多路振弦式传感器桥梁检测系统设计*

莫 琳， 何华光， 陈 妮, 谢开仲

(1.广西大学 计算机与电子信息学院,广西 南宁 530004；2.广西医科大学 基础医学院,广西 南宁 530021； 3.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁 530004)

设计与制造

多路振弦式传感器桥梁检测系统设计*

莫 琳1， 何华光1， 陈 妮2, 谢开仲3

(1.广西大学 计算机与电子信息学院,广西 南宁 530004；2.广西医科大学 基础医学院,广西 南宁 530021； 3.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁 530004)

为了满足桥梁安全监测中振弦式传感器数据采集需求,设计了多路频率数据采集的测量系统。针对振弦式传感器输出信号微弱、容易受到干扰而造成的测量精度下降问题，设计了高效抑制干扰的硬件电路，软件以STM32处理器为核心，提出适合测量频率方案。测量系统能够在24 s内完成8个通道的振弦式传感器的测量，测量准确率高达99.9 %。实验结果表明:该系统具有工作稳定性较高、硬件电路简单、抗干扰能力强等优点。

振弦式传感器； 数据采集； 频率测量

0 引 言

我国桥梁建设在高速发展，桥梁健康安全监测已越来越重要。桥梁在使用过程中，内部结构受到的压力作用引起频率振动千变万化，同时也会造成各种不同程度的结构损伤，为确保掌握桥梁的信息状态，不但依靠计算分析了解受力状况，还要对桥梁的断面实际情况进行检测，因此,桥梁的应变力测试是一项重要工作[1]。

振弦式传感器是一种频率性传感器，依其稳定性、耐久性强的特点广泛地应用在桥梁安全监测领域中。根据振弦式传感器振弦的振动频率的变化，转换成相应的应力变化，通过检测应力数据，获取桥梁结构层发生的变形信息，为桥梁的结构安全，提供有效的科学依据[2]。针对振弦式传感器输出信号频率微弱、易受干扰的特点，本文给出了高效抑制干扰的硬件措施，提出了以STM32为核心，采用简单电路实现多路频率测量方案。

1 硬件系统设计

图1为硬件系统结构图。本系统主要由激振电路、多路开关电路、放大电路、滤波电路、整形电路、STM32处理器、时钟模块构成。激振电路通过激励振弦式传感器使其输出固有频率信号，经过多路开关实现对通道的选择后，信号在放大电路中被放大，在滤波电路中滤除掉噪声，在经过整形电路后利用STM32处理器进行频率的测量。

图1 硬件系统结构图Fig 1 Structure diagram of hardware system

1.1 激振电路

振弦式传感器通过一根张紧的金属丝，采用间接激发法，在电激励下，产生固有频率振动，经过测量固有频率，可测量出振弦张力的大小[3]。以单路激振电路为例，其原理图如图2所示。TR_IN0由ARM控制，TRI0_N和TRI0_P接入第1路传感器，当TR_IN0为高电平时，BG1,BG5,BG9同时导通，给应变计以高压脉冲激励信号，当TR_IN0为低电平时，BG1,BG5,BG9同时截止，激励脉冲消失，经过短暂的时间后，振弦式传感器输出固有频率信号[4]。

图2 激振电路Fig 2 Excitation circuit

1.2 多路开关

为了有效地抑制共模信号，提高信噪比，放大电路部分采用差分方式，电路采用2片CD4051实现信号多路复用，同时为放大电路提供差分输入方式。多路信号开关电路如图3所示。CD4051的A,B,C端是芯片通道选通控制端，两片由ARM统一控制，并同时选通相同的通道。由于在激励期间，激励电压过大，为保护CD4051在其输入端增加了限流电阻器和保护二极管，可有效地防止过高的输入电压损坏CD4051。

