基于无线传感技术的桥梁应变采集系统设计

周晓旭，岳鹏程，郭晓澎，杨 莹

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

桥梁是交通运输中非常重要的环节，它使用情况直接影响着与其相关的交通枢纽的安全运行。通常，桥梁结构的设计使用寿命可达几十甚至上百年，但在实际使用过程中受到材料老化、腐蚀、交通运输量变化、冻融损坏等诸多不利因素的影响，桥梁结构不可避免地产生损伤积累、承载能力下降、抗力衰减、桥梁耐久性降低，最终可能导致灾难性事故的发生[1-2]。

为了确保桥梁的安全运营，就需要确定桥梁结构的健康状态，而应变是桥梁健康状态评估的重要指标[3-4]。当前桥梁应变检测的数据传输方式基本采用有线电缆方式完成，此技术虽有数据传输效率高、准确性高和技术成熟的优点，但在大型桥梁结构测试中，随着桥梁跨径的增加，应变采集点数量随之增加，将引入大量的有线电缆。有线电缆用量增加，一方面，布置和撤离电缆工作量增大，导致现场测试周期长、效率低，甚至可能导致几千米的有线电缆布线工作量难以实施；另一方面，应变采集点距离调理和采集设备较远，即使采集设备有很高的测试精度，电缆线引入的噪声也会影响到测试的精度；此外，众多的有线电缆分布复杂凌乱，容易接错线位，为后期的数据处理带来难以补救的损失等[5]。因此，桥梁无线传输数据采集技术越来越多地受到研究人员的关注，也为桥梁健康监控数据采集方式提供了更优选择[6-7]。

针对传统应变采集有线数据传输方式上的种种不足，结合当前桥梁载荷测试技术的特点和桥梁检测的用户需求，根据惠斯通电桥测量应变的工作机理，提出了一种基于无线传感技术的桥梁应变采集系统的设计方案，该设计方案相较传统的有线检测，能够在保证测试系统稳定性、可靠性的同时，能够快速、方便地完成应变的检测。

1 无线应变采集系统总体设计

无线应变采集系统结构采用星型网络拓扑结构，如图1a和b所示，可实现无线和有线两种数据传输通讯，即无线数据传输为主，有线数据传输为辅（复用），用户可以根据实际需要，选用更为适合实际测量工况的数据传输方式。

无线应变采集系统由应变采集模块（群）、路由器、现场采集计算机组成。其中应变采集模块实现现场应变的信息采集、调理、通讯功能，可以根据实际测量需要进行扩展，每个模块可以实现8路应变数据采集，并通过接收发送模块与上位机进行无线通讯；无线路由器通过无线方式实现现场采集计算机与应变采集模块数据交换；现场采集计算机实现对所有数据采集模块指令的下发和数据处理，并根据采集结果进行定制化显示、分析和数据报表。

图1 无线应变采集系统网络拓扑示意图

2 无线应变采集系统关键模块设计和实现

2.1 惠斯通电桥应变测量原理[8]

图2 惠斯通电桥原理图

设惠斯通电桥各桥臂电阻分别为 R1、R2、R3、R4；电桥A、C为输入端，接直流激励电源，输入电压为Uin，且等于UAC，而B、D为输出测量端，输出电压为UBD，且等于Uout。根据电路之间的关系，有如式（1）数学关系：

如果桥臂电阻分别为 R1、R2、R3、R4，当桥臂电阻发生变化时，且各自的变化量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时，输出电压、输入电压和电阻变化量之间有如式（2）数学关系：

展开式（2），考虑到ΔR/R值一般很小，忽略ΔR/R二次项，得：

当R1=R2=R3=R4=R，电阻R为高精度的标准电阻，式（3）可简化变为：

式（4）分母中含有△R1/R项，且应变片的电阻变化率该值远小于1，因此，可忽略分母中该项，即可得惠斯通电桥输入、输出电压和电阻变化率的线性关系：

通常，应变采集系统采用电阻式应变片阻值的变化来反映被测物应变，且应变片遵循电阻变化率与被测物表面贴片处沿应力方向的应变呈线性关系，即：

式中：K灵敏度为应变片灵敏度，通常为2；ε为被测物应变值。联立公式（5）和公式（6），公式（5）可简化为：为无线模式。

公式（7）即为惠斯通电桥测量应变的计算公式。

2.2 应变采集模块设计

应变采集模块布置于被测点附近，实现对桥梁应变的测量以及数据的短距离无线传输，按功能大体由应变采集电路、电池管理电路、通讯电路3部分组成，其组成框图如图3所示。应变采集电路由，主要实现被测应变的采集，通过惠斯通电桥电路对电阻式应变进行电压采集，经调理电路进行线损补偿、滤波、稳压、放大等变换为ADuC845能够采集的电压，根据电压与应变之间的数学关系，计算出被测应变值。电池管理电路主要实现应变采集模块内置锂电池的充放电管理、电池保护、电量指示、应变采集电路电源等功能。通讯电路主要实现应变采集模块与上位机采集软件之间的通讯，可以实现无线（WiFi）与有线（以太网）两种通讯模式的切换，默认

