基于stm32与加速度传感器的动位移无线测量方法

孙英宁

摘 要：为了满足结构动位移测量要求，设计一套基于 STM32 的嵌入式动位移无线测量系统。该系统以STM32L151C8T6芯片为核心控制器，结合电容式MEMS加速度传感器ADXL355。使用频域积分方法，在实验室和某人行桥上进行了实验。实验室中通过改变采样频率进行测量，结果表明该系统应用于结构动位移测量时精度随着采样频率的增大而增大。某人行桥上的动位移实验效果较好，可见使用该方法进行结构动位移测量是完全可行的。

关键词：动位移；无线测量；嵌入式编程；加速度传感器；频域积分

中图法分类号U442；文献标志码B

对桥梁结构而言，动位移是一个非常重要的数据，是评定桥梁结构承载能力、汽车行驶安全性的一项重要指标[1]。从动位移的数值分析中可以直接反映桥梁结构的竖向整体刚度和结构内力分布状态。从而对桥梁的薄弱部位进行判断以及检查结构的整体性。在桥梁鉴定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的静、动位移值[2]。桥梁结构动位移的测量方法有接线式电阻（感、容）位移计、激光挠度测试仪、惯性式位移测试仪等[3]，前两种测量方法要求有一个固定不动的参考点以便进行测量，但是对于很多桥梁，由于受使用条件和环境的限制，这些测试方法往往耗时长，效率较低。一般情况下，测试桥梁结构的加速度信号比较方便。用加速度计测量桥梁的加速度，再通过两次积分，求得桥梁挠度的加速度测量方法，目前已得到众多研究者的关注。

对于采集到的加速度信号，要得到位移，目前主要有两种方法，第一种方法是通过硬件积分[4]，第二种方法是软件积分。硬件积分通过积分电路实现各参量之间的转换，但是电子元器件的性能参数具有较大的离散性，若匹配不好，容易在积分后产生畸变。近年来随着计算机技术的发展，人们更倾向于研究软件积分方法。软件积分目前主要有两种方法：时域积分和频率积分。其中时域积分是直接对加速度信号进行二次积分，从而得到位移信号，这种方法形式直观。但是在实际中采集到的加速度信号不可避免都会包含直流分量和噪声，时域积分过程中会产生趋势项，严重影响积分结果。因此本文采用频域积分方法将嵌入式动位移测量系统采集到的加速度信号进行积分，从而得到位移信号。

1频域积分原理分析

频域积分时先对信号做傅里叶变换，然后再进行积分。加速度信号在任一频率的傅里叶分量可以表示为[5]：

（1）

由傅里叶变换的积分性质：

（2）

当初速度分量为0时，对加速度信号分量的时间积分可得速度信号分量：

（3）

初速度和初位移均为0时，对加速度信号的傅里叶分量两次积分可得位移分量：

（4）

其中，。

2动位移无线测量系统硬件设计

要实现动位移无线测试系统的嵌入式开发，将该系统分为三个模块进行设计：基于STM32的微处理单元；加速度传感器模块；无线传输模块。其中，基于STM32的微处理单元主要實现与加速度传感器模块和无线传输模块的通讯，通过嵌入式指令使两个模块按照既定的流程进行工作。加速度传感器模块主要实现加速度信号的采集。无线传输模块主要实现以该动位移无线测试系统作为服务器，将加速度传感器模块采集到的数据发送到上位机中。

基于STM32的微处理单元采用意法半导体推出的STM32L151C8T6，是基于Coretex-M3内核的32位ARM芯片系列。

加速度传感器模块利用带数字输出的3轴电容式MEMS加速度传感器ADXL355测量的加速度信号进行动位移测试，它具有性能稳定，输出的低噪声、低漂移、低功耗等特点。

无线传输模块采用支持WIFI@2.4GHz 802.11b/g/n无线标准的低功耗高性能WIFI模块USR-C322，内置超低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运行；支持WiFi协议以及 TCP/IP 协议。

嵌入式动位移无线测量系统硬件架构如图1所示。

3嵌入式动位移无线测量系统实验验证

3.1实验室实验结果分析

为了验证该嵌入式动位移无线测量系统的准确性，在实验室中通过MTS试验机的位移加载，与提出的动位移测量方法进行对比。实验室现场如图2所示。

图3为不同加载频率下嵌入式动位移无线测量系统的测量误差-采样频率关系曲线。

由图3可以看出，随着采样频率的增大，嵌入式动位移无线测量系统的误差减少。

3.2 某人行桥实验结果分析

为了进一步确定该方法的可行性，使用该系统到某人行桥，与晶明科技开发的无线振动测试系统进行对比性实验。

在人为激励的情况下同时使用两个系统进行位移测量。

本文的嵌入式动位移无线测量系统位移-时间曲线如图4所示。

JM3872无线振动节点位移-时间曲线如图5所示。

从图4和图5的结果对比示意图可以看出，两条曲线吻合的很好。

参考文献

[1]何先龙，杨学山，赵立珍.一种新的高速铁路桥梁动挠度测试方法[J].测控技术，2014，33（07）：50-53.

[2]徐亚立.桥梁挠度测量方法的探讨[J].铁道建筑，1996（6）：32-33.

[3]袁向荣.桥梁动挠度计算的加速度积分方法[J].广州大学学报（自然科学版），2007（1）：75-78.

[4]徐庆华.试采用FFT方法实现加速度、速度与位移的相互转换[J].振动、测试与诊断，1997，17（4）：30-34.

[5]王济，胡晓.MATLAB在振动信号处理中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

（作者单位：华南理工大学）