基于振弦传感器的应变无线测量系统设计

邓 霏，颜运强，张 谊

(中国工程物理研究院 计算机应用研究所，四川 绵阳621900)

0 引 言

振弦式传感器输出的信号是频率，具有抗干扰性好、结构简单可靠、准确度高、重复性好、长期稳定性好等特点［1］。振弦式传感器的这些优点非常适合在大坝、桥梁等工作环境恶劣而且技术要求又高的工程技术领域，以监测岩土所受的应力和形变。应变测量作为土木工程结构健康检测的重要组成部分，无论是在工程建设期，还是在工程使用期都需要对工程进行长期监测［2］。现有的检测技术大多为采用有导线、现场供电和值守的测量手段［3］。随着土木工程结构建设的规模越来越大，建设和使用周期越来越长，传统的测量方式的弊端越来越明显:布设的传感器越来越多，有线电缆用量剧增，布置和撤离有线电缆工作量大;由于工程的巨大，很多地方人员很难触及。

本文设计的无线测量系统取消了冗长的导线，大大地提高了系统的适应性;采用太阳能供电，不需要现场取点或者频繁的更换蓄电池;采用通用分组无线业务(GPRS)实现系统的远程控制和监测，无需现场值守。因此，本系统的研发，使得对土木工程结构的远程监测和全天候无人值守监测成为可能，这必将给大型结构的施工控制和已建成土木工程结构的检测带来新的生命力。

1 系统整体设计

振弦式应变无线测量系统主要应用于土木工程(如铁路、桥梁等)的应变测量，当周围环境温度发生变化时，振弦长度因为热胀冷缩发生变化，从而传感器的输出发生变化，因此，需用温度对信号进行修正［4，5］;本系统共有16 个应变和温度测量通道，可以同时对16 个测点的应变和温度数据进行采集。该系统是集成GPRS 无线网络、太阳供电系统和大容量NANDflash 数据存储为一体动态应变测量系统，系统提供了振弦式应变测量所需的全部功能:高精度桥路激励源、信号放大、滤波、数据存储等，并且所有参数均可通过软件进行无线设置，实现了远程控制和自动测量。图1 是系统整体设计示意图。

图1 系统整体设计Fig 1 Overall design of system

2 系统硬件设计

系统主要由数据测量终端和远程监控终端构成。数据测量终端主要负责数据的采集和存储及发送，其主要由传感器激振驱动电路、拾振电路，GPRS 通信模块电路、NAND flash 存储模块、太阳能充电控制电路、MCU 电路等组成。远程监控终端主要由GPRS 通信模块组成，相当于一个主控制点，它通过地址来识别各个数据测量终端，给各个测量终端发送控制命令并从测量终端回收数据以实现对所有数据测量终端的管理和控制。系统硬件电路结构图如图2。

图2 硬件电路结构图Fig 2 Structure diagram of hardware circuit

2.1 传感器激振驱动电路

因为电磁线圈电阻很小，流过线圈的电流能达到200～400 mA，STM32 的I/O 口不能承受，所以，选择P-MOS(AO3401)来驱动，其电路图如图3 所示。图3 中，JZ-Contro0是单片机的一个GPIO 口，这个GPIO 口控制MOS 管DS 的截止和导通，导通时，MOS 管D 端输出一个高电平，截止时，MOS 管D 端输出一个低电平输。这样，通过调节MOS管导通截止的频率，就可以得到一个方波去激励振弦传感器。

2.2 拾振电路

由于振弦式传感器输出的感应电动势非常微弱，一般情况下输出信号的幅度在300 μV ～1 mV 之间，所有需要通过调理后才能被STM32 的I/O 口捕获。图4 是拾振电路原理图，感应电动势经过仪表放大器AD8231 的放大后，用一个运放组成的二阶有源低通滤波电路对其进行低通滤波以去除其高频杂波，滤波通过运放组成的二级放大电路对其进行放大，二级放大后对其进行二次滤波，最后通过迟滞比较器把传感器输出的正弦信号转换成方波信号，并将这个方波信号通过一个多路开关送入STM32 的定时器获得阵弦的固有频率。

