《電子技術(shù)應(yīng)用》
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多參數(shù)橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第5期
余東平, 方 方
成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院, 四川 成都 610059
摘要: 針對(duì)遠(yuǎn)程橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求,采用交流偏置電路與雙路AD7714模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)ADXL203的雙軸高精度同步振動(dòng)加速度測(cè)量,并實(shí)現(xiàn)了溫濕度與風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量。使用低功耗便攜式計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建CAN總線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將橋梁狀態(tài)信息發(fā)送到監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多橋梁多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
中圖分類號(hào): TH825
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)05-0101-03
Design of bridge multiparameter vibration detecting system
Yu Dongping, Fang Fang
Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Abstract: According the requirement of bridge vibration detecting, this paper designed the alternate current bias circuit and two AD7714 chips to achieve the high accuracy vibrating acceleration measurement. Furthermore, this system completed the measurement of temperature, humidity, and wind speed and wind direction. Constructed the CAN bus network used low power consumption portable computer platform, and send the bridge’s status information to Surveillance center by GPRS network, finally realized the system of multiparameter monitoring towards multi-bridges.
Key words : bridge monitoring; vibrating acceleration measurement; CAN bus; synchronous ADC sampling


    由于橋梁的使用年限長(zhǎng),加上設(shè)計(jì)、施工和使用材料的質(zhì)量等諸多因素的影響,會(huì)使橋梁存在先天的薄弱因素,因此橋梁結(jié)構(gòu)的安全性非常重要。對(duì)橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行健康監(jiān)測(cè),可以有效預(yù)防突發(fā)型災(zāi)難,減少損失與人員傷亡。由于橋梁大都處于交通要道,距離監(jiān)控中心比較遠(yuǎn),目前主要采用人工測(cè)量狀態(tài)參量與測(cè)試數(shù)據(jù)的事后實(shí)驗(yàn)室分析評(píng)價(jià)的方法。這種方法效率低,也不能對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)警,隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展,采用無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)[1],目前主要是研究橋梁的某一個(gè)方向的振動(dòng)居多,而對(duì)于橋梁的溫濕度情況、當(dāng)前風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)未有涉及,尤其是在我國(guó)東南沿海區(qū)域每年的臺(tái)風(fēng)天氣,橋梁所需要經(jīng)受的臺(tái)風(fēng)沖擊嚴(yán)重,因此設(shè)計(jì)開發(fā)具有多參數(shù)監(jiān)測(cè)的橋梁預(yù)警系統(tǒng)意義重大。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  如圖1所示為多參數(shù)橋梁預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。被監(jiān)測(cè)的橋梁上掛接著多種不同類型的監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn),主要有溫濕度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和XY雙軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。不同類型的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),采用統(tǒng)一地址編碼的方式,將采樣到的傳感器信息通過高速CAN總線[2]發(fā)送到本地計(jì)算機(jī)上。系統(tǒng)采用了ATOM凌動(dòng)處理器的便攜式低功耗移動(dòng)平臺(tái)計(jì)算機(jī),其體積小巧,功耗低,在關(guān)閉液晶顯示器時(shí),最低功耗不到1 W,而總體積比一個(gè)公文包小,且采用直流電壓供電,因此本系統(tǒng)將該計(jì)算機(jī)平臺(tái)放置在監(jiān)測(cè)本地,與橋梁的距離通常在300 m以內(nèi),在此距離內(nèi)CAN總線的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)125 kb/s,可連接足夠數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。本地計(jì)算機(jī)將每分鐘采集到的所有傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息壓縮打包后通過GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端,并在服務(wù)器端完成數(shù)據(jù)解釋、存盤等工作。由于本地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng),因此采用了大容量的鉛酸蓄電池作為供電能源,當(dāng)天氣良好時(shí),太陽能電池板工作,并經(jīng)由太陽能調(diào)壓充電器對(duì)鉛酸蓄電池充電,保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的工作。

2 XY雙軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
2.1傳感器選擇與前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

