基于频率法的索力测量系统设计

唐光武，梁华鹏，向中富

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.重庆交通大学 信息科学与工程学院，重庆 400074; 3.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)



基于频率法的索力测量系统设计

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.重庆交通大学 信息科学与工程学院，重庆 400074; 3.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

根据振动频率法测量索力的原理设计了基于单片机的简易索力测量系统，完成了系统硬件总体方案研制和总体软件设计；软件包含处理器程序设计、IIC 总线传输模块、频谱分析、键盘控制与LCD模块及上位机软件。经过重庆大佛寺长江大桥的索力测量，实例验证表明：系统适用性强，携带方便，操作简单。

桥梁工程；索力；振动频率法；索力测量实验；软件系统

0 引 言

斜拉索是斜拉桥主要承重构件之一，其拉力测试的准确与否直接关系到斜拉桥施工控制的顺利进行和斜拉桥建成投入使用的安全运营。目前可用于斜拉索索力测量有如下几种方法。

1)油压表读数法。即使用液压千斤顶对拉索进行张拉，在使用时，常通过精密压力表或者液压传感器测定油缸的液压，从而换算出索力。该方法简单易行，主要可用于在施工过程中控制和调节索的张拉，但不适合已建桥的索力监测。

2) 压力传感器法[1-2]。即将圆环形弹性材料和应变传感材料组成穿心式压力传感器，安装在拉索锚具和索孔垫板之间，拉索在张力作用下使弹性材料受到锚具和索孔垫板之间的压力作用，并发生形变。通过应变传感材料将弹性材料的变形转换成可测量的电信号或光信号，再通过二次仪表处理，测量得到索力。

3)磁通量法[3-5]。即利用电磁传感器，通过测量穿过拉索轴向的磁通量变化，再根据索力与磁通量变化的关系，推算出索力。该方法所用传感器通常由激励和感应线圈组成，不影响拉索的其它力学特性和物理特性。但该方法需要对传感器进行应力和温度测量的校正，比较麻烦。若需在工程中广泛应用，还需解决温度影响、材料影响、磁场影响和传感器标定等关键技术[6]。

4)振动频率法[7-9]。即利用附着在拉索上的精密传感器，采集拉索振动信号，经过滤波、放大和频谱分析，确定拉索自振频率，然后根据自振频率与索力的关系求得索力。用振动频率法测试索力，需准确建立索力和频率的对应关系，有时候可达到很高的精度。该方法测试索力具有操作思路简单、设备可重复利用的优点，特别适用于对索力的复测和测试荷载对索力的影响。

笔者依据振动频率法测量索力的基本原理，推导出拉索索力的实用计算公式，设计了基于单片机的简易索力测量系统，完成系统硬件总体方案研制和系统总软件设计。最后，针对重庆大佛寺长江大桥，完成拉索索力测量的效果验证实验。

1 振动频率法测索力的理论推导

根据弦振动理论，在考虑抗弯刚度情况下，水平张紧索的自由振动方程为：

(1)

式中：x为沿索长方向的坐标；v(x，t)为t时刻拉索上各点的竖向位移；EI为索的抗弯刚度；T为拉索索力；m为拉索的线密度。

考虑当拉索两端为铰支时，由式(1)可推导得拉索平面内振动频率和索张力之间关系：

(2)

式中：n为拉索自振频率的阶数；fn为拉索的第n阶频率；L为拉索的计算索长。

对式(2)进行微分可看出，索力的测试精度受到抗弯刚度、索长度、索的线密度以及基频的影响。前期部分学者对索力测量精度的研究大都集中在抗弯刚度、索长度以及线密度等边界条件[10-11]。若被测对象边界条件完全确定，如何准确获得拉索振动的基频，结合选用性能优异的硬件系统，并完成软件系统就显得非常关键。

