文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.018
中文引用格式： 蔡鄂，李東明，胡亞斌，等. 基于MEMS的遠(yuǎn)程橋梁索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：68-70.
英文引用格式： Cai E，Li Dongming，Hu Yabin，et al. Design of remote bridge cable force monitoring system based on MEMS[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：68-70.
0 引言
拉索是現(xiàn)代橋梁中承擔(dān)橋梁荷載最重要的構(gòu)件，控制著整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和線形[1]。在環(huán)境激勵(lì)如大地脈動(dòng)、風(fēng)雨等作用下引起的拉索振動(dòng)，導(dǎo)致拉索索力分布發(fā)生改變，因此對(duì)拉索橋的拉索進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)至關(guān)重要?；谡駝?dòng)和沖擊方法的索力測(cè)量方法是目前使用振動(dòng)傳感器測(cè)量拉索索力中廣泛使用的一種方法[2-3]，但是這種基于有線通信方法的測(cè)量方案的成本較高，而且在一些大跨度的橋梁環(huán)境中，進(jìn)行有線通信布置的困難日益突出。在工程結(jié)構(gòu)使用過程中，柔性拉索結(jié)構(gòu)往往由于腐蝕和振動(dòng)等原因受到損害，導(dǎo)致拉索的索力松弛。拉索是張拉結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，在使用過程中遭受的損害將會(huì)給大跨度結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性后果。受損的拉索索力發(fā)生變化從而影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，因此整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的索力分布可以用作衡量結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康與否的重要指標(biāo)。在工程施工期和運(yùn)營(yíng)期，都有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)索力變化。基于此，本文提出基于MEMS和WiFi的索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以利用振動(dòng)法實(shí)現(xiàn)在線橋梁拉索的振動(dòng)基頻識(shí)別并計(jì)算索力大小，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)無法快速組網(wǎng)監(jiān)測(cè)、快速接入互聯(lián)網(wǎng)的缺陷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)在線、快速的拉索索力監(jiān)測(cè)。
1 基于振動(dòng)與沖擊的頻率法測(cè)索力原理
基于振動(dòng)與沖擊的頻率法是根據(jù)拉索自由振動(dòng)時(shí)張力與頻率之間關(guān)系進(jìn)行間接測(cè)量，通過測(cè)定拉索的固有振動(dòng)頻率，反演計(jì)算拉索的內(nèi)部張力。拉索自由振動(dòng)的微分方程為：
其中：t為振動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻，x表示沿索向的坐標(biāo)，y=y(x，t)為拉索在t時(shí)刻垂直于索軸向的撓度，EI為索的抗彎曲剛度。對(duì)式(1)采用分離變量法求解，并假設(shè)系統(tǒng)的邊界條件為兩端鉸支，到拉索的軸向拉力F與振動(dòng)頻率fn的關(guān)系為：
其中：F為索內(nèi)力，不隨時(shí)間改變，m為分布均勻的拉索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，l為索的自由長(zhǎng)度，EI為抗彎剛度，n為振動(dòng)頻率的階數(shù)。但由于弦振動(dòng)理論沒有考慮拉索的垂度等影響，在很多實(shí)際應(yīng)用中將帶來很大的誤差（另外，由于垂度的影響會(huì)使得拉索在自由空間的3個(gè)平面上具有不同的頻率特性，該特性將在后續(xù)的論文中進(jìn)行研討），所以該理論只能用做索力值的大致估算[4-5]。毛幸全等[6]采用索振動(dòng)的一階型，用能量法推導(dǎo)出考慮拉索垂度等影響時(shí)基頻與索力之間的關(guān)系，同時(shí)利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合來建立通過拉索的基頻計(jì)算索力的公式。引入代表垂度等影響的無量綱常數(shù)λ，得到考慮索垂度和彈性影響的索力實(shí)用公式如下：
2 基于MEMS的無線索力測(cè)量系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
無線索力測(cè)試系統(tǒng)可以分為三層：第一層為物理層，主要包括布置在橋梁斜拉索上面的基于WiFi的加速度傳感器節(jié)點(diǎn)；第二層為數(shù)據(jù)傳輸層，主要由無線網(wǎng)關(guān)組成，將無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器[7-10]；第三層遠(yuǎn)程服務(wù)器端，主要由LabVIEW軟件組成，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)與處理。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖2是傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
2.2 加速度傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
2.2.1 加速度傳感器電路設(shè)計(jì)
加速度傳感節(jié)點(diǎn)采用AD公司的MEMS加速度器件ADXL335作為加速度傳感核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，Z軸加速度的信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。
2.2.2 AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)
拉索振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇，對(duì)加速度傳感器的低頻特性、靈敏度以及數(shù)據(jù)采集的速率、分辨率都有較高的要求。A/D轉(zhuǎn)換器采用1通道、24 位轉(zhuǎn)換器ADS1255，微控器選用數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)勁的32位處理器PIC32MX795，連接關(guān)系如圖5所示。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析
