基于無線傳感技術的橋梁應變采集系統設計

周曉旭，岳鵬程，郭曉澎，楊 瑩

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

橋梁是交通運輸中非常重要的環節，它使用情況直接影響著與其相關的交通樞紐的安全運行。通常，橋梁結構的設計使用壽命可達幾十甚至上百年，但在實際使用過程中受到材料老化、腐蝕、交通運輸量變化、凍融損壞等諸多不利因素的影響，橋梁結構不可避免地產生損傷積累、承載能力下降、抗力衰減、橋梁耐久性降低，最終可能導致災難性事故的發生[1-2]。

為了確保橋梁的安全運營，就需要確定橋梁結構的健康狀態，而應變是橋梁健康狀態評估的重要指標[3-4]。當前橋梁應變檢測的數據傳輸方式基本采用有線電纜方式完成，此技術雖有數據傳輸效率高、準確性高和技術成熟的優點，但在大型橋梁結構測試中，隨著橋梁跨徑的增加，應變采集點數量隨之增加，將引入大量的有線電纜。有線電纜用量增加，一方面，布置和撤離電纜工作量增大，導致現場測試周期長、效率低，甚至可能導致幾千米的有線電纜布線工作量難以實施；另一方面，應變采集點距離調理和采集設備較遠，即使采集設備有很高的測試精度，電纜線引入的噪聲也會影響到測試的精度；此外，眾多的有線電纜分布復雜凌亂，容易接錯線位，為后期的數據處理帶來難以補救的損失等[5]。因此，橋梁無線傳輸數據采集技術越來越多地受到研究人員的關注，也為橋梁健康監控數據采集方式提供了更優選擇[6-7]。

針對傳統應變采集有線數據傳輸方式上的種種不足，結合當前橋梁載荷測試技術的特點和橋梁檢測的用戶需求，根據惠斯通電橋測量應變的工作機理，提出了一種基于無線傳感技術的橋梁應變采集系統的設計方案，該設計方案相較傳統的有線檢測，能夠在保證測試系統穩定性、可靠性的同時，能夠快速、方便地完成應變的檢測。

1 無線應變采集系統總體設計

無線應變采集系統結構采用星型網絡拓撲結構，如圖1a和b所示，可實現無線和有線兩種數據傳輸通訊，即無線數據傳輸為主，有線數據傳輸為輔（復用），用戶可以根據實際需要，選用更為適合實際測量工況的數據傳輸方式。

無線應變采集系統由應變采集模塊（群）、路由器、現場采集計算機組成。其中應變采集模塊實現現場應變的信息采集、調理、通訊功能，可以根據實際測量需要進行擴展，每個模塊可以實現8路應變數據采集，并通過接收發送模塊與上位機進行無線通訊；無線路由器通過無線方式實現現場采集計算機與應變采集模塊數據交換；現場采集計算機實現對所有數據采集模塊指令的下發和數據處理，并根據采集結果進行定制化顯示、分析和數據報表。

圖1 無線應變采集系統網絡拓撲示意圖

2 無線應變采集系統關鍵模塊設計和實現

2.1 惠斯通電橋應變測量原理[8]

圖2 惠斯通電橋原理圖

設惠斯通電橋各橋臂電阻分別為 R1、R2、R3、R4；電橋A、C為輸入端，接直流激勵電源，輸入電壓為Uin，且等于UAC，而B、D為輸出測量端，輸出電壓為UBD，且等于Uout。根據電路之間的關系，有如式（1）數學關系：

如果橋臂電阻分別為 R1、R2、R3、R4，當橋臂電阻發生變化時，且各自的變化量分別為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4時，輸出電壓、輸入電壓和電阻變化量之間有如式（2）數學關系：

展開式（2），考慮到ΔR/R值一般很小，忽略ΔR/R二次項，得：

當R1=R2=R3=R4=R，電阻R為高精度的標準電阻，式（3）可簡化變為：

式（4）分母中含有△R1/R項，且應變片的電阻變化率該值遠小于1，因此，可忽略分母中該項，即可得惠斯通電橋輸入、輸出電壓和電阻變化率的線性關系：

通常，應變采集系統采用電阻式應變片阻值的變化來反映被測物應變，且應變片遵循電阻變化率與被測物表面貼片處沿應力方向的應變呈線性關系，即：

式中：K靈敏度為應變片靈敏度，通常為2；ε為被測物應變值。聯立公式（5）和公式（6），公式（5）可簡化為：為無線模式。

公式（7）即為惠斯通電橋測量應變的計算公式。

2.2 應變采集模塊設計

應變采集模塊布置于被測點附近，實現對橋梁應變的測量以及數據的短距離無線傳輸，按功能大體由應變采集電路、電池管理電路、通訊電路3部分組成，其組成框圖如圖3所示。應變采集電路由，主要實現被測應變的采集，通過惠斯通電橋電路對電阻式應變進行電壓采集，經調理電路進行線損補償、濾波、穩壓、放大等變換為ADuC845能夠采集的電壓，根據電壓與應變之間的數學關系，計算出被測應變值。電池管理電路主要實現應變采集模塊內置鋰電池的充放電管理、電池保護、電量指示、應變采集電路電源等功能。通訊電路主要實現應變采集模塊與上位機采集軟件之間的通訊，可以實現無線（WiFi）與有線（以太網）兩種通訊模式的切換，默認

