基于WIFI的無線橋梁應變采集系統

岳鵬程，周曉旭，郭曉澎

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

應變是表征橋梁工程結構安全狀態的重要指標，結構應變過大，會導致橋梁結構產生裂紋與損傷，進一步發展會產生斷裂甚至結構破壞。因此，橋梁運營中的應變監測對保障橋梁結構的安全運營具有重要意義[1-2]。

傳統的橋梁結構檢測多采用有線聯結方式，施工周期長、測試效率低，對人力、物力、財力的消耗極大，此外還存在操作過程繁瑣以及容易接錯線等諸多缺陷[3]。有線的橋梁結構檢測技術已經越來越不能滿足橋梁結構安全運營的需求，開發一個可靠性好、準確性高、兼容性好、適于遠距離對橋梁進行實時監測的系統十分必要。

對比分析幾種常用的無線通信方案，見表1。

表1 幾種常用的無線通信技術對比分析

可以看出WIFI無線通信技術具有傳輸效率高、覆蓋范圍廣、可容納節點數量多、組網方便、成本低等綜合優勢，能夠滿足橋梁結構監測數據無線通信的要求[4-6]。

1 橋梁無線應變采集系統概況

橋梁無線應變采集系統是一套專門針對橋梁應變監測與分析的系統，圖1為無線應變采集系統組成示意圖。

圖1 無線應變采集系統組成示意圖

該系統主要由應變采集電路、數據傳輸網絡和上位機應變采集軟件組成。應變采集電路實現被測橋梁結構應變從物理信號到模擬電壓信號再到數字信號的轉換，主要由惠斯通電橋電路、信號調理電路以及最小單片機系統組成；數據傳輸網絡將采集的現場數據傳輸給上位機，組網方案如圖2，在現場應變采集設備中集成了WIFI模塊，經由路由器轉發完成與上位機的無線數據通信；上位機監測軟件實現控制指令發送、數據接收以及對接收數據的處理、顯示、分析和報表等功能。

圖2 無線通信配置及組網結構

2 應變采集電路關鍵電路設計

應變采集電路主要由應變橋式電路、信號調理電路、AD轉換模塊、單片機系統、WIFI無線通信模塊和供電模塊組成[7]，其組成框圖如圖3。

圖3 無線數據采集設備組成框圖

2.1 應變橋式電路設計

由于電橋線性好、靈敏度高、測量范圍寬、易于實現溫度補償[8]，系統采用惠斯通電橋電路作為信號轉換電路，把監測點的應變信號轉換成電壓信號。

但是，如圖4所示，實際橋梁應變測量中應變片在橋上的貼片位置與設備的放置位置至少有10 m的距離，即電橋電路中連接應變片的橋臂除應變片阻值外還會接入10 m導線的線阻，約為0.4 Ω，會引起0.33%的測量誤差。系統設計的惠斯通電橋電路如圖5，應用負反饋的方法，將橋路輸出正端CH_+IN與運算放大器LM301的CH_+S相連構成電壓跟隨器，有效消除了橋路導線電阻引起的壓降，提高系統測量的準確性。

圖4 設備在橋面上布置的示意圖

此外，橋梁應變檢測中惠斯通電橋輸出電壓僅為mV級，因此需要在模數轉換之前先將電橋電路的輸出電壓進行放大，達到V級，以提高系統測量精度[9]。系統設計時將電橋的輸出電壓輸入到運算放大器INA118，放大100倍后輸出到單片機的A/D采集通道。

圖5 惠斯通電橋電路

2.2 單片機系統電路設計

應變采集裝置的單片機系統是以ADI公司的高性能數據采集與處理系統ADuC845芯片為核心的，該芯片集成了AD數據轉換器、閃存和可編程微控制器，其24位的高分辨率和Δ-∑轉換技術保證了數據采集的精度[10]。