 振動(dòng)傳感器[3]是用于檢測(cè)沖擊力或者加速度的傳感器,通常使用的是加上應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生電荷的壓電器件。目前應(yīng)用于橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)的加速度傳感器大多采用動(dòng)圈式機(jī)械傳感器,通過磁鐵切割磁力線得到感生電動(dòng)勢(shì)從而反映加速度的變化,其體積較大,高頻特性不好,頻帶內(nèi)的增益平坦度差,因此本系統(tǒng)采用了ADI公司的雙軸加速度計(jì)。ADXL203[4]典型測(cè)量范圍在±1.7 g,該加速計(jì)既可測(cè)量靜態(tài)的也可測(cè)量動(dòng)態(tài)的加速度,可承受3 500 g極限加速度。其下拉電流小于700 μA,靈敏度達(dá)到1 000 mV/g。該加速計(jì)在-40℃~125℃溫度范圍內(nèi),具有±0.3%的溫度靈敏性;±25 mg的零點(diǎn)偏移精度;在小于60 Hz的帶寬下具有解決小于1 mg的解決方案(0.06°傾斜)以及優(yōu)于0.1 mg/℃的穩(wěn)定性。加速計(jì)ADXL203的內(nèi)部電阻RFILT的標(biāo)稱值為32 kΩ,而其實(shí)際阻值可在14 kΩ~40 kΩ間選擇,通過選擇合適的XO、YO引腳的輸出電容值,可降低傳感器輸出噪聲,本文所設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)頻率上限為100  Hz,因此選擇0.01 μF的電容,該電容與ADXL203的內(nèi)部電阻RFILT構(gòu)成低通濾波器。由于ADXL203XL在加速度為0 g時(shí),輸出電壓為2.5 V,實(shí)際的傳感器是豎直安裝,因此Y軸方向上就存在一個(gè)固有的1 g的加速度,則YO引腳輸出電壓為3.5 V。由于本系統(tǒng)只關(guān)心橋梁的振動(dòng)情況,即加速度的變化情況,故設(shè)計(jì)了如圖2所示的交流放大偏置電路。ADXL203輸出的加速度信號(hào),經(jīng)過輸出電容濾波后,再由電容C7與C21耦合后得到交流加速度信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過精密雙運(yùn)放OPA2277UA組成的加法放大電路得到直流偏移電壓為2.5 V的共模信號(hào)。經(jīng)過上述電路就消除了傳感器安裝時(shí)導(dǎo)致的X、Y兩軸的信號(hào)直流電壓差異,得到兩路共模電壓為2.5 V的信號(hào),并送入后級(jí)ADC電路。圖2中的VREF為來自高穩(wěn)定度精密基準(zhǔn)源REF192GS的基準(zhǔn)信號(hào),其典型溫度系數(shù)為3 ppm/℃。

 

 

2.2 雙24位ADC同步采樣設(shè)計(jì)
 為了保證X、Y雙軸信號(hào)的嚴(yán)格同步采樣,以及采樣周期的準(zhǔn)確性,采用模擬開關(guān)切換的方式顯然不可行。本文采用了兩片高精度24位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714,使用其同步功能,同時(shí)采樣X軸與Y軸的加速度信號(hào)。AD7714[5]是美國(guó)ADI公司推出的一種高分辨率24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。由于AD7714采用了Σ-△轉(zhuǎn)換技術(shù),使其擁有小于150 nVrms的低噪聲,適用于寬動(dòng)態(tài)范圍、低頻信號(hào)的模擬前端測(cè)量。器件可以被配置為3個(gè)完整的差分輸入或者5個(gè)準(zhǔn)差分輸入,采用3 V或5 V供電可以很容易地實(shí)現(xiàn)多達(dá)5個(gè)通道的信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換,其最高數(shù)據(jù)輸出速率為1 kHz。
  AD7714是一個(gè)完整的用于低頻測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合的模擬前端。它的3線串行接口與SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通過軟件可對(duì)增益設(shè)定、信號(hào)極性和通道選擇作出配置。AD7714的主要特點(diǎn)如下:
  (1)最高可實(shí)現(xiàn)24 bit無誤碼輸出,同時(shí)保證0.001 5%的非線性度;
    (2)具有前端增益可編程放大器,增益值為1~128,內(nèi)含可編程低通濾波器和可讀寫系統(tǒng)校準(zhǔn)系數(shù);
  (3)有5通道輸入,可根據(jù)需要采用3路差分輸入或5路準(zhǔn)差分輸入;
  (4)低噪聲(<150 nV rms);
  (5)低功耗,典型電流值為226 &mu;A(省電模式僅為4  &mu;A);
  (6)采用單5  V供電(AD7714-5)或單3  V供電(AD7714-3)方式。
    在圖3中,U2、U4的同步信號(hào)引腳相連,U2的MCKOUT引腳連接到U4的MCKIN。當(dāng)兩片AD7714上電并被成功初始化后,控制器施加給兩片AD7714共同的同步信號(hào);當(dāng)兩片AD7714接收到同步信號(hào)后,將復(fù)位片內(nèi)的數(shù)字濾波器、寄存器、模擬調(diào)制器等處于復(fù)位狀態(tài);一旦同步信號(hào)結(jié)束則立即開始正常工作。由于兩片AD7714共用一個(gè)晶體振蕩器信號(hào),因此兩片AD7714的片內(nèi)工作時(shí)序是完全相同的,也就保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒中斷引腳D\R\D\Y\的狀態(tài)是完全一致的,兩片AD7714嚴(yán)格同步。