2 系统总体方案设计

2.1 系统硬件设计

所设计的索力测量系统由STC89C52单片机、加速度传感器模块、液晶显示模块、键盘控制、RAM存储单元和RS-232通信串口等组成，详见图1。

图1 系统总体硬件设计Fig.1 Overall hardware system design

各个部件和单元的功能描述如下：

1)精密加速度传感器获取拉索振动的加速度信号，通过A/D转换，送往处理器做处理；

2) 外部RAM 是用来存储数据的，在原有基础上进行扩展设计，以满足数据存储功能；

3)单片机除了用来处理加速度传感器信号，还将数据输出到液晶显示器显示，同时可通过通讯接口分别将时域振动信号和频域信号送往上位机；

4)键盘控制可以通过人为输入被测量对象的相关参数和数据，以便后续计算索力；

5)液晶显示单元只显示计算出的索力大小；

6)计算机显示终端可显示出振动的时域信号曲线和幅频曲线，也可计算索力大小。

2.1.1 主要芯片选型

1)微控制器。该系统采用STC89C52RC单片机作为微控制器，STC89C52RC是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有 8K 系统可编程Flash存储器。

2)加速度传感器模块。该系统采用MMA8452Q加速度传感器模块来采集信号，它由传感器及其外围电路组成，MMA8452Q 是一款具有 12 位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器。

3)LCD显示模块。LCD显示模块作为一种被动显示器，具有功耗低，显示信息大，寿命长和抗干扰能力强等优点，在低功耗单片机系统中得到大量使用,最后选用液晶显示器LCD1602来完成测量数据及相关结果显示。

4)存储器单元选型。该系统需要作1 024点或更高点的FFT运算，故单片机的512Byte的RAM空间显然不能满足要求，因此系统采用HM62256芯片扩展了64 k的RAM临时存储空间。

2.1.2 硬件电路设计与连接方式

1)单片机最小系统。包括晶振电路和复位电路，它是单片机能够正常运行所需要的最小配置。

2)外部RAM存储器电路。HM62256芯片与单片机的P0口和P2口相连。

3)液晶显示器使用LCD1602，它的8根数据线与单片机的P1口相连来传送数据或指令。

4)单片机微控制器与PC上位机通信采用串行通信的RS-232-C接口来完成。

2.2 系统软件设计

整个系统软件部分包含和单片机相关的处理软件和上位机软件两大关键部分，其中单片机软件包含IIC串行总线数据采集，频谱分析软件模块，键盘控制及LCD显示模块等。

2.2.1 单片机软件设计

单片机程序主要由IIC协议模块、FFT程序模块、数据处理模块、液晶显示模块组成。振动频率法测索力流程如图2。

图2 振动频率法测索力流程Fig.2 Cable tension measurement flow with vibration frequency method

程序先将加速度传感器采集的信号通过IIC串行总线传给单片机，单片机同时将其传到上位机作为时域信号，然后单片机将加速度值作FFT后求其幅值，并将幅度值做一些滤波处理后传给上位机用作频域信号，也可通过键盘扫描输入拉索参数，送液晶显示后计算拉索的索力大小。

2.2.2 利用IIC串行总线的数据采集软件

1)IIC总线简介及工作原理

IIC总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备(特别是外部存储器件)。IIC总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

2)IIC总线程序流程(图3)

系统中单片机(主机)只需要从加速传感器(从机)读取数据，不需向传感器写入数据，程序的关键之处在于要根据IIC协议严格的控制时序，对时序要求很高。

图3 IIC总线程序流程Fig.3 IIC program flow diagram

2.2.3 频谱分析软件模块

FFT(Fast Fourier Transformation)，即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变的算法进行改进获得的。

基2-FFT算法：包括按时间抽取和按频率抽取算法。笔者采用按时间抽取的基2-FFT算法，通过设计包含输入倒位序、输出自然顺序等系列模块的FFT程序。程序包括变址算法和L级递推计算两大部分，变址采用雷德倒序算法。

