基于頻率法的索力測量系統設計

唐光武，梁華鵬，向中富

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學 信息科學與工程學院，重慶 400074; 3.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

?

基于頻率法的索力測量系統設計

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學 信息科學與工程學院，重慶 400074; 3.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

根據振動頻率法測量索力的原理設計了基于單片機的簡易索力測量系統，完成了系統硬件總體方案研制和總體軟件設計；軟件包含處理器程序設計、IIC 總線傳輸模塊、頻譜分析、鍵盤控制與LCD模塊及上位機軟件。經過重慶大佛寺長江大橋的索力測量，實例驗證表明：系統適用性強，攜帶方便，操作簡單。

橋梁工程；索力；振動頻率法；索力測量實驗；軟件系統

0 引 言

斜拉索是斜拉橋主要承重構件之一，其拉力測試的準確與否直接關系到斜拉橋施工控制的順利進行和斜拉橋建成投入使用的安全運營。目前可用于斜拉索索力測量有如下幾種方法。

1)油壓表讀數法。即使用液壓千斤頂對拉索進行張拉，在使用時，常通過精密壓力表或者液壓傳感器測定油缸的液壓，從而換算出索力。該方法簡單易行，主要可用于在施工過程中控制和調節索的張拉，但不適合已建橋的索力監測。

2) 壓力傳感器法[1-2]。即將圓環形彈性材料和應變傳感材料組成穿心式壓力傳感器，安裝在拉索錨具和索孔墊板之間，拉索在張力作用下使彈性材料受到錨具和索孔墊板之間的壓力作用，并發生形變。通過應變傳感材料將彈性材料的變形轉換成可測量的電信號或光信號，再通過二次儀表處理，測量得到索力。

3)磁通量法[3-5]。即利用電磁傳感器，通過測量穿過拉索軸向的磁通量變化，再根據索力與磁通量變化的關系，推算出索力。該方法所用傳感器通常由激勵和感應線圈組成，不影響拉索的其它力學特性和物理特性。但該方法需要對傳感器進行應力和溫度測量的校正，比較麻煩。若需在工程中廣泛應用，還需解決溫度影響、材料影響、磁場影響和傳感器標定等關鍵技術[6]。

4)振動頻率法[7-9]。即利用附著在拉索上的精密傳感器，采集拉索振動信號，經過濾波、放大和頻譜分析，確定拉索自振頻率，然后根據自振頻率與索力的關系求得索力。用振動頻率法測試索力，需準確建立索力和頻率的對應關系，有時候可達到很高的精度。該方法測試索力具有操作思路簡單、設備可重復利用的優點，特別適用于對索力的復測和測試荷載對索力的影響。

筆者依據振動頻率法測量索力的基本原理，推導出拉索索力的實用計算公式，設計了基于單片機的簡易索力測量系統，完成系統硬件總體方案研制和系統總軟件設計。最后，針對重慶大佛寺長江大橋，完成拉索索力測量的效果驗證實驗。

1 振動頻率法測索力的理論推導

根據弦振動理論，在考慮抗彎剛度情況下，水平張緊索的自由振動方程為：

(1)

式中：x為沿索長方向的坐標；v(x，t)為t時刻拉索上各點的豎向位移；EI為索的抗彎剛度；T為拉索索力；m為拉索的線密度。

考慮當拉索兩端為鉸支時，由式(1)可推導得拉索平面內振動頻率和索張力之間關系：

(2)

式中：n為拉索自振頻率的階數；fn為拉索的第n階頻率；L為拉索的計算索長。

對式(2)進行微分可看出，索力的測試精度受到抗彎剛度、索長度、索的線密度以及基頻的影響。前期部分學者對索力測量精度的研究大都集中在抗彎剛度、索長度以及線密度等邊界條件[10-11]。若被測對象邊界條件完全確定，如何準確獲得拉索振動的基頻，結合選用性能優異的硬件系統，并完成軟件系統就顯得非常關鍵。

2 系統總體方案設計

2.1 系統硬件設計

所設計的索力測量系統由STC89C52單片機、加速度傳感器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制、RAM存儲單元和RS-232通信串口等組成，詳見圖1。

