可遠程自校準的分布式組網無線微振動測試儀研制

陳晉央， 余尚江， 郭青林， 杜建國

(1. 總參工程兵科研三所， 河南 洛陽 471023； 2. 敦煌研究院 甘肅 敦煌， 736200)

可遠程自校準的分布式組網無線微振動測試儀研制

陳晉央1， 余尚江1， 郭青林2， 杜建國1

(1. 總參工程兵科研三所， 河南 洛陽 471023； 2. 敦煌研究院 甘肅 敦煌， 736200)

為滿足文化遺產地的微振動環境監測需求，設計了可遠程自校準的分布式組網無線微振動測試儀。通過測試儀硬件電路、固件程序、封裝結構的合理設計，以及測試儀的校準試驗和在敦煌莫高窟的現場試驗，驗證了設計的無線微振動測試儀具有無線分布式組網、集成度高、遠程自校準、同步采樣、自動定位、靈敏度高等特點，能夠滿足世界文化遺產地對微振動環境的長期大范圍監測需求。該測試儀已經在敦煌莫高窟的風險預警系統中使用。

敦煌莫高窟；微振動監測；無線組網；遠程自校準

隨著工業經濟的發展和人類活動的頻繁，在文化遺產地內部及其周邊的游客參觀、交通運輸、工程建設施工等活動所產生振動對石窟寺、古建筑、古文化遺址的影響受到文物保護部門的重視[1-6]。由于這種持久性的微幅振動是長期存在并反復發生的，石窟寺、古建筑、古文化遺址受到長期累積影響后將引起疲勞效應而出現裂縫或者變形，所以振動效應對文化遺產的損害較大。為了保護文化遺產，有必要在文化遺產地進行振動環境的監測，以便達到及時預警、提前保護的目的。由于大部分的文化遺產地面積較大，給全區域長期的微幅振動環境監測帶來了不便。同時，為了能夠保持文化遺產的原貌，對振動環境的監測也提出了盡量避免監測設備的安裝、傳輸線纜的埋設、設備的后期維護等苛刻要求。

目前針對長期、大范圍、多測點的微幅振動環境實時監測，一般采用有線組網方式。采用傳感器、放大器、數據采集儀等分離式的設備組網來完成測試?任務，需要前期鋪設有線線纜、調試安裝多臺復雜設備[7]；已有的基于ZigBee (IEEE 802.15.4標準)無線傳感技術和無線數傳模塊的測試設備由于傳輸速率低、節點處理能力弱、無法同步測試等限制，僅在可休眠工作的低采樣率的測試場合中使用[8-11]；同時在長期監測過程中還需要定期對傳感器及測試設備進行校準以保證測試精度[12]。有線線纜的鋪設不僅會破壞世界文化遺產的原貌，也會對原本微弱的振動信號產生干擾和線纜噪聲；已有的無線測試設備無法滿足長期大范圍多測點的微幅振動環境實時監測的實際需求；定期拆卸設備進行校準不僅會增加工作量，還會出現監測的時間空隙。因此已有的技術并不能滿足文化遺產地微振動環境的監測需求。

本文針對上述現有微振動監測技術中的不足，提出一種可遠程自校準的分布式無線組網微振動測試儀，它具有分布式無線組網、集成度高、遠程自校準、同步采樣、自動定位、靈敏度高等特點，能夠滿足文化遺產地對微振動環境的長期大范圍監測需求。

1 無線微振動測試儀的組成

設計的無線微振動傳感器的系統結構,如圖1所示。由振動傳感模塊、采集存儲模塊、微處理器模塊、無線組網模塊、自校準模塊和供電模塊組成。振動傳感模塊包括高精度三向振動傳感器和信號調理適配電路；采集存儲模塊包括模數轉換AD(Analog to Digital)采樣電路和FLASH存儲電路；微處理模塊以現場可編程門陣列FPGA(Field-Programmable Gate Array)處理器為核心；無線組網模塊包括無線Wi-Fi(Wireless Fidelity，IEEE 802.11標準)通信組網電路和全球定位系統GPS(Global Positioning System)/中國北斗衛星導航系統BDS(Beidou Navigation Satellite System)同步及定位電路；自校準模塊包括DA(Digital to Analog)數模轉換電路和傳感器內部的校準線圈；供電模塊可選擇交流220 V或可充電高能聚合物鋰電池。將上述模塊中的信號調理適配電路、AD采樣電路、FLASH存儲電路、微處理電路、無線Wi-Fi通信組網電路、GPS/BDS接收機電路、DA電路和電源變換處理電路集成設計于同一塊電路板上，同時將該電路板與三個高精度振動傳感器共同組裝至機箱內構成可遠程自校準的分布式無線組網微振動測試儀，單臺測試儀可完成三個方向振動信號感知、數據采集存儲、無線通信組網、遠程自動校準等功能。