2.2.4 键盘控制及LCD显示

系统通过按键来对液晶的显示进行控制，主要控制参数的输入和其它一些相关的操作。

2.2.5 上位机软件设计

上位机利用VC++ 6.0软件自带的通信控件Mscomm接收到单片机实时传来的时域和频域信号，之前需要完成MFC界面的设计和对Mscomm控件进行属性设置和事件响应函数的程序编写，然后通过插入的画图控件Teechart画出接收到的时域和频域曲线，然后软件扫描频域曲线，输入拉索参数后自动计算出索力大小，如图4。

图4 上位机程序Fig.4 Block diagram of host machine

3 系统测试及结果分析

3.1 测前系统自我检测

在具体测试索力前，对研制的索力测量系统进行我检测。让传感器模块作类似简谐运动，然后观察上位机画出的时域曲线是否类似于正弦波，以检测系统是否连接正确和正常工作。

3.2 测试过程

重庆大佛寺长江大桥位于重庆朝天门码头下游约5 km处，总长1 168 m，桥面宽30.06 m，双向6车道，为双塔双索面斜拉桥。测试对象是重庆大佛寺长江大桥南跨桥第1，5，6根拉索。测试过程如下：

1)将传感器模块用胶带捆扎在待测拉索上，然后系统上电，这时，液晶上显示“welcome”；

2)在上位机上设置串口号和波特率，然后点击“开始采集”按钮，再在下位机上按下按键s5的同时给拉索一个激励信号，可以观察到液晶上显示“waiting”字样，同时上位机软件开始绘制1024点的时域曲线，绘制完毕后开始绘制512点幅频曲线，之后液晶上显示“over”字样；

3)在上位机上输入拉索参数后，点击“计算索力”按钮，这时自动计算出所测拉索的索力大小；

4)在下位机上按下按键s6，液晶上提示输入拉索参数，然后即可通过按键s1，s2，s3输入参数，输入完成后按下按键s4，液晶上就会显示出索力大小。

以上功能和结果经过多次测试都可以非常稳定和比较完美的实现。

3.3 测试结果

1)在分别测试了南跨桥第1，5，6根拉索后，上位机对从串口接收的数据进行绘制的时域曲线和频域曲线，如图5。可以发现，图5中均出现了部分奇点，由于出现的奇点不多，因此并不影响对采集的信号作FFT的结果。

图5 第1、5、6根拉索测试结果Fig.5 Cable tension test results of the 1st, 5th, 6th cable

2)从幅频特性曲线可以清楚地看到有2个波峰，第1个波峰所对应的频率就是系统需要的基频，2个波峰的间距与基频基本同。通过程序扫描可得出此基频，并根据此频率和用户输入的和被测对象相关的参数即可计算得出索力大小。

3)第1，5根拉索时域和频域曲线检测的曲线情况基本相同，而第6根拉索测量结果的幅频曲线并不规则。它们的幅频曲线中均出现了部分奇点，但这并不影响对采集信号作FFT的结果。

4 结 论

笔者从硬软件设计及试验角度出发，就索力测量系统的相关问题做了较深入的分析，得出如下结论：

1)所设计的基于单片机的索力测量系统在工程现场，只需输入少量参数，完成拉索振动信号采集、信号的快速傅立叶分析和对应的索力大小计算，并可在线自动完成。

2)根据随机振动法索力测量的原理设计了嵌入式索力测量系统，该系统适用性强，成本低廉、携带方便，操作非常简单。

3)实验结果表明，系统可比较精确的拾取振动信号，可以获得准确的索振动基频，满足频率法测量索力方式的信号采集的主要功能。

[1] 张戌社,杜彦良,孙宝臣,等.光纤光栅压力传感器在斜拉索索力监测中的应研究[J].铁道学报,2002,24(6):47-49. Zhang Xushe,Du Yanliang,Sun Baochen,et al.Application of optical fiber grating pressure sensor on monitoring of cables’ tension [J].Journal of the China Railway Society,2002,24(6):47-49.

