基坑支護結構應力實時監測系統設計

童志偉 鄧茹鳳

(中國地質大學(武漢)機電學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

幾十年來，高層建筑地下室、地鐵工程、市政道路立交橋、市政污水排放工程、地下商業街、人防工程等越來越多，深基坑的面積和深度向大而深方向發展［1］。當前，基坑監測是深基坑工程質量保證的三大基本要素之一。傳統的監測支護結構應力的方法較少，數據采集周期一般為3～5 d或者一個星期，有時甚至一個月。人們對支護結構的應力關注不夠，忽略了其重要性，而且精度不高、靈活性實時性不強、無法遠距離傳輸、勞動強度大。因此，基坑存在著很大的安全隱患。

針對目前基坑支護結構應力監測系統存在的不足，設計了一種分布式采集系統。該系統利用單線圈型振弦式傳感器［2］為基本組件，通過MAX485通信實現遠程無線傳輸［3］，同時硬件與軟件相結合實現實時監測。這樣大大縮減了現場測量時間，減輕了勞動強度。同時，提高了測量精度，便于保存分析，最終為基坑的正常運行和安全措施提供重要保障。

1 總體方案設計

經過查找資料，設計了以下三種方案:①微型計算機數據采集系統;②基于現成數據采集卡的集散型數據采集系統;③基于自主開發數據采集卡的集散型數據采集系統。從開發成本、數據處理能力、系統功能、維護難易、技術更新周期以及開放性等性能考慮，認為第三種方案較為可靠。從實際出發，整個系統測點多、分布范圍廣，采用分布采集方式為宜，即先將分散的傳感器信號通過現場采集子系統轉換成數字信號;經過處理后再通過遠程傳輸系統無線發送到監控中心的上位機。這樣減少了因傳輸線路太長而產生的信號衰減和噪聲干擾，從而確保了所采集信號的準確性。該結構是一種開放型分布式網絡結構，將現場采集子系統即具有微處理器的遠程數據采集站布設現場，完成所轄測點傳感器的激振、拾振、測量等一系列功能。這樣減少了數據的傳輸距離，簡單準確。總體來看，分布式系統具有網絡容量大、信號傳輸距離遠、可靠性高、通用性強、擴展維護容易等優點。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖Fig.1 Block diagram of the overall system structure

振弦式傳感器是目前國內外普遍重視和廣泛應用的一種非電量電測的傳感器，具有抗干擾能力強、受溫度影響小、性能穩定可靠、耐震動等一般諧振式傳感器的優點［4］。通過現場采集子系統，將采集到的張力信號再經過RS-485總線和無線傳輸相結合的方式與PC機進行傳輸通信。單個系統設計框圖如圖2所示。

圖2 單個系統設計框圖Fig.2 Block diagram of single system design

PC機通過串行通信模塊發送信號控制單片機開始工作，單片機再通過激振模塊使振弦式傳感器起振，產生的毫幅級電信號通過拾振模塊進行濾波放大和整形。同時利用振弦式傳感器所在的環境溫度進行溫度補償修正。最后由單片機將采集到的數據信號通過串行通信模塊傳輸到單片機顯示并分析。

2 硬件電路設計

根據基坑支護結構應力的原理和特性，本系統選用單線圈型振弦式傳感器，采用軟件掃頻技術［5］使傳感器起振。

2.1 單片機控制器

由于本系統要求運行速度快，且所在工作環境較差，所以需要抗干擾能力強、運行速度高、串口功能多的單片機。結合上述特點，選擇功耗少、體積小、易拆卸和不傷焊盤的貼片STC12C5A60S2單片機，其封裝為LQFP-44。

2.2 串行通信模塊

由于基坑支護結構應力監測系統中采集的是基坑支護結構的各種應力數據，并且這些應力數據關系到基坑運行的安全和整個基坑整體結構受力狀態的合理與否，所以對數據傳輸的穩定性和正確性有很高的要求。PC機串行口為標準的RS-232口，根據標準規定，RS-232采用負邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20 m以內的通信。而對于大多數分布式控制系統，通信距離為幾十米到幾千米不等，因此，采用RS-485通信。MAX485接口芯片采用差分信號進行傳輸;最大傳輸距離可以達到1.2 km;最大可連接32個驅動器和收發器;功耗小，驅動器擺率不受限制，傳輸速率高;完成TTL電平轉換等功能，滿足設計要求。

2.3 激振模塊

一般單線圈振弦式傳感器的固有頻率范圍是400～4500 Hz，其輸出頻率隨振弦傳感器所受壓力的變化而變化。本系統采用軟件掃頻激振技術［6］。具體方法是:由參數輸入電路輸入掃頻信號頻率的上限值fmax和下限值fmin，并設置相鄰兩個掃頻信號頻率的差值Δf，將這些參數存儲在單片機的片內EEPROM中。這樣，輸出的激振頻率可控性好、速度快。

2.4 拾振模塊

由于感應電勢的頻率就是振弦的固有頻率，所以對振弦頻率的拾取就是對線圈中感應電勢的頻率拾取。拾振線圈中感應電勢的頻率檢測電路由濾波放大電路、整形變換電路兩部分組成。

對整形后的信號進行等精度測頻計數。等精度測頻技術［7］就是使用兩組計數器，其中一組計數標準頻率F(由有源晶振產生)的信號計數值N，另一組(利用處理器內部一個16位計數器)記錄被測頻率f的信號計數值n。通過軟件控制兩組計數器同時開始、同時結束。利用等精度測頻公式f=nF/N可準確地得到被測頻率f。