圖1 無線微振動測試儀的組成模塊示意圖Fig.1 Schematic module of wireless micro vibration testing instrument

2 無線微振動測試儀的具體實現

2.1 硬件實現

無線微振動測試儀的硬件由振動傳感器和信號采集及無線通信電路組成，其中振動傳感器實現低頻微小振動的感知，并帶有自校準功能；信號采集及無線通信電路集成了信號調理、采集、存儲、無線通信、衛星導航系統同步及定位、校準信號源產生等功能模塊，在FPGA處理器的控制下協調工作。其中信號采集及無線通信電路板中的主要硬件有：完成振動信號放大的三通道信號調理電路、完成AD采樣功能的AD芯片、完成無線通信功能的Wi-Fi通信芯片、完成同步和定位功能的GPS/BDS接收機芯片、完成存儲功能的FLASH芯片以及完成采樣過程控制和各芯片適配控制的FPGA處理器。

振動傳感器為磁電式傳感器，其結構示意圖，如圖2所示。包括慣性質量、彈性元件、敏感換能元件(磁路和線圈)等部分組成。為了能夠進行遠程自校準，纏繞了兩組線圈：一組線圈是正常的信號輸出線圈，用于檢測正常的振動信號，如圖2中的線圈1。另一組線圈是校準激勵信號輸入線圈(下文簡稱校準線圈)，用于校準時使用，如圖2中的線圈2。實現遠程自校準功能時，將校準信號源加載至校準線圈，通過微處理器對輸入標準校準信號的頻率幅度信息和AD采樣后的頻率幅度信息的處理和計算，即可完成包含傳感器和數據采集設備的整體校準。該傳感器頻響范圍為1～200 Hz，振動速度靈敏度為15 V/(m/s)，配合信號調理電路可有效檢測6×10-8m/s的微弱振動信號。為實現單個測點處的三向微振動測試，使用兩個水平向和一個垂直向的上述傳感器。

圖2 低頻微振動傳感器結構示意圖Fig.2 Structure of low-frequency micro vibration sensor

信號調理適配電路由四級低噪聲運算放大器級聯組成，實現阻抗變換、低噪聲放大、高陡度貝塞爾濾波功能。電路放大倍數可遠程通過繼電器切換調整，放大倍數可設置1倍、10倍、100倍、500倍、2 000倍、5 000倍等多個檔位，與傳感器的各個量程檔配合后實現的速度動態范圍為6×10-8～6.4 m/s。

AD采樣電路采用AD7606芯片，該AD芯片工作于±5 V輸入模式， 16位AD轉換精度，同步采樣，最小分辨率為152 μV。AD7606芯片具有8個輸入通道，其中三個通道與信號適配調理電路連接，三個通道與校準輸入信號連接，完成傳感器輸出信號和校準信號的數字化，通過微處理器控制其采樣率為2 kSPS。

FLASH存儲電路的最大容量為4 Gbit，其寫入速率大于測試儀的AD采樣速率，用于完成偶然斷電或無線網絡故障時的數據備份存儲。

相比于溫濕度等環境參量無線監測設備，振動無線監測設備的采樣率要高很多，單位時間產生的數據量大，多臺測試儀組網時，需要使用Wi-Fi無線通信組網。一方面Wi-Fi通信目前應用十分廣泛，基礎設施簡單，另一方面Wi-Fi通信在固定區域的組網及高速數據傳輸明顯優于其他的無線通信方式。采用的以太網芯片W5300和以太網轉Wi-Fi芯片WizFi630內部集成了以太網協議和Wi-Fi協議的物理層和基本協議棧，僅需要微處理器進行寄存器操作即可完成Wi-Fi組網通信，簡單可靠。多個測試儀使用時采用不同IP地址完成無線Wi-Fi組網，進行控制命令和測試數據的交互。在大范圍組網時，為滿足振動信號分析、模態識別所需信號的時間同步，必須保證測試儀的時鐘同步，采用和芯星通的GPS/BDS雙模芯片UM220完成不同測試儀之間的時鐘同步，該芯片的1PPS信號精度達到20 ns，配合微處理器的高速時鐘進行上升沿檢測，同時考慮不同接收機的同步誤差，通過本地時鐘經過鎖相環產生的多相高頻時鐘及同步算法的具體實現，可以保證不同測試儀的同步精度優于1 μs。同時UM220模塊1 s更新一次導航解，FPGA處理后直接發送給振動監測服務器，可以獲取測試儀的位置信息，在大范圍測試中可以方便的與地理信息系統融合。