2.3 CAN通信接口設(shè)計(jì)
    本文采用STM32系列的Cortex-M3內(nèi)核控制器,其片內(nèi)自帶了滿足CAN2.0A與CAN2.0B協(xié)議的硬件通信接口,并使用CTM8251AT隔離型CAN收發(fā)模塊完成了CAN總線的高速數(shù)據(jù)通信功能。以下為CAN波特率的計(jì)算:
    BodeRate=PCLK1/CAN_Prescaler/(CAN_SJW+CAN_BS1+CAN_BS2)
    由于CAN是掛接在APB1總線上,因此采用時(shí)鐘PCLK1,當(dāng)PCLK1=72 MHz時(shí),波特率為=72/9/16=0.5 MHz,CAN_Prescaler的預(yù)分頻值為1~1024。
    在進(jìn)行CAN組網(wǎng)布線時(shí),需要注意的是,在中遠(yuǎn)距離應(yīng)采用120 &Omega;特征阻抗雙絞線,通信距離大于600 m以上,選用線徑大于0.75 mm2的電纜,超遠(yuǎn)距離線徑應(yīng)大于1.5 mm2。而且CAN總線的通信速率是隨著通信距離的增大而降低的,通常在1 km時(shí),最高波特率為35 kb/s,2 km時(shí)為18 kb/s,當(dāng)距離大于5 km則必須增加CAN中繼器,否則無法正常通信。
3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
    如圖4為橋梁振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)測(cè)得到的縱向垂直振動(dòng)加速度信號(hào)。本系統(tǒng)中還采用了DHT22型號(hào)的溫濕度檢測(cè)模塊與PH100SX型風(fēng)速風(fēng)向傳感器,這兩類傳感器和輸出都是數(shù)字信號(hào),接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,限于篇幅不再贅述。本系統(tǒng)的實(shí)際指標(biāo)如下:
    在線調(diào)節(jié)傳感器采樣率范圍為1~100 Hz;
    在線調(diào)節(jié)傳感器放大倍數(shù)為1,2,4,8,16,32,64,128;
    加速度測(cè)量范圍為0~&plusmn;1.7g,最大靈敏度為1 mg;
    加速度數(shù)據(jù)非線性度小于0.5%;
    嚴(yán)格同步雙軸振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量;
    單路CAN最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為60,CAN組網(wǎng)可達(dá)600個(gè)節(jié)點(diǎn)以上。

    本文所研制的多參數(shù)橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人值守的實(shí)時(shí)雙軸振動(dòng)信號(hào)采集、溫濕度采集以及風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量等功能。監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取各監(jiān)控橋梁的狀態(tài)信息,并自動(dòng)根據(jù)橋梁狀態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)報(bào)警。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于大型建筑體,攔河大壩等大型結(jié)構(gòu)體的遠(yuǎn)程健康狀態(tài)監(jiān)控。
參考文獻(xiàn)
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