图3 多路信号开关电路Fig 3 Multipath signal switch circuit

1.3 放大电路

由于振弦式传感器产生的信号很微弱，其值多为几百微幅级，因此,放大电路必需要提供足够大的放大倍数，以使信号电压能达到后级所需要的电压，同时能抑制干扰信号高次谐波、低频驻波及噪声、电源纹波等的影响，电路为了获得高增益，高抗干扰能力，有效地抑制共模信号，放大电路采用两级放大，第一级采用仪表放大器AD620，实现G1为1 000倍的放大；第二级采用NE5532,实现G2为8倍的放大，电路的总放大倍数约为G1·G2=8 000。

1.4 滤波与整形电路

系统设计带通滤波器，以便消除带外干扰，提高频率稳定性。为设计和调试方便，系统设计5 kΩ的低通滤波器和200 Hz的高通滤波器，由它们构成带通滤波器。

由于振弦式传感器输出的频率为幅度不断衰减的正弦波[5]，因此，需要转换为方波才能为处理器所识别。整形电路如图4所示。

图4 整形电路Fig 4 Shaping circuit

R77主要用于进一步滤掉来自电源的干扰，提高电路的稳定性。由于其值过小，可以认为电源电压在其上几乎没有压降。因此，在没有信号输入时，LM393的反向和正向输入端的静态电位分别为

同向输入端比反向输入端高出约ΔV=V+-V-≈0.052 V=52 mV，之所以设置同向端电压比反相端电压高，是为了静态时前级耦合过来的电路噪声不足以引起LM393有电平变化输出。静态时，由于V+>V-，LM393输出高电平(3.3 V)；当有信号输入时，信号经过电容器、1 kΩ的电阻器后形成Vi耦合到LM339的反向端，当且仅当Vi>52 mV时，才有V-+Vi>V+，引起输出电平的变化，这样，就可以将正弦波转换为方波。

1.5 时钟模块

时钟电路用DALLAS公司的时钟芯片DS1302，其性能高、功耗低，实时记录频率采集时间。静态ARM有31字节，由SPI接口与CPU同步进行通信，采用突发方式，一次传送ARM数据和多个字节的时钟信号。实时时钟具体到时分秒和年月日。时钟模块电路主要作用是提供记录每个振弦式传感器所受到压力时输出的频率值。

2 系统测频设计

2.1 测频方法的分析

微控制器采用ARM Cortex—M3，其内核STM32F103C8T6最高有72 MHz工作频率， 振弦式传感器输出的频率在400～4 500 Hz的范围内，系统时钟频率远大于振弦式传感器输出的频率，因此，采用测周法。虽然测周期法存在触发误差，并且是测输出频率波形的某一瞬时周期值，瞬时频率不稳定，但是采用多次测量，剔除粗大误差频率，再求平均值求得频率，对多通道测量而言，能得到比较稳定的精度较高的频率。

2.2 系统测频过程

本系统测频流程图如图5。

图5 测频流程图Fig 5 Flow chart of frequency measurement

系统激励模块首先使用24 V电压对振弦式传感器进行400 ms的高压激励，然后等待300 ms让传感器稳定输出信号后再进行测量。系统数据处理，首先对采集到多个频率数据进行从小到大地排序，根据一定的相似性将数组被分割为多个区域，根据每个区域含有多少个元素，求出最大区域的平均值。该平均值就作为振弦式传感器的输出频率。

3 实验结果

加入振弦式传感器对桥梁检测系统进行调试，激振电路对振弦式传感器进行激励，输出信号十分微弱，将信号放大1000倍左右之后，用示波器测量。由于振弦式传感器的振弦做阻尼振动，所以,振弦式传感器的输出信号的频率幅度会由大变小并逐渐为0，因此,测量到信号幅度会有大变小的动态过程[6]。观察经过带通滤波器之后，其频率信号的波形有所改善。最后将信号传给整形电路，将其转换为方波，再将方波传输给ARM测量出频率。

振弦式传感器在激励后输出的信号非常微弱，并伴随大量的噪声，输出信号经AD620放大之后的波形在如图6所示。图6(a)是AD620放大的波形，图6(b)是经过8阶低通滤波和8阶高通滤波的波形。对比2组信号的波形可以看到，经过放大的信号峰峰值可以达到1.31 V，信号经过滤波后能够有效地抑制高频和低频噪声，获得1.07 V峰峰值的正弦波。

