器主要負責接入到移動網絡（CMNET）并連接到 GGSN網關[8]。監測中心的總體架構如圖8所示。

3" 測試試驗

本系統在實驗室研制并搭建了試驗樣機，對空氣介質中無線電能傳輸距離、無線電能傳輸障礙物穿透性和無線電能傳輸效率進行了試驗驗證。

在進行測試前，首先將磁耦合共振輸電激勵裝置的正面與磁耦合共振應變傳感器的正面呈對立平行放置，如圖9所示。將磁耦合共振式數據采集裝置與云平臺服務器建立物聯網連接，打開磁耦合共振輸電激勵裝置開關。

在磁耦合共振無線電能傳輸距離試驗時，分別控制磁耦合共振輸電激勵裝置與磁耦合共振應變傳感器之間的距離為5、10、15、20、25 和30 cm，觀察云平臺服務器顯控界面應力數據。測試過程中同時分別測量磁耦合共振輸電激勵裝置和磁耦合共振應變傳感器電路中的電流和電壓并計算傳輸效率，系統傳輸功率測量結果見表1。

在磁耦合共振無線電能傳輸障礙物穿透性測試時，分別在磁耦合共振輸電激勵裝置與磁耦合共振應變傳感器之間放置厚度為2、3、5、8、10、13 和15 cm的混凝土板，觀察云平臺服務器顯控界面應力數據。試驗平臺如圖10所示。

在上述測試過程中，云平臺服務器可以穩定接收并顯示應變傳感器發送的應變數據，并可對應變檢測傳感器的歷史應變數據進行統計查詢，如圖11、圖12所示。系統不僅能為路橋健康狀況評估提供依據，而且能為路橋的維護維修和管理決策提供依據與指導。

4" 結束語

將磁耦合共振取電、低功耗以及無線通信技術集成優化為磁耦合共振應變傳感器，在混凝土構件外面通過磁耦合共振輸電激勵裝置激發磁共振來無線傳遞電能，從而實現非接觸式無源無線應變檢測，這種方式解決了傳統混凝土應變監測需要采用外接電源或者電池進行供電的問題。通過定期檢測構件內部應變情況，對路橋的健康狀況、結構安全可靠性進行評估，可以保證路橋的安全運營，徹底消除人工監測的滯后性和低效性，具有重要意義。

參考文獻：

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