基于PQCR-PSL的桥梁振动无线监测系统

马文卓， 陈向东， 丁 星

(西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

基于PQCR-PSL的桥梁振动无线监测系统

马文卓， 陈向东， 丁 星

(西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

基于压电式石英晶体谐振器与平面螺旋电感串联结构(PQCR-PSL)，结合现场可编程门阵列(FPGA)、无线传感器网络(WSNs)和C#等技术，将一种结构简单、以频率为输出的数字化石英晶体电感传感器应用到桥梁振动等低频测量中，并以此为传感器探头搭建了整套无线监测系统。系统主要由传感器探头、FPGA系统、ZigBee网络、C#上位机4部分组成，具有结构简单、稳定性好、数字化输出等特点，实现了对低频振动信号的非接触式无线实时监测。

桥梁振动； 石英晶振； 螺旋电感； 现场可编程门阵列； ZigBee； 上位机

0 引 言

应用于桥梁振动监测的传感器主要有电阻应变片式传感器、压电型加速度传感器和光纤光栅传感器。3种传感器均属于接触式测量。电阻应变片式传感器由于容易损坏，寿命较短，一般应用于短期测试；压电型加速度传感器不能用于大跨度桥梁的振动测量[1]，且不能测量静态响应，无法反映出桥梁变形等缓慢变化或静态问题；光纤光栅传感器成本高，技术要求高，设备复杂等缺点限制了应用和推广[2]。而电感式传感器具有结构简单、可靠寿命长、灵敏度和分辨率高、线性度和重复性好等特点，可应用于灰尘、污垢和潮湿等恶劣环境中，实现低成本、高分辨率、非接触式感测，广泛应用于军事、工业、医疗等领域的高精度测量中。

与现有的加速度传感器桥梁振动测量系统相比[3]，本文将一种简单的、数字化频率输出的石英晶体电感式传感器应用于桥梁振动监测中，该类传感器的大感频牵引率提高了系统的灵敏度。同时，与传统皮尔斯(Pierce)振荡电路相比，系统振荡电路由3P5609AL1数字化芯片搭建，能得到更高的振荡频率和更优良的振荡波形，并在此基础上构建了ZigBee无线传感网，将数据传入C#上位机，实现对桥梁振动信号的无线实时监测。

1 桥梁振动测量原理

根据桥梁振动悬臂梁测量方法[1]，如图1所示为一个简化的压电石英晶体谐振器—平面螺旋电感(piezoelectric quartz crystal resonator in series with planar spiral inductor,PQCR-PSL)结构传感器桥梁振动测量工作原理。在实际测量时，载物台置于桥面，将桥体的纵向振动通过悬臂梁传递到金属薄片上，引起金属薄片的上下振动，悬臂梁将振动信号幅度放大。减振海绵上用于放置由电池或移动电源供电的无线监测节点，减小探头随桥体的振动，保证探头与金属薄片间的相对位移变化足够大。也可将悬臂梁竖直以各方向直接固定在桥体上，用于测量桥体对应方向的振动情况。传感器探头平行置于金属薄片正下方，其工作原理：线圈电感值的大小为PSL与金属薄片间距离、金属尺寸和成分有关的函数，在金属薄片一定的情况下，根据Pierce振荡电路频率公式，电感变化进而影响振荡电路中振荡频率的大小[4]。通过对探头所在振荡电路频率的测量，对应着PSL大小的变化，可反映出线圈与金属薄片间相对位移的变化[5]，当对电路频率进行快速采集时即可反映出金属薄片的振动情况，间接反映出桥梁在该方向上的振动情况。

图1 桥梁振动监测原理

系统选用Pierce振荡电路构成振荡回路。相比于基本Pierce振荡电路的基本结构和功能，系统使用高性能、低功耗、高频率晶体振荡控制器3P5609AL1芯片。其内含的振荡电路限制了振荡电流大小，降低了整体功耗，其内置高频电容有效地消除了外部电容对振荡电路的影响，同时，其内置的反相器反馈电阻增强了电路稳定性。本文传感器探头测量范围为0～15 mm，在0～6 mm范围内，最大误差为0.03 mm，分辨率达到10 μm[6]。

2 系统设计与实现

2.1 系统整体结构设计

如图2系统框图所示，基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的桥梁振动无线监测系统主要由传感器探头,FPGA系统,ZigBee无线通信网络,C#上位机4部分组成。其中传感器探头又分为PQCR与PSL串联结构,Pierce振荡电路,电压转换电路,温度传感器DS18B20等。传感器探头感测振动时桥体与线圈的相对位移，电感检测电路将频率数据传入FPGA系统，由频率采集模块测频后传入NIOS II软核，进行数据处理，同时温度采集模块采集DS18B20的实时温度数据，传入NIOS II软核进行处理后与频率数据一并打包。最终数据以串口方式发往ZigBee终端节点模块，多个传感器节点的数据通过无线通信网络经过路由器模块在协调器模块汇总，协调器以串口方式将数据传入上位机，实现了对桥梁振动信号的低成本、多节点、非接触式无线实时监测。

图2 系统框图

2.2 硬件电路设计

系统传感器节点主要用于桥梁某点振动信号采集、处理，最终无线发送至路由器，其硬件电路(如图3为部分原理图)主要由传感器探头(L1),电感检测电路(U1),电源转换电路(P1),DS18B20温度传感器模块(T1),CC2530芯片(U2),74HC595芯片和两个外接口插座等其他外围辅助电路组成。

路由器模块和协调器模块主要用于多个传感器节点信息的中转和汇聚，实现网络的建立和维护，其中协调器与上位机通过串口进行通信。系统采用CC2530模块作为路由器模块和协调器模块的硬件设备，在此基础上编程开发其具体的功能。