圖1 系統總體硬件設計Fig.1 Overall hardware system design

各個部件和單元的功能描述如下：

1)精密加速度傳感器獲取拉索振動的加速度信號，通過A/D轉換，送往處理器做處理；

2) 外部RAM 是用來存儲數據的，在原有基礎上進行擴展設計，以滿足數據存儲功能；

3)單片機除了用來處理加速度傳感器信號，還將數據輸出到液晶顯示器顯示，同時可通過通訊接口分別將時域振動信號和頻域信號送往上位機；

4)鍵盤控制可以通過人為輸入被測量對象的相關參數和數據，以便后續計算索力；

5)液晶顯示單元只顯示計算出的索力大小；

6)計算機顯示終端可顯示出振動的時域信號曲線和幅頻曲線，也可計算索力大小。

2.1.1 主要芯片選型

1)微控制器。該系統采用STC89C52RC單片機作為微控制器，STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有 8K 系統可編程Flash存儲器。

2)加速度傳感器模塊。該系統采用MMA8452Q加速度傳感器模塊來采集信號，它由傳感器及其外圍電路組成，MMA8452Q 是一款具有 12 位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機械加速度傳感器。

3)LCD顯示模塊。LCD顯示模塊作為一種被動顯示器，具有功耗低，顯示信息大，壽命長和抗干擾能力強等優點，在低功耗單片機系統中得到大量使用,最后選用液晶顯示器LCD1602來完成測量數據及相關結果顯示。

4)存儲器單元選型。該系統需要作1 024點或更高點的FFT運算，故單片機的512Byte的RAM空間顯然不能滿足要求，因此系統采用HM62256芯片擴展了64 k的RAM臨時存儲空間。

2.1.2 硬件電路設計與連接方式

1)單片機最小系統。包括晶振電路和復位電路，它是單片機能夠正常運行所需要的最小配置。

2)外部RAM存儲器電路。HM62256芯片與單片機的P0口和P2口相連。

3)液晶顯示器使用LCD1602，它的8根數據線與單片機的P1口相連來傳送數據或指令。

4)單片機微控制器與PC上位機通信采用串行通信的RS-232-C接口來完成。

2.2 系統軟件設計

整個系統軟件部分包含和單片機相關的處理軟件和上位機軟件兩大關鍵部分，其中單片機軟件包含IIC串行總線數據采集，頻譜分析軟件模塊，鍵盤控制及LCD顯示模塊等。

2.2.1 單片機軟件設計

單片機程序主要由IIC協議模塊、FFT程序模塊、數據處理模塊、液晶顯示模塊組成。振動頻率法測索力流程如圖2。

圖2 振動頻率法測索力流程Fig.2 Cable tension measurement flow with vibration frequency method

程序先將加速度傳感器采集的信號通過IIC串行總線傳給單片機，單片機同時將其傳到上位機作為時域信號，然后單片機將加速度值作FFT后求其幅值，并將幅度值做一些濾波處理后傳給上位機用作頻域信號，也可通過鍵盤掃描輸入拉索參數，送液晶顯示后計算拉索的索力大小。

2.2.2 利用IIC串行總線的數據采集軟件

1)IIC總線簡介及工作原理

IIC總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備(特別是外部存儲器件)。IIC總線進行數據傳送時，時鐘信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。

2)IIC總線程序流程(圖3)

系統中單片機(主機)只需要從加速傳感器(從機)讀取數據，不需向傳感器寫入數據，程序的關鍵之處在于要根據IIC協議嚴格的控制時序，對時序要求很高。

圖3 IIC總線程序流程Fig.3 IIC program flow diagram

2.2.3 頻譜分析軟件模塊

FFT(Fast Fourier Transformation)，即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變的算法進行改進獲得的。

基2-FFT算法：包括按時間抽取和按頻率抽取算法。筆者采用按時間抽取的基2-FFT算法，通過設計包含輸入倒位序、輸出自然順序等系列模塊的FFT程序。程序包括變址算法和L級遞推計算兩大部分，變址采用雷德倒序算法。

