智能应变测试传感器研究

刘志平 姚 翔 万 当 李 丽

（武汉理工大学物流工程学院1） 武汉 430063） （河南省济源职业技术学院机电系2） 济源 454000）

0 引 言

应变测量是获得结构强度信息的主要测试手段，许多应用领域，包括大型机械金属机构、土木结构以及桥梁等，均对其结构的强度和测试方法有明确的要求.以大型金属结构（如大型起重机械）为例，传统的应变测试系统需要铺设大量导线，进行现场区域的静动态强度测试.文献［1－4］设计了一些无线静态或动态应变测试传感器节点，摆脱了导线的羁绊，但信号精度及稳定性，特别是无线传输性能（传输距离、绕射能力等）限制了其在大型金属结构的应用.

本文基于时间－数字转换器的应变测试原理，采用德国ACA M公司的PSΦ21芯片和上海捷波通讯公司的GPRS DTU设计了一种智能应变测试传感器，该传感器具有结构简单、测试精度高、传输距离不受限制及易于扩展等特点.介绍了传感器组成及软硬件设计，并对该传感器的性能进行了试验验证.

1 基于TDC的应变测试原理

在传统的应变测量中，采用电阻应变计构成电桥测量，测量信号经过放大并通过A／D转换器转换成数字信号.特点表现在：（1）结构相对复杂.典型的测量电路通常需要由信号调理放大电路、滤波器及A／D转换器组成；（2）匹配电阻的精度要求高.为满足桥路电阻值匹配，需要使用精度较高的电阻；（3）桥压调节、温度补偿、增益补偿复杂，多采用添加补偿电阻的机械调整方式；（4）功耗高.测量桥路在3 V供电的情况下，自身就要有3 mA的电流消耗或者更多［5］.TDC测量原理采用不同于传统测量的方法.应变电阻的变化通过时间间隔的测量来求出，而不是像惠斯通电桥通过电压变化来求得.TDC的测量原理如图1所示：应变电阻器R1，R2与电容器C1一起构成了一个RC低通滤波器.电容器先充电到Vcc，然后，通过应变电阻器进行放电.放电到阀值电压Vtrig的时间τ由TDC精确地测量出来.传感电阻的变化反映为放电时间τ的变化，TDC测量精度可以达到相当于24位A／D的转换精度.

2 智能应变测试传感器硬件设计

基于PSΦ21和GPRS DTU技术设计并制作了金属结构智能应变测试传感器.传感器的组成结构如图2所示.其工作原理如图2所示，测量电路由2路半桥电路组成，通过PSΦ2 1进行TDC测量，采用SPI总线与单片机进行数据传输，单片机与GPRS DTU之间采用串口连接，再通过GPRS DTU将采集的数据传送到远程固定IP服务器.

图1 TDC测量原理

图2 智能应变测试传感器工作原理

2.1 采集模块外围电路

PSΦ21外围电路非常简单，电子器件均为标准件.PSΦ21接口电路如图3所示，智能传感器测量系统不需要一个完整的全桥，半桥电路测试精度就已经足够，2个电阻与1个电容一起构成1个低通滤波器，最多能接2个全桥或者4个半桥.比较器对于测量精度有明显影响.通常使用双极性比较器电路就可达到非常好的测量质量.为了达到最佳测量范围，电容放电时间设置在50～60 μs范围内，同时选择合适的电容值以及材料.应变电阻和电容值推荐值为1 kΩ／68 n F，350Ω／220 n F.电容器材料应为多层陶瓷、COG／NPO陶瓷、聚苯乙烯、聚碳酸酯纤维等［5］.

图3 采集模块外围电路

2.2 GPRS DTU接口电路

为实现数据在公网内的无线传输，传感器采用上海捷波通讯公司的GPRS DTU（JB4001－1）和SILICON LABS公司的C8051F920单片机，GPRS DT U与单片机之间通过UART串口进行数据传输.此外，单片机还能控制GPRS DTU电源的开关Q5，实现按需传输数据的目的，降低传感器的功耗.再考虑数据大流量问题时，可在监测应变数据变化不大的情况下，通过单片机对前端接收数据进行压缩，再由GPRS DTU发送，以减小数据流量资费.其接口电路如图4所示.