图6 传感器信号经放大和滤波后的波形Fig 6 Sensor signal waveform after amplifying and filtering

图6得到的波形还必须经过整形电路变成方波才能被ARM测量，整形电路的输入和输出波形如图7所示。

图7 整形电路的输入和输出波形Fig 7 Input and output waveform of shaping circuit

整形电路将正弦波转换为频率相同的方波，从图7可以看出：系统设计的整形电路能够将滤波后的正弦波正确地转换为同频率的方波，满足频率测量的要求。由于振弦传感器是阻尼振荡，信号存在的时间非常短，上面的信号是传感器被激振后信号较强的时候捕获的波形。ARM处理器必须在很短的时间内准确地测量出该信号的频率。

为了测试系统的性能，在温度28 ℃，模拟通道同时输入8路不同频率的正弦波信号， 24 s内完成8个通道的振弦式传感器的测量。在模拟振弦式传感的输出信号中，由于传感器的输出非常微弱，故设定信号幅度为1 mV。系统测试结果如表1所示。

从表1的实验数据可以看出：系统能较准确地测量到微弱信号的频率，测量准确率高达99.9 %。

表1 系统测试结果Tab 1 System test results

4 结 论

本系统以最大化降低干扰、实现较为精确测频为目标，提出了基于STM32实现对多路振弦传感器的频率测量的设计方法，测量准确率高达99.9 %。在桥梁检测时，埋入大量的振弦式传感器，通过设计的硬件电路，测量各个振弦式传感器的输出频率。将输出频率转换为所受压力，经过对这些数据分析，就可以知道桥梁整体的受力情况，从而为桥梁检测维护提供科学的数据。实验表明：该系统具有干扰小、测频精度较高、系统应变快等特点，为基于振弦式传感器测量仪器的应用提供了理论基础。

[1] 杨兴明，何清平，张培仁.远程振弦式传感器测量模块刺痛设计[J].传感器与微系统,2011，30(1):94-96.

[2] 李红杰，苗顺占，付华明.基于振弦式传感器的桥梁检测系统设计[J].传感器与微系统，2011，30(6):93-95.

[3] 贺 虎,王万顺,田冬成,等.振弦式传感器激振策略优化[J].传感技术学报,2010,23(1):74-77.

[4] 莫 琳，何华光，谢开仲.基于振弦式传感器的桥梁实时监测系统设计[J].广西大学学报:自然科学版,2012，37(6):1248-1253.

[5] 温宗周，夏自帮，李富宁.振弦式传感器测频技术的研究[J].西安工程大学学报，2012，26(1)：72-76.

[6] 邓铁六，于 凤，邓 伟,等.大量程自激振弦式传感器及相关技术[J].传感器技术,2001，20(9)：41-43.

Design of bridge-detection system using multi-channel vibrating wire sensor*

MO Lin1, HE Hua-guang1, CHEN Ni2, XIE Kai-zhong3

(1.College of Computer and Electronics and Information,Guangxi University,Nanning 530004,China;2.School of Preclinical Medicine,Guangxi Medical University,Nanning 530021,China; 3.College of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

For the desire of data acquisition of vibrating wire sensors in security detection of bridge,design a measurement system of multi-channel frequency data acquisition.Aiming at problem of weak output signal of vibrating wire sensors and easy to be interfered which result in precision decrease,hardware circuit which efficiently suppress interference is designed and software uses STM32 processor as the core,frequency measuring scheme is put forward.The measurement system can perform the measurement of vibrating wire sensors of 8 channels in 24 s,the measurement accuracy rate is as high as 99.9 %.The experimental results show that the system has advantages of high working stability,simple hardware circuit,strong anti-interference capability.

vibrating wire sensor; data acquisition; frequency measurement

2013—09—25

国家自然科学基金资助项目(51068001)

TP 212

A

1000—9787(2014)04—0068—04

莫 琳(1969-)，女，广西玉林人，实验师,研究方向为电子技术实验教学与科研工作。