图3 硬件原理(部分)

2.3 软件设计

2.3.1 FPGA系统设计

传感器节点中的FPGA系统主要包括频率采集模块,温度采集模块,锁相环PLL,NIOS II软核等部分。其中,搭建NIOS系统主要用作数据处理和串口数据发送。

2.3.2 频率采集模块设计

系统采用等精度测频法对电感检测电路的输出频率信号进行快速采频。为满足桥梁振动频率范围，设定闸门信号周期为10 ms，频率采集模块理论可测频响范围为0～100 Hz。由于使用此种快速采集方法个位、十位频率变化将不可测，系统需要足够大的频率变化量反映位移的变化，因此，电感检测电路使用12 MHz PQCR与PSL组成振荡回路，实验测试得到总频率变化超过3 kHz，可清楚分辨振动引起的位移变化，达到实验要求。

2.3.3 ZigBee无线通信技术

ZigBee以其高可靠性、高安全性、低成本、低功耗、组网能力强等特点广泛应用于各种测量系统中[7]。基于ZigBee 2007/PRO，系统传感器节点ZigBee程序、路由器和协调器程序在IAR Embedded Workbench环境下完成开发。工作时，以收到FPGA发来的串口信号为事件触发，收到后立即进行无线通信。节点上还设计了由74HC595芯片驱动的128×64点阵LCD显示模块，用于显示ZigBee网络连接情况和传感器节点采集到的温度和频率信息。

2.3.4 C#上位机

上位机使用C#语言开发的监测程序，开发环境为Visual Studio 2010，主要包括桥梁振动实时监测模块和历史数据查询模块。程序实现与协调器的串口通信，同时选用MySQL数据库进行数据管理和调用，并利用ZedGraph.NET控件实现数据动态显示和历史数据查询绘图。

3 系统测试与分析

如图4所示为系统测试实物，系统以铁路桥模型和敲击激励模拟桥梁振动进行系统测试，悬臂梁由弹性钢条搭建，存在阻尼振动。由于使用12 MHz晶振组成振荡回路，为减小传输数据长度，在NIOS II系统中已将实际采集的频率值与固定值做差，再省略了无效的个位和十位，最后进行数据传输，测得无路由器时有效无线通信距离为50 m，可用多级路由增加传输距离。

图4 系统测试实物

如图5所示为系统C#上位机测试，上位机中桥梁振动实时监测界面动态绘制振动信号曲线，同时将数据存入MySQL数据库，历史数据查询界面可按存入时间段调出数据库数据并绘图查看。通过图中实验数据可以看出：模拟振动频率在20 Hz左右，与实际大跨度桥梁振动主频率相近，系统可较好地完成模拟桥梁振动的数据采集、传输、实时显示和存储查询工作，清晰地反映出模拟振动信号情况。调用数据库数据，静态绘图较动态绘图更清晰圆滑，为后期频谱分析、桥梁健康问题防治提供数据支持。

图5 上位机测试

4 结束语

系统将以频率变化反映相对位移变化的PQCR-PSL结构振动传感器应用到了桥梁振动测量中，通过测试验证了应用的可行性。系统结构简单、稳定性好、具有数字化频率输出，可清楚地反映出模拟桥梁振动情况，实现了对低频振动信号的非接触式无线实时监测。可为桥梁缺陷、变形和裂纹等问题的防治提供数据参考，可应用于各种低频振动监测中。

[1] 宋 宇,李迅鹏,马 琨,等.调频式电感传感器电路及其在桥梁低频振动检测中的应用[J].昆明理工大学学报：理工版,2009(4):53-57.

[2] 周雪芳,梁 磊.光纤光栅传感器稳定性试验研究[J].传感器与微系统,2007,26(11):25-27.

[3] 陈高杰.基于无线传感器网络的桥梁振动检测系统研究[D].杭州：浙江大学,2015.

[4] Fericean S,Droxler R.New noncontacting inductive analog pro-ximity and inductive linear displacement sensors for industrial automation[J].Sensors Journal,IEEE,2007,7(11):1538-1545.

[5] Ding X,Chen X,Ma W,et al.A novel PQCR-L circuit for inductive sensing and its application in displacement detection[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2016,65(3):685-693.

[6] 马文卓,陈向东,丁 星.基于FPGA的平面螺旋电感式微位移传感器系统[J].传感器与微系统,2016,35(6):66-68.

[7] 龚发根,汪 炜,秦 拯.基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监控系统[J].传感器与微系统,2011,30(1):86-89.

Wireless vibration monitoring system for bridges based on PQCR-PSL

MA Wen-zhuo, CHEN Xiang-dong, DING Xing

(School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Based on structure of piezoelectric quartz crystal resonator(PQCR)in series with a planar spiral inductor(PSL),the system combines with field programmable gate array(FPGA),wireless sensor networks(WSNs)and C#,apply digital quartz crystal inductive sensor,which has simple structure and use frequency as output,to bridge vibration measurement.And use this as sensor probe to build up a set of bridge vibration wireless monitoring system.The system is mainly composed of sensor probe,FPGA system,ZigBee network, C# upper computer and has the characteristics of simple structure,good stability and digital output.It achieves non-contact,wireless,real-time monitoring on low-frequency vibration signal.

bridge vibration; quartz crystal; spiral inductor; field programmable gate array(FPGA); ZigBee; upper computer

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0101—03

2016—10—12

TP 212.9； TN 92

A

1000—9787(2017)09—0101—03

马文卓(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为传感器与智能信息获取。

陈向东(1967-)，男，教授，博士生导师，主要从事无线传感器网、信息获取技术以及新型传感器的研究。

丁 星(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向为传感器技术与振荡器。