實(shí)驗(yàn)分為兩部分，一是檢驗(yàn)無線加速度數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能和性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,同時(shí)也是驗(yàn)證電路軟硬件設(shè)計(jì)的合理性，為最終設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)；二是將MEMS節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在實(shí)際拉索上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。
3.1 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)比
測(cè)試依據(jù)加速度計(jì)檢定規(guī)程JJG233-19%標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用了比較法中頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置(YS12-1/ZF)。該試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由振動(dòng)臺(tái)WH-2651、功放2719、標(biāo)準(zhǔn)傳感器BK-8305、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)等組成。
3.1.1 傳感器頻率響應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)將MEMS加速度傳感器的三個(gè)軸分量和目前常用的兩款加速度傳感器，即941型電磁式傳感器和朗斯LC01系列壓電式加速度傳感器進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1。
3.1.2 軸間串?dāng)_實(shí)驗(yàn)
假設(shè)振動(dòng)臺(tái)是理想的，測(cè)量只存在Z軸振動(dòng)時(shí)，將量程設(shè)置為6 g，Y軸的加速度響應(yīng)測(cè)量結(jié)果如表2。
根據(jù)以下公式計(jì)算軸間串?dāng)_：
3.2 實(shí)橋測(cè)試
測(cè)試對(duì)象分別為武漢某斜拉索橋、某橋吊桿，把加速度傳感節(jié)點(diǎn)布置在索、吊桿進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)為了驗(yàn)證在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下無線傳感系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了傳統(tǒng)加速度對(duì)比試驗(yàn)。圖6上方為MEMS加速度傳感節(jié)點(diǎn)，下方為內(nèi)置ICP壓電式加速度傳感器LC01系列加速度傳感器。圖7為MEMS加速度傳感器節(jié)點(diǎn)的功率譜測(cè)量結(jié)果。
4 結(jié)論
本文論述了基于振動(dòng)和沖擊的頻率法測(cè)量橋梁拉索索力的原理，介紹了基于MEMS和WIFI接入互聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)的整體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)臺(tái)測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)拉索橋的索力測(cè)試。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)橋梁的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，基于MEMS加速度傳感器的索力測(cè)量系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)良、低功耗、容易接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓電式加速度傳感器測(cè)量方案，具有很高的推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 周先雁，王智豐，馮新.基于頻率法的斜拉索索力測(cè)試研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(2)：102-106.
[2] 鄭燦.基于頻率法的索力測(cè)試方法及索的損傷研究[D].浙江：浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程，2008：1-3.
[3] 劉志軍，陳國(guó)平，黨志杰.檢測(cè)斜拉索張力的振動(dòng)法及其應(yīng)用[J].南京航天航空大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(5)：609-612.
[4] 石春香，李胡生，林立.考慮剛度及邊界條件的短索索力求解與試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2010，30(2)：86-91.
[5] 吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測(cè)量系統(tǒng)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19(2)：62-66.
[6] 毛幸全，劉航，喻言，等.基于無線傳感系統(tǒng)的斜拉橋索力測(cè)試與分析[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（2）：271-276.
[7] KIM B H，PARK T.Estimation of cable tension force using the frequency-based system identification method[J]．Journalof Sound and Vibration，2007，304：660-676.
[8] Yu Yan，Zhao Xuefeng，Wang Yang，et al.A study on PVDFsensor using wireless experimental system for bridge structurallocal monitoring[J]．Journal of Telecommunication Systems，2011.
[9] 曹建福，金楓.大型裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(4)：571-574.
[10] 溫淑慧.一種電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18(2)：329-332.