2.2.4 鍵盤控制及LCD顯示

系統通過按鍵來對液晶的顯示進行控制，主要控制參數的輸入和其它一些相關的操作。

2.2.5 上位機軟件設計

上位機利用VC++ 6.0軟件自帶的通信控件Mscomm接收到單片機實時傳來的時域和頻域信號，之前需要完成MFC界面的設計和對Mscomm控件進行屬性設置和事件響應函數的程序編寫，然后通過插入的畫圖控件Teechart畫出接收到的時域和頻域曲線，然后軟件掃描頻域曲線，輸入拉索參數后自動計算出索力大小，如圖4。

圖4 上位機程序Fig.4 Block diagram of host machine

3 系統測試及結果分析

3.1 測前系統自我檢測

在具體測試索力前，對研制的索力測量系統進行我檢測。讓傳感器模塊作類似簡諧運動，然后觀察上位機畫出的時域曲線是否類似于正弦波，以檢測系統是否連接正確和正常工作。

3.2 測試過程

重慶大佛寺長江大橋位于重慶朝天門碼頭下游約5 km處，總長1 168 m，橋面寬30.06 m，雙向6車道，為雙塔雙索面斜拉橋。測試對象是重慶大佛寺長江大橋南跨橋第1，5，6根拉索。測試過程如下：

1)將傳感器模塊用膠帶捆扎在待測拉索上，然后系統上電，這時，液晶上顯示“welcome”；

2)在上位機上設置串口號和波特率，然后點擊“開始采集”按鈕，再在下位機上按下按鍵s5的同時給拉索一個激勵信號，可以觀察到液晶上顯示“waiting”字樣，同時上位機軟件開始繪制1024點的時域曲線，繪制完畢后開始繪制512點幅頻曲線，之后液晶上顯示“over”字樣；

3)在上位機上輸入拉索參數后，點擊“計算索力”按鈕，這時自動計算出所測拉索的索力大小；

4)在下位機上按下按鍵s6，液晶上提示輸入拉索參數，然后即可通過按鍵s1，s2，s3輸入參數，輸入完成后按下按鍵s4，液晶上就會顯示出索力大小。

以上功能和結果經過多次測試都可以非常穩定和比較完美的實現。

3.3 測試結果

1)在分別測試了南跨橋第1，5，6根拉索后，上位機對從串口接收的數據進行繪制的時域曲線和頻域曲線，如圖5。可以發現，圖5中均出現了部分奇點，由于出現的奇點不多，因此并不影響對采集的信號作FFT的結果。

圖5 第1、5、6根拉索測試結果Fig.5 Cable tension test results of the 1st, 5th, 6th cable

2)從幅頻特性曲線可以清楚地看到有2個波峰，第1個波峰所對應的頻率就是系統需要的基頻，2個波峰的間距與基頻基本同。通過程序掃描可得出此基頻，并根據此頻率和用戶輸入的和被測對象相關的參數即可計算得出索力大小。

3)第1，5根拉索時域和頻域曲線檢測的曲線情況基本相同，而第6根拉索測量結果的幅頻曲線并不規則。它們的幅頻曲線中均出現了部分奇點，但這并不影響對采集信號作FFT的結果。

4 結 論

筆者從硬軟件設計及試驗角度出發，就索力測量系統的相關問題做了較深入的分析，得出如下結論：

1)所設計的基于單片機的索力測量系統在工程現場，只需輸入少量參數，完成拉索振動信號采集、信號的快速傅立葉分析和對應的索力大小計算，并可在線自動完成。

2)根據隨機振動法索力測量的原理設計了嵌入式索力測量系統，該系統適用性強，成本低廉、攜帶方便，操作非常簡單。

3)實驗結果表明，系統可比較精確的拾取振動信號，可以獲得準確的索振動基頻，滿足頻率法測量索力方式的信號采集的主要功能。

[1] 張戌社,杜彥良,孫寶臣,等.光纖光柵壓力傳感器在斜拉索索力監測中的應研究[J].鐵道學報,2002,24(6):47-49. Zhang Xushe,Du Yanliang,Sun Baochen,et al.Application of optical fiber grating pressure sensor on monitoring of cables’ tension [J].Journal of the China Railway Society,2002,24(6):47-49.

