钢结构磁性应力无线测量系统的开发

孟德龙

（国投大同能源有限责任公司，山西 大同 037001）

钢结构磁性应力无线测量系统的开发

孟德龙

（国投大同能源有限责任公司，山西 大同 037001）

针对现在常用钢结构应力测定技术存在较明显的缺陷，采用磁性应力测量的方法，建立硬件测试系统，实现对钢结构应力实时、连续的测量。同时考虑到某些测量点的特殊性，工作人员无法长时间守点检测，基于ZigBee协议开发了配套的无线数据接收系统。系统采用VB中的MSCommon控件作为串口数据的接收端，实现数据采集。实验室检测和实际应用验证了系统性能的可靠，对远程、自动化检测钢结构的发展方向有很好的示范作用。

钢结构 磁应力 系统硬件 系统软件 ZigBee无线协议

0 引言

随着钢结构在高架桥、斜拉桥、钢架建筑等工业及生活中的大量应用，建立完善的失效监测系统是必不可少的。而通过研究可知，这些钢结构出现失效的原因大部分是由应力集中引起的，所以监测系统主要是实现应力的监测。

现在比较成熟的监测方法有X射线法和应变片法。这两种方法都有其不可避免的缺陷。如X射线法，需要大型的设备，这对于在环境多变的施工现场就不能顺利完成测量工作。该方法在实验室中应用较多。而应变片法必须对被测对象表面进行处理，存在破坏被测实验体表面的缺点，对于环境多变的施工现场亦不适用。

本文应用的磁性应力测量技术是在原应力测量技术上，利用可磁化物质磁性各项异性的原理兴起的一项无损测量技术。该技术应用了无线数据传输，这为一些测量环境与数据处理环境不能保证在同一个地点的测量提供了很大的方便。

1 磁性应力测量原理

磁性应力测量法能测量的材料是铁磁性材料，利用的是可磁化物质磁性各项异性的原理。即当铁磁性材料内部残留有残余应力时，它的磁性会因残余应力而发生改变，所以只要根据其磁性的变化就可以知道其残余应力的大小［1－3］。磁性应力测量原理框图如图1［4］所示。

图1 磁性应力测量原理图Fig.1 Schematic diagram ofmagnetic stressmeasurement

2 系统实现

整个系统要实现的功能有：磁应力测量的采集、磁应力测量的无线传输、磁应力测量的分析处理。

无线采集系统的具体实现需要两个部分：①采集系统硬件的实现，②采集系统软件的实现。其中硬件的实现又包括：就地采集硬件部分的采集和无线传输部分硬件的实现。

2.1 采集系统的硬件实现

采集系统的硬件包括采集硬件和无线传输硬件。采集部分包括信号发生器、信号放大器、励磁线圈、采集线圈、信号检测电路以及信号传输模块。

2.1.1 信号发生器

信号发生器使用的是ICL8038。该发生器是一种具有多种波形输出的新密振荡集成电路，调整个别的外部元件就可能产生从0.000 1 Hz～300 kHz低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外，该芯片具有调频信号输入端，可以用来对低频信号进行频率调制。而本设计用到的信号为正弦信号，所以该芯片可以满足要求。ICL8038正弦信号产生电路如图 2所示。

图2 ICL8038正弦信号产生电路Fig.2 Sinusoidal signal generating circuit

2.1.2 信号放大

用于信号放大的芯片是LM358。LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，既适用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。LM358的使用范围包括：传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358信号放大电路如图3所示。该电路将上一级产生的信号放大约6倍。

图3 LM358电路图Fig.3 LM358 circuit

2.1.3 采集电路

设计用到的交流信号处理芯片是TL074。TL074是高速的JFET输入单运算放大器。这些JFET输入运算放大器都集成了很好的配置，在每一个单片集成电路中都有高电压JFET和双极性晶体管。该芯片具有高转化率、低输入偏置和失调电流、低失调电压系数的优点。本系统采集的信号是高频率的交流信号作用在磁性材料所激发的小信号，所以为了在高频下采集到小信号，采用了交流信号处理芯片TL074。TL074采集电路如图4所示。

图4 TL074电路图Fig.4 TL074 circuit

2.1.4 无线模块

本设计要求做无线采集系统，因此采集卡采用无线采集卡，传输协议采用ZigBee无线传输技术［5］。在设计中，无线模块实现的功能是采集16路信号，然后对这16路信号同时加以处理。

选用的16通道ZigBee无线模块由两部分组成：采集发送模块和接收模块。采集发送模块可采集16通道数据，每一通道的采集电压范围为－5～5 V，当电压大于5 V时，则采集到的数据为5 V，当电压小于－5 V时，则采集到的数据为－5 V。本设计的极值电压不会超过5 V，因此，该模块完全能实现所需的功能。