图3 激振驱动电路Fig 3 Excitation drive circuit

图4 拾振电路原理图Fig 5 Principle diagram of vibration picking circuit

2.3 太阳能充电管理电路

因为系统需要全天候不间断监测，所以，系统采用太阳能结合可充电锂电池的供电方案。如图5 所示，太阳能面板将供电给充电管理电路，充电管理电路再给锂电池充电。该充电管理电路是一个基于UC2843 的Boost 变换电路，UC2843 是一个单端输出型的PWM 控制集成电路［6］，只需要在其外围配置很少的元器件，就可以实现一个高效率的Boost 变换器。

图5 充电管理原理图Fig 5 Principle diagram of charging management

2.4 数据存储电路

在系统工作中，每个测量单元可接16 只传感器，要存储振弦传感器的频率数据和传感器的温度信息，本系统要用于长期监测，所以，有大量数据需要存储在系统的存储单元中。本系统选择NANDflash 作为数据的存储介质，其电路如图6。

3 系统软件设计

系统的软件主要有激振程序、拾振程序、数据存储程序和无线收发程序等组成。设计的难点是激振程序。在本系统中采用间歇反馈激振法，结合扫频激振法来设计系统的激振程序。如图7，间歇反馈激振法，就是先根据传感器的固有频率初始值，设定第一次扫频激振的频率上限fmax1和下限fmin1，第一次激振后，对传感器的输出信号进行处理并测量其频率f1。如果第一次拾得的方波个数小于n1，则根据f1来设定第二次扫频激振的频率上限fmax2和下限fmin2，然后测得第二次激振后传感器的输出频率f2。以此类推，当STM32 拾得的方波个数大于等于n1，则停止激振，此时测得的传感器输出频率就是传感器的固有频率，记录这个频率，用作下次测量的初始激振频率。如果扫频激振n2次后，STM32 拾得的方波个数依然小于n1，则报错。所谓扫频激振，就是从扫频频率下限fmin开始，由STM32 的I/O 口输N 个脉冲，后增加δf，直到输出频率大于等率扫频上限fmax。由这4 个参数决定的扫频程序框图如图8 所示。

图6 NAND flash 电路图Fig 6 Circuit diagram of NAND flash

图7 反馈激振程序流程图Fig 7 Program flow chart of excitation with feedback

图8 扫频激振程序流程图Fig 8 Program flow chart of frequency sweeping vibration

4 系统测试

系统的测试在某长江大桥下塔柱施工中进行，监测数据如图9 所示。

图9 监测数据图Fig 9 Diagram of monitoring datas

5 结束语

本测量系统已经实际应用于很多桥梁的施工监测中，通过实际应用和测试数据证明:该测量系统可以对混凝土应变和温度进行准确的测量，实现了对土木工程结构应变和温度的长期自动监测。同时，拓展了GPRS 无线网络在土木工程监测中的应用，实现了系统远程控制和数据的无线传输，具有较好的使用价值。

［1］ Lee H M，Kim J M，Sho，Park K，et al.A wireless vibrating wire sensor node for continuous structural health monitoring［J］.Electronics and Devices Instrumentation and Measurement，2010，23(3):27-32.

［2］ 王锦华.基坑工程监测过程分析［J］.现代测绘，2012，35(2):45-46.

［3］ Lynch J P，Law K H，Kiremidjian A S，et.A wireless modular monitoring system for civil structures［C］∥A Conference on Structural Dynamics，Los Angeles:IMAC-XX，2002:1-6.

［4］ 刘晓曦，王 旭，刘一通.振弦式土压力传感器温度敏感性试验研究［J］.仪表技术与传感器，2009(1):6-8.

［5］ 张 勇.正弦式传感器的原理及校准方法［J］.计量技术，2008(6):54-56.

［6］ 周慧潮.常用电子元器件及典型应用［M］.北京:电子工业出版社，2005:102-103.