2.3 WIFI無線數據傳輸模塊

現場無線應變采集裝置中集成了WIFI無線數據傳輸模塊，實現系統的無線數據通信功能。圖6為無線數據傳輸電路，由于單片機與WIFI模塊的電平不一致，需要通過TXB0104D實現5 V到3.3 V電平轉化才能保證正常通訊。

3 系統測試試驗

基于山西省交通科學研究院橋梁所的等截面純彎曲梁試驗系統，對比分析以有線方式傳輸數據的應變儀和以無線通信方式傳輸數據的無線應變采集系統的多組試驗數據，驗證無線應變采集系統在實際應用中的可靠性。

3.1 標定無線應變采集系統

在對比試驗之前首先采用電標定的方法對系統進行靜態標定。使用分辨率為1με、量程范圍0～100000με的LANCE MEASUREMENTTECHNOLOGIES CO.LTD公司的LC1501標準應變模擬儀產生標準電信號，用這種電信號模擬標準應變信號，在保證實驗室溫度恒定的前提下，調節標準應變儀的輸入應變值，涵蓋了不同數量級，不同精度變化的應變輸入，記錄系統輸出的測量數據。無線測試系統標定結果如圖7。

圖6 無線數據傳輸電路

圖7 無線測試系統標定結果

從圖7中可以看出，系統輸出曲線線性好，與標準輸出曲線y=x幾乎重合，經計算系統輸出曲線擬合函數的斜率為0.99221，與標準輸出曲線斜率1的誤差僅為0.779%，可見標定后的無線應變采集系統的輸出結果與輸入的標準應變數值相一致，測量準確。

3.2 對比試驗測試分析

對比試驗基于山西省交通科學研究院橋梁所的等截面純彎曲梁試驗系統，試驗裝置示意圖如圖8a，梁的靜態加載通過架梁和液壓千斤頂實現。標準等截面純彎梁的尺寸及應變片貼片位置如圖8b，3號、4號應變片貼于梁的跨中位置，且3號應變片靠近梁的上頂面，1號、2號應變片粘貼位置距離梁的跨中靠左側位置處，且1號應變片靠近梁的上頂面。選用東京測器的TDS-530高速靜態數據采集儀作為有線試驗對比對象，其最高分辨率可達到0.1με，較自行開發的無線應變采集系統精度高一個數量級。

試驗時，采用單點跨中集中加載，載荷分6級單次逐級遞加，分別為 15 kN、30 kN、45 kN、60 kN、75 kN、90 kN，分別記錄每片應變片TDS-530有線測試設備和無線應變采集系統在各級荷載作用下的應變輸出，兩臺設備輸出比較結果和誤差分析見表2。

圖8 等截面純彎曲梁試驗系統（單位：mm）

表2 試驗荷載作用下實測應變和誤差

由表2數據分析后得知，無線應變采集系統的測量值和有線儀器的測量值非常接近，兩者相對誤差最大為9.38%，最小為0.67%，滿足橋梁靜態載荷誤差小于10%[11]的要求。根據材料力學理論推導

由公式（1）可以看出當等截面純彎曲梁尺寸、材料、載荷加載位置和貼片位置一定時，應變ε是關于載荷F的一元一次函數。4片應變片的試驗曲線如圖9可以看出測試結果線性好，且梁的同一橫截面處斜率近似相等，各曲線擬合函數斜率見表3，即1號應變片和2號應變片試驗曲線平行、3號應變片和4號應變片試驗曲線平行，與理論推導結果相一致，認為系統在實際應用中性能穩定，測試準確。

圖94片應變片的試驗對比曲線

表34片應變片擬合曲線斜率

4 結語

橋梁無線應變采集系統實現了橋梁結構應變的遠程采集和無線通信，且經過試驗測試對比分析，可知系統采集數據準確可靠。系統具有測試效率高、采集控制靈活方便、穩定性好、成本低等優點，是解決現有大型橋梁工程檢測中布線及數據處理困難的有效途徑，且連續采集功能能夠為橋梁健康評估提供可靠的數據支持，具有一定的現實意義。該系統亦可應用于其他工程領域的應變測量，應用前景廣闊。