2.2 无线采集系统软件实现

本系统选用的协议为ZigBee无线传输协议，并采用串行通信。

2.2.1 协议分析

对于采集系统软件的编写，根据模块手册上得到的信息，经过多次试验得到了无线传输模块的传输协议，如下：

11 46 39 12 71 E2 00 08 00 00 01 08 00 00 02 08 00 00 03 08 00 00 04 08 00 00 05 08 00 00 06 08 00 00 07 08 00 00 08 08 00 00 09 08 00 00 0A 08 00 00 0B 08 00 00 0C 08 00 00 0D 08 00 00 0E 08 00 00 0F 08 00 00

2.2.2 MSCommon控件

微软通信控制（Microsoft communications control，MSComm）是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件。它提供了两种处理通信问题的方法。

① 事件驱动（event－driven）方法；

② 查询法［6－7］。

在通过对两种方法的比较后，结合本设计数据量比较大、要求实时性比较强的事实，选用了事件驱动的方法。

2.2.3 无线采集软件的实现

本文采用Visual Basic（VB）编写采集软件。VB拥有图形用户界面（graphic user interface，GUI）和快速应用程序开发（rapid application development，RAD）系统，可以轻易使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松创建ActiveX控件。程序员可以使用VB提供的组件快速创建一个应用程序［7－10］。

为了使所需参数在采集界面清晰显示，采用以下代码实现采集功能（核心代码）。

2.3 采集系统试验验证

在上述系统软硬件基础上，本设计就可以实现对数据的无线采集。具体的试验步骤如下。

①采用可变电压源作为信号源，将电压信号调节到5 V以内。

②将系统测试端定位到待测钢结构表面，采用本设计所编写的采集界面显示采集到的信号。

通过以上步骤的试验测试，验证了为本设计所编写的16路数据采集系统是可以实现的。后续在实验室中对硬件的性能也进行了全面评估。实际工程应用也证明了该测量系统是可靠、实用的。

3 结束语

本设计是在磁性应力测量的基础上设计而成的无线采集系统。设计包括无线协议的选择、电路的设计、软件的设计以及整个系统的完善。在对多种不同协议的比对以后，选择了ZigBee协议，并对其做了数据传输测试。然后针对这个协议做了相应的采集软件的编写，成功传输、接收到了所需数据。之后做了采集电路的设计，并绘制了PCB板，设计了完整的硬件采集电路。软件方面，不仅完善了以前的采集分析数据软件，并且新增了无线采集软件。系统硬件与软件相结合，构成了一套实用的采集系统，为钢结构安全测量做出了有益的探索工作。

［1］近角聪信.铁磁性物理［M］.葛世慧，译.兰州：兰州大学出版社，2002.

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［3］王会宗.磁性材料以及其应用［M］.北京：国防工业出版社，1989.

［4］宛德福，罗世华.磁性物理［M］.北京：电子工业出版社，1985.

［5］周怡颋，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨［J］.自动化仪表，2005，26（6）：5－9.

［6］刘文江.基于VB6.0的PC机与多单片机串行通信设计与实现［J］.微计算机信息，2002，18（8）：44－45.

［7］刘卫国.Visual Basic程序设计教程［M］.北京：北京邮电大学出版社，2008.

［8］齐燕杰，仵浩，宋文超.Visual Basic串口通信工程开发实例导航［M］.北京：人民邮电出版社，2003.

［9］范逸之，陈立元.Visual Basic与RS-232串行通信控制［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［10］刘凤声.基于VB6.0的单片机与PC通信的实现与应用［J］.计算机技术与发展，2007，17（10）：202－208.

Development of the Wireless Magnetic Stress Measurement System for Steel Structures

At present，obvious defects are existing in commonly used stressmeasuring technologies for steel structures，thus by usingmagnetic stressmeasurementmethod；the hardware test system is built to implement real time and continuous stress measurement for steel structure.Considering the particularity of some of themeasuring points，the working staff is unable to stay long time on-site；the ancillary wireless data receiving system based on ZigBee protocol is also developed.The control of MSCommon in VB is used as the serial port receiving terminal for data acquisition.The laboratory testing and practical application verify the reliability of the system performance；the system possesses demonstration effect for the development direction of remote automatic detection of the steel structures.

Steel structure Magnetic stress System hardware System software ZigBee wireless protocol

TP274+.5

A

修改稿收到日期：2014－01－09。

作者孟德龙（1988－），男，2013年毕业于中国矿业大学应用物理专业，获学士学位；主要从事信息自动化方面的工作。