2.5 溫度調理模塊

由于傳感器零件材料熱膨脹系數的不同，導致了溫度誤差，因此須選用適當的溫度補償方法，以減少測量誤差。目前，溫度補償法分為硬件補償和軟件補償。但是硬件補償存在一定的問題，無法實現高精度的要求，而軟件補償則很好地解決了這一問題。本系統采用數字溫度傳感器DS18B20。它具有傳感器、變送器與A/D轉換器三大功能，可直接將溫度信號轉換為數值信號輸出。DS18B20將得到的溫度信號和其他相關信號一起輸送到單片機或上位機中，通過運行補償算法達到溫度補償的目的。

2.6 電源模塊

由于單片機所需的供電電壓為3.5～5.5 V，本系統采用12 V轉5 V的形式為整個系統提供穩定電壓。該方法既簡單又省電。

3 上位機部分

本系統是將下位機采集到的信號傳輸給上位機，上位機接收信號并處理分析顯示，遇到情況時及時報警［8］。系統采用 LabVIEW 編程語言［9］。該語言最主要的兩個特點是圖形化編程和數據流驅動［10］。

上位機系統主要包括以下幾個方面。

①用戶登錄界面

當登錄本系統時，操作人員需要持有正確的用戶名及密碼，否則無法對本系統的參數做任何的修改且不能保存數據。

②串口配置設置界面

該界面功能是控制程序的運行、數據的讀寫及通信協議等相關內容。

③監測及報警界面

該界面主要是通過監測實現報警的功能。在上位機接到數據以后，將數據與設置的基坑支護結構應力的平均值、累計值、速率等進行比較。當數據超過警戒線時，對應觀測點的指示燈會閃爍并發出警報聲，同時彈出對話框，顯示出現風險的原因。

④數據圖表顯示界面

該界面功能是線性顯示各監測點的數據。操作人員根據需要，可使用圖表工具對圖表進行放大、平移等操作，并將同一個圖表中不同監測點的數據再線性地顯示出來，以便操作人員同時觀察不同觀測點的數據變化情況，對其進行研究與分析。

⑤參數設置界面

該界面主要功能是根據選擇傳感器的不同設置實現數據處理的相關內容。不同基坑設置相應監測點的警戒值，對于需要求平均變化速率的測點，可對其設置計算周期。當設計值有所變化時，可以更改相應的系統參數。

⑥數據回放界面

該界面功能是根據用戶需要對之前保存的數據進行回放，可在數據回放歷史時間內輸入需要回放的數據長度。通過調節數據回放速度旋鈕，可實現數據回放速度的調節。點選回放數據點下拉列表可選擇回放的數據點。在時間項中寫入相應時間可實現數據的定時定點查詢。點擊數據回放按鈕，在彈出的對話框中選擇要回訪的表格文件。

⑦數據查看界面

該界面主要用于系統的調試，在使用過程中觀察數據緩沖區的使用情況。點擊顯示按鈕可選擇顯示緩沖區。

⑧報表

該界面主要是實現對報表的選擇以及相關數據的輸入，點擊打印按鈕可打印用戶所需報表。

⑨用戶退出界面。

該界面能夠實現用戶安全退出系統，系統彈出會對話框詢問用戶是否確定退出程序。

4 結束語

本文主要研究對象是基坑支護結構應力在線實時監測。本設計克服了傳統的監測方法，實現了數據的遠距離傳輸和實時監測，并且精度高、操作方便、效率高、勞動強度小、實時性強。采集者可以通過本系統隨時掌握土體和支護結構的內力變化情況，了解臨近建筑物、構筑物的變形情況，由上位機對比分析和及時報警［11］。這樣就能全面掌握基坑健康狀況，達到信息化施工的目的，提高工程質量。

［1］唐孟雄，陳如桂，陳偉.深基坑工程變形控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［2］鄧鐵六，白泰禮，馬俊亭，等.單線圈電流型振弦式傳感器［M］.傳感器技術，2000，19(4):22 －25.

［3］韓濤，廖傳書.一種基于振弦式傳感器的橋梁應力監測系統的實現［P/OL］.［2009 － 03 － 18］.http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/200903－654.

［4］Maki M，Nieh R，Dickie M.Field testing of out door intrusion detection sensors［C］∥36th Annual 2002 International Carnahan Conference，2002，10(6):171 －178.

［5］呂國芳，李東明，劉希濤.振弦式傳感器掃頻技術［J］.自動化與儀表，2006，3(3):79 －81.

［6］江修.基于掃頻激振技術的單線圈振弦式傳感器［J］.傳感器技術，2001，20(5):22 －24.

［7］江修，經亞枝，張煥春.用等精度測頻方法實現振弦式傳感器頻率測量［J］.傳感器技術，2001，20(6):53 －55.

［8］柏林，王見，秦樹人.虛擬儀器及其在機械測試中的應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［9］徐曉東，鄭對元，肖武，等，LabVIEW8.5常用功能與編程實例精講［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［10］汪敏生.LabVIEW基礎教程［M］.北京:電子工業出版社，2002.

［11］孫凱，許正剛，劉庭金，等，深基坑的施工監測及其數值模擬分析［J］.巖土力學與工程學報，2004，23(2):293 －298.