圖3 應變采集模塊組成框圖

圖4為應變采集電路的具體實現電路，該電路由運算放大器LM301、儀表放大器INA118、調整電路、橋路切換開關電路，以及外圍三極管、電容、電阻等構成。運算放大器LM301構成單點補償電路，并與電壓調整電路配合使用進行惠斯通電橋電纜線損補償，使橋路供電電壓與標準橋壓Ubri_ref動態相等；橋路切換開關電路主要是用于應變采集系統惠斯通電橋1/4橋、半橋和全橋的切換；精密儀表放大器INA118芯片及外圍電路用于放大惠斯通電橋輸出電壓，使數模轉換輸入電壓滿足適合的電壓范圍，本文放大倍數為100，其中UAD_in為輸入到AD轉換芯片輸入端，UAD_ref為輸入到AD轉換芯片的參考電壓；其中電壓調整電路和橋路切換開關電路不是本文所涉及重點，本文不再具體闡述。

圖4 應變數據采集單通道電路示意圖

圖5為通訊電路示意框圖，該電路實現主控芯片ADuC845經通訊電路、路由器與上位機采集軟件之間的通訊，一方面可以實現有線與無線模式切換，另一方面通過網線接入以太網，進行遠程訪問和實時監測。

圖5 通訊電路示意框圖

2.3 通訊協議設計

應變采集模塊與上位機系統軟件之間要可靠地傳輸數據，需要兩者之間建立有效的通訊協議。本系統基于異步串行通訊接口，設計滿足實際工程的通訊協議，實現上位機系統軟件對下位機應變采集裝置進行讀寫控制，數據傳輸協議分為參數配置指令、數據幀。

參數配置指令是用于上位機系統軟件對應變采集模塊的參數配置，其指令格式為：幀頭+設備編號+通道號+采用頻率+增益倍數+命令類型（參數配置、開始采集、結束采集）+累加校驗和+保留。

數據幀用于應變采集模塊的采集結果傳輸至上位機系統軟件，其指令格式為：幀頭+設備編號+通道號+通道數據+備用碼+CRC校驗碼。

2.4 上位機系統軟件設計

上位機系統軟件是無線應變采集系統的配套客戶端軟件，該軟件基于C#語言開發，具有采集控制與數據處理的功能。圖6所示為軟件功能結構圖。

3 試驗測試與分析

圖6 上位機軟件功能結構圖

為了驗證本文所涉及的無線應變采集系統，采用與標準應變模擬源進行對比試驗的方法。本試驗采用朗斯測試技術公司（LANCE）的標準應變模擬源LC1501，為抵消溫度對應變采集的影響，該采用惠斯通電橋半橋接法，該應變源模擬輸出范圍0～111 111 με，分辨率為 1 με。

標準應變源測試分為兩組試驗：小量程測試（0～5 000 με）和大量程測試（0～25 000 με）。測試采用對同一標準應變值進行100采集求平均值的方法，并計算誤差率。

由表1和圖7可知，本文所設計的無線應變采集系統，在小量程測試范圍內，標準源值與采集值具有良好的線性關系，應變誤差率總體小于0.1%。

表1 小量程標準應變源測試結果

圖7 小量程標準應變源測試示意曲線圖

由表2和圖8可知，本文所設計的無線應變采集系統在大量程測試范圍內，標準值與采集值具依然能夠具有良好的線性度，應變誤差率總體能保證1%以內的誤差率，其中0～10 000 με量程，系統能夠處于0.1%誤差率以內，而10 000～25 000με量程，誤差率處于1%以內。

表2 大量程標準應變源測試結果

由兩組實驗誤差率結果來看，本文設計的無線應變采集系統在0～10 000με量程中，誤差率處于0.1%以內，具有非常高的采集精度；而當量程超出于10 000～25 000 με之間，且隨著標準應變值增加，誤差變大，但誤差率處于1%以內，可以完全滿足橋梁結構實際工程測量。對于兩段之間出現的精度下降問題，究其原因，惠斯通電橋測量應變計算公式中，惠斯通電橋應變計算過程出現兩次多項式的忽略，分別來自于公式（3）和公式（5），該忽略的前提是ΔR變化較小，而當ΔR變化較大時，多項式對應變計算結果影響較大，如當ΔR變化影響導致整個計算每出現0.1Ω時，根據公式（7），1/4橋接線法將產生416.6 με的誤差。因此，誤差率隨標準應變值增加而增大是由于惠斯通電橋計算應變算法忽略項引起的，如何提高大量程的測量精度是接下來的研究重點。

圖8 大量程標準應變源測試結果曲線圖

4 結論

通過試驗測試與分析，本文所設計的無線橋梁應變采集系統與惠斯通電橋測量原理保持一致，并可靠地實現了應變數據的采集和無線傳輸，在技術上是可行的，且該系統具有以下特點：

a）基于WiFi技術標準開發，實現無線、有線兩種數據傳輸方式，便于根據實際工況進行切換，系統可擴展實時監測和遠程訪問。

b）提高橋梁檢測工作效率，尤適用于大跨徑橋梁檢測，可減少人力、財力和工作量等方面投入。

c）性能可靠、數據采集精度高、數據傳輸穩定。

d）數據采集、接收和后期處理通過配套專用軟件，使用方便靈活。

綜上所述，無線應變采集系統將更好地服務于橋梁工程中，解決現有大型橋梁工程檢測中的布線及數據處理方面的困難，為橋梁結構的設計、施工、運營、養護、維修和加固工作提供新型技術平臺，具有一定現實意義，且該技術系統亦可應用于土木工程及其他相關工程領域，應用前景廣闊。