图4 GPRS DTU接口电路

2.3 电源设计

该智能传感器能使用多种供电模式：（1）锂电池供电模式；传感器自带电源监测功能，在电压不足时报警，也可利用短消息在传感器未工作时控制单片机切断DTU电源，节省电池能量；（2）外接有源供电模式；传感器内设AC／DC（220～12 V）模块，使得外接电源电压范围较广，满足长期监测的电源要求.传感器电源电路原理如图5所示.

图5 电源模块电路原理图

3 智能应变传感器软件设计

3.1 PSΦ21测量流程及软件设置

应变传感器在工作前要对PSΦ21芯片各寄存器进行设置，以满足采集数据精度的要求.在应变测试的情况下，需要考虑增益误差补偿、温度补偿测量、Offset补偿、热身测量等，其它寄存器均为默认值.PSΦ21测量流程如图6所示，增益误差补偿分为：标准补偿和分别进行补偿.标准补偿是附加一次额外循环测量；为提高测量精度时采用分别进行补偿，其用到2个额外的电阻，2个电阻分别接到放电电容输入端，寄存器Sep Gain＝“1”启动分别补偿，一次分别补偿往往需要在正常测量后3次额外的测量.寄存器Temp Rate＝“1”启动温度测量，在一次应变电阻测量后进行一次，需要2个周期.Offset补偿需要测量在没有负载情况下的桥的offset，设置寄存器1的＝“0”，在高平均率的情况下做一次测量，电桥的offset以pp m形式给出，将该值写入offset寄存器.寄存器Mfake＝“1”启动热身测量，在一次应变电阻测量后进行一次通过以上寄存器的设置后，应变系统将不再受温度影响，通过软件设置可以精确地消除系统的温度漂移和零点温度漂移，输出高精度的采集数据.

图6 采集模块工作流程图

3.2 GPRS数据传输工作流程及流程图

PSΦ21采集到的数据通过SPI总线与单片机通讯，再由单片机进行数据打包传输到GPRS DTU，通过GPRS网络将数据传输到远程主机.采用GPRS无线传输具有数据传输距离无限制，信号绕射度高，传输数据量大，传输速率较高，实时性强等优势.在长期监测时，不免遇到GPRS DTU重拨的情况（一般不超过3 min），采集到的数据将保存在DTU RA M（32 M）中，待重新连接之后，再发送到服务器，确保数据不丢失.

4 传感器性能测试

在等强度梁两面贴上应变电阻如图7所示，加载过程如下：静载：空载调零，依次加上1 kg（相当于100με）、2 kg（相当于200με），再依次取下，待静止回零；动载：对等强度梁悬空端施加脉冲冲击，让其振动并自由衰减，测试应变数据.

图7 电阻应变片贴片原理

传感器测量周期为50 Hz的测试结果如图8所示.静态测试结果有明显的线性关系，最大零点误差3με，非零点最大相对误差＋2.6%，最大回零漂移3με.动态测试结果显示信号有衰减的过程，满足动态测试性能要求，适用于大型金属结构应力测试.

图8 动态测试结果

5 结束语

本文介绍了TDC测量原理，采用PSΦ21及GPRS DT U设计了一种智能应变传感器，该传感器具有应变测量电路简单、价格便宜，无线传输距离无限制等特点.实验室测试表现出很好的动静态性能和无线传输性能，适合于大型金属结构在线监测.

［1］戴亚文，彭 磊，邱 航.一种高精度无线应变传感器节点的设计与实现［J］.武汉理工大学学报，2010，32（3）：357－360.

［2］徐 俊，戴亚文，张义桃.基于 MSP430的超低功耗无线应变传感器的设计［J］.仪表技术与传感器，2008（7）：11－13.

［3］尚 盈，袁慎芳，吴 键.用于应变监测的无线传感器网络节点的设计［J］.传感器与微系统，2008，27（7）：86－88.

［4］黄 侨，李忠龙，沙学军.基于应变式传感器的桥梁无线测试系统的设计和实现［J］.公路交通科技，2007，24（7）：56－59.

［5］Strain P.Digital amplifier for strain gages PSΦ21 data－sheet［DB／OL］.（2006－06－02）［2010－06－15］.http：／／www.acam.de／filead－min／Download／pdf／English／DB＿PSΦ21＿e.pdf