[2] 陳海清,黃飛.光纖光柵測力環及其應用[J].華中科技大學學報:自然科學版,2005,33(5):58-60. Chen Haiqing,Huang Fei.The test-force ring of fiber optical gratings and its application [J].Journal of Huazhong University of Science and Technology:Nature Science Edition,2005,33(5):58-60.

[3] 姜建山,唐德東,周建庭.橋梁索力測量方法與發展趨勢[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2008,27(3):379-382. Jiang Jianshan,Tang Dedong,Zhou Jianting.Progress and developing trend of cable stress measuring methods of bridge [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(3):379-382.

[4] 唐德東,黃尚廉,陳偉民,等.旁路勵磁的磁彈性傳感器研究[J].儀器儀表學報,2007,28(7):1159-1161. Tang Dedong,Huang Shanglian,Chen Weiming,et al.Research on cable tension sensor based on magneto-elastic effect with bypass excitation [J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2007,28(7):1159-1161.

[5] 龍躍,鄧年春,朱萬旭,等.磁通量傳感器及其在橋梁檢測中的應用[J].預應力技術,2007(2):3-6. Lung Yue,Deng Nianchun,Zhu Wanxu,et al.Elastomagnetic sensors and its application in prestressed bridge detection [J].Prestress Technology,2007(2):3-6.

[6] 陳偉民,姜建山,章鵬,等.鋼纜索索力磁性傳感理論模型與實驗研究[J].儀器儀表學報,2010,31(4):794-799. Chen Weimin,Jiang Jiansha,Zhang Peng,et al.Modeling and experiment of cable tension magneto-sensor [J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,31(4):794-799.

[7] 吳康雄,劉克明,楊金喜.基于頻率法的索力測量系統[J].中國公路學報,2006,19(2):62-66. Wu Kangxiong,Liu Keming,Yang Jinxi.Frequency method based cable force measurement system [J].Chinese Journal of Highway,2006,19(2):62-66.

[8] 淡丹輝,陳艷陽.阻尼器對頻率法拉索索力測量的影響[J].振動、測試與診斷,2013,33(4):676-681. Dan Danhui,Chen Yanyang.Influence study of cable tension measurement for stay cable attached with dampers [J].Journal of Vibration,Measurement & Diagnosi,2013,33(4):676-681.

[9] 張運波,林玉森,高偉,等.部分斜拉橋的索力測試與分析[J].橋梁,2005(5):63-65. Zhang Yunbo,Lin Yusen,Gao Wei,et al.Staying power test and analysis section of the cable-stayed bridge [J].Bridges,2005 (5):63- 65.

[10] 任偉新,陳剛.由基頻計算拉索拉力的實用公式[J].土木工程學報,2005,38(11):26-31. Ren Weixin,Chen Gang.Practical formula for calculating the fundamental frequency of the cable tension [J].Civil Engineering Journal,2005,38 (11):26-31.

[11] Kima B H,Park T.Estimation of cable tension force using the frequency-based system identification method [J].Journal of Sound and Vibration,2007,304:660-676.

Design of Cable Tension Measurement System Based on Vibration Frequency Method

(1. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co. Ltd., Chongqing 400067, China; 2. School of Information Science & Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 3. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to the principle that cable tension can be measured by vibration frequency method, the simplified cable tension measurement system based on SCM was designed, and both whole hardware and whole software design systems were finished. The whole software included the processing program about MCU, IIC bus program flow, frequency spectrum analysis, key control, as well as LCD module and host computer software. Finally, the cable tension measurement experiment with Dafosi Bridge of Yangtze River was carried out, and the experimental results showed that this measurement system was applicable, portable and easy to use.

bridge engineering; cable tension; vibration frequency method; cable tension measurement experiment; software system

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.05

2014-04-17；

2014-07-13

國家自然科學基金項目(51308573)；中國博士后基金項目(2011M500144)；重慶市教委項目(KJ100421)；重慶市科委應用開發項目(cstc2014yykfA70005)；重慶市博士后日常資助項目(渝RC2011001)

U443.38;TU997；TP212.12

A

1674-0696(2015)05-025-04