图3 应变采集模块组成框图

图4为应变采集电路的具体实现电路，该电路由运算放大器LM301、仪表放大器INA118、调整电路、桥路切换开关电路，以及外围三极管、电容、电阻等构成。运算放大器LM301构成单点补偿电路，并与电压调整电路配合使用进行惠斯通电桥电缆线损补偿，使桥路供电电压与标准桥压Ubri_ref动态相等；桥路切换开关电路主要是用于应变采集系统惠斯通电桥1/4桥、半桥和全桥的切换；精密仪表放大器INA118芯片及外围电路用于放大惠斯通电桥输出电压，使数模转换输入电压满足适合的电压范围，本文放大倍数为100，其中UAD_in为输入到AD转换芯片输入端，UAD_ref为输入到AD转换芯片的参考电压；其中电压调整电路和桥路切换开关电路不是本文所涉及重点，本文不再具体阐述。

图4 应变数据采集单通道电路示意图

图5为通讯电路示意框图，该电路实现主控芯片ADuC845经通讯电路、路由器与上位机采集软件之间的通讯，一方面可以实现有线与无线模式切换，另一方面通过网线接入以太网，进行远程访问和实时监测。

图5 通讯电路示意框图

2.3 通讯协议设计

应变采集模块与上位机系统软件之间要可靠地传输数据，需要两者之间建立有效的通讯协议。本系统基于异步串行通讯接口，设计满足实际工程的通讯协议，实现上位机系统软件对下位机应变采集装置进行读写控制，数据传输协议分为参数配置指令、数据帧。

参数配置指令是用于上位机系统软件对应变采集模块的参数配置，其指令格式为：帧头+设备编号+通道号+采用频率+增益倍数+命令类型（参数配置、开始采集、结束采集）+累加校验和+保留。

数据帧用于应变采集模块的采集结果传输至上位机系统软件，其指令格式为：帧头+设备编号+通道号+通道数据+备用码+CRC校验码。

2.4 上位机系统软件设计

上位机系统软件是无线应变采集系统的配套客户端软件，该软件基于C#语言开发，具有采集控制与数据处理的功能。图6所示为软件功能结构图。

3 试验测试与分析

图6 上位机软件功能结构图

为了验证本文所涉及的无线应变采集系统，采用与标准应变模拟源进行对比试验的方法。本试验采用朗斯测试技术公司（LANCE）的标准应变模拟源LC1501，为抵消温度对应变采集的影响，该采用惠斯通电桥半桥接法，该应变源模拟输出范围0～111 111 με，分辨率为 1 με。

标准应变源测试分为两组试验：小量程测试（0～5 000 με）和大量程测试（0～25 000 με）。测试采用对同一标准应变值进行100采集求平均值的方法，并计算误差率。

由表1和图7可知，本文所设计的无线应变采集系统，在小量程测试范围内，标准源值与采集值具有良好的线性关系，应变误差率总体小于0.1%。

表1 小量程标准应变源测试结果

图7 小量程标准应变源测试示意曲线图

由表2和图8可知，本文所设计的无线应变采集系统在大量程测试范围内，标准值与采集值具依然能够具有良好的线性度，应变误差率总体能保证1%以内的误差率，其中0～10 000 με量程，系统能够处于0.1%误差率以内，而10 000～25 000με量程，误差率处于1%以内。

表2 大量程标准应变源测试结果

由两组实验误差率结果来看，本文设计的无线应变采集系统在0～10 000με量程中，误差率处于0.1%以内，具有非常高的采集精度；而当量程超出于10 000～25 000 με之间，且随着标准应变值增加，误差变大，但误差率处于1%以内，可以完全满足桥梁结构实际工程测量。对于两段之间出现的精度下降问题，究其原因，惠斯通电桥测量应变计算公式中，惠斯通电桥应变计算过程出现两次多项式的忽略，分别来自于公式（3）和公式（5），该忽略的前提是ΔR变化较小，而当ΔR变化较大时，多项式对应变计算结果影响较大，如当ΔR变化影响导致整个计算每出现0.1Ω时，根据公式（7），1/4桥接线法将产生416.6 με的误差。因此，误差率随标准应变值增加而增大是由于惠斯通电桥计算应变算法忽略项引起的，如何提高大量程的测量精度是接下来的研究重点。

图8 大量程标准应变源测试结果曲线图

4 结论

通过试验测试与分析，本文所设计的无线桥梁应变采集系统与惠斯通电桥测量原理保持一致，并可靠地实现了应变数据的采集和无线传输，在技术上是可行的，且该系统具有以下特点：

a）基于WiFi技术标准开发，实现无线、有线两种数据传输方式，便于根据实际工况进行切换，系统可扩展实时监测和远程访问。

b）提高桥梁检测工作效率，尤适用于大跨径桥梁检测，可减少人力、财力和工作量等方面投入。

c）性能可靠、数据采集精度高、数据传输稳定。

d）数据采集、接收和后期处理通过配套专用软件，使用方便灵活。

综上所述，无线应变采集系统将更好地服务于桥梁工程中，解决现有大型桥梁工程检测中的布线及数据处理方面的困难，为桥梁结构的设计、施工、运营、养护、维修和加固工作提供新型技术平台，具有一定现实意义，且该技术系统亦可应用于土木工程及其他相关工程领域，应用前景广阔。