[2] 陈海清,黄飞.光纤光栅测力环及其应用[J].华中科技大学学报:自然科学版,2005,33(5):58-60. Chen Haiqing,Huang Fei.The test-force ring of fiber optical gratings and its application [J].Journal of Huazhong University of Science and Technology:Nature Science Edition,2005,33(5):58-60.

[3] 姜建山,唐德东,周建庭.桥梁索力测量方法与发展趋势[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(3):379-382. Jiang Jianshan,Tang Dedong,Zhou Jianting.Progress and developing trend of cable stress measuring methods of bridge [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(3):379-382.

[4] 唐德东,黄尚廉,陈伟民,等.旁路励磁的磁弹性传感器研究[J].仪器仪表学报,2007,28(7):1159-1161. Tang Dedong,Huang Shanglian,Chen Weiming,et al.Research on cable tension sensor based on magneto-elastic effect with bypass excitation [J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2007,28(7):1159-1161.

[5] 龙跃,邓年春,朱万旭,等.磁通量传感器及其在桥梁检测中的应用[J].预应力技术,2007(2):3-6. Lung Yue,Deng Nianchun,Zhu Wanxu,et al.Elastomagnetic sensors and its application in prestressed bridge detection [J].Prestress Technology,2007(2):3-6.

[6] 陈伟民,姜建山,章鹏,等.钢缆索索力磁性传感理论模型与实验研究[J].仪器仪表学报,2010,31(4):794-799. Chen Weimin,Jiang Jiansha,Zhang Peng,et al.Modeling and experiment of cable tension magneto-sensor [J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,31(4):794-799.

[7] 吴康雄,刘克明,杨金喜.基于频率法的索力测量系统[J].中国公路学报,2006,19(2):62-66. Wu Kangxiong,Liu Keming,Yang Jinxi.Frequency method based cable force measurement system [J].Chinese Journal of Highway,2006,19(2):62-66.

[8] 淡丹辉,陈艳阳.阻尼器对频率法拉索索力测量的影响[J].振动、测试与诊断,2013,33(4):676-681. Dan Danhui,Chen Yanyang.Influence study of cable tension measurement for stay cable attached with dampers [J].Journal of Vibration,Measurement & Diagnosi,2013,33(4):676-681.

[9] 张运波,林玉森,高伟,等.部分斜拉桥的索力测试与分析[J].桥梁,2005(5):63-65. Zhang Yunbo,Lin Yusen,Gao Wei,et al.Staying power test and analysis section of the cable-stayed bridge [J].Bridges,2005 (5):63- 65.

[10] 任伟新,陈刚.由基频计算拉索拉力的实用公式[J].土木工程学报,2005,38(11):26-31. Ren Weixin,Chen Gang.Practical formula for calculating the fundamental frequency of the cable tension [J].Civil Engineering Journal,2005,38 (11):26-31.

[11] Kima B H,Park T.Estimation of cable tension force using the frequency-based system identification method [J].Journal of Sound and Vibration,2007,304:660-676.

Design of Cable Tension Measurement System Based on Vibration Frequency Method

(1. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co. Ltd., Chongqing 400067, China; 2. School of Information Science & Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 3. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to the principle that cable tension can be measured by vibration frequency method, the simplified cable tension measurement system based on SCM was designed, and both whole hardware and whole software design systems were finished. The whole software included the processing program about MCU, IIC bus program flow, frequency spectrum analysis, key control, as well as LCD module and host computer software. Finally, the cable tension measurement experiment with Dafosi Bridge of Yangtze River was carried out, and the experimental results showed that this measurement system was applicable, portable and easy to use.

bridge engineering; cable tension; vibration frequency method; cable tension measurement experiment; software system

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.05

2014-04-17；

2014-07-13

国家自然科学基金项目(51308573)；中国博士后基金项目(2011M500144)；重庆市教委项目(KJ100421)；重庆市科委应用开发项目(cstc2014yykfA70005)；重庆市博士后日常资助项目(渝RC2011001)

U443.38;TU997；TP212.12

A

1674-0696(2015)05-025-04