微處理器是測試儀底層硬件的控制核心，采用FPGA實現如下功能：①測控服務器的命令解析；②控制AD工作休眠過程；③根據量程設置不同的適配電路放大倍數；④在測試儀斷電或者無線網絡故障時啟動FLASH存儲；⑤控制以太網和Wi-Fi芯片保證控制命令和數據的可靠交互；⑥監測GPS/BDS芯片的1PPS信號和導航信息以獲得多臺測試儀的時鐘同步和定位信息；⑦遠程自校準時控制DA產生掃頻信號并切換AD采樣通道，當需要校準時利用數字頻率合成技術使DA電路產生相應的掃頻信號，加載至傳感器的校準線圈上。

采用六層板設計，經過芯片小封裝選型和電路優化布線，將所有電路模塊集成于一塊電路板，設計的最終的電路板尺寸為120 mm×75 mm，如圖3所示。

2.2 固件程序實現

固件程序主要完成AD、FLASH、無線Wi-Fi、GPS/BDS接收機、DA、調理電路增益等具體電路模塊的驅動適配和測試過程的控制，燒錄在FPGA處理器中。該固件程序的主要功能模塊,如圖4所示。

圖3 無線微振動測試儀的硬件電路板實物圖Fig.3 Hardware material of wireless micro vibration testing instrument

圖4 微處理器中固件程序的主要功能模塊Fig.4 Main function of firmware in microprocessor

通過上述主要功能模塊的編程，FPGA可以控制管理各個硬件芯片，完成無線微振動測試儀的所有功能。微處理器中固件程序的實現流程圖，如圖5所示，根據Wi-Fi通信接收到的測控服務器工作配置命令決定進入不同的工作模式：①空閑模式時不進行振動信號的采集，僅解析衛星接收機的導航信息，間隔一定時間上報位置和工作狀態信息；②工作模式時根據預設命令配置調理電路的放大倍數，啟動振動信號的采集，在振動數據回傳之前檢測衛星接收機模塊產生的1PPS信號的上升沿，根據該上升沿在測試數據中加入絕對時刻信息，然后判斷Wi-Fi網絡連通情況，如果網絡正常，實時回傳測試數據，如果網絡異常，將測試數據存入FLASH存儲中；③自校準模式時根據預設命令產生相應的校準信號源，將該信號源加載至傳感器的校準線圈上，無線回傳經過AD采樣后的校準數據，由測控服務器進行包含傳感器和數據采集在內的測試儀的整體靈敏度及頻帶校準。

2.3 測試儀的封裝及使用

根據實際應用環境，設計了三種封裝形式的無線微振動測試儀，如圖6所示。其中放置式用于可以直接放置使用的場合，緊固式用于需要固定至結構表面使用的場合，埋設式用于需要在沙土介質內部埋設使用的場合。該測試儀應用時的系統結構，如圖7所示[13]。測試儀將振動信號轉換為數字信號，通過支持Wi-Fi協議的無線AP或中繼將數字信號傳輸至振動監測的測控中心，該中心的服務器上運行測控軟件完成振動數據分析及處理，同時可與遠程用戶通信，當振動值達到預警值時通過多種方式預警提醒。

圖5 微處理器中固件程序流程圖Fig.5 Process of firmware in microprocessor

(a)放置式 (b)緊固式 (c)埋設式圖6 三種封裝形式的無線微振動測試儀實物圖Fig.6 Three kinds of package of wireless micro vibration testing instrument

圖7 無線微振動測試儀的典型應用系統結構圖Fig.7 Typical application system of wireless micro vibration testing instrument

3 無線微振動測試儀的性能試驗

為驗證研制的無線微振動測試儀的性能，在某計量測試站利用低頻振動校準裝置對該測試儀進行了性能試驗。試驗分為：①低頻振動傳感器性能測試，將使用的低頻振動傳感器置于低頻振動臺上，通過信號電纜線與后端無線采集處理電路板連接，測量傳感器的靈敏度及頻響范圍；②測試儀性能測試，將封裝后的無線微振動測試儀整體放置于低頻振動臺上對系統靈敏度及頻響范圍進行校準；③對比試驗，將研制的無線微振動測試儀與低頻振動傳感器配合東華測試技術公司的采集儀組成的有線測試儀進行振動信號測試的對比試驗。

性能試驗裝置，如圖8 所示。通過試驗得到如下結果：①傳感器自身及封裝后的無線測試儀在頻響范圍內的靈敏度幅頻響應平坦(<±5%)；②振動傳感器封裝前后的靈敏度最大誤差<1.04%；③封裝后的無線振動測試儀的共振頻率>220 Hz；④通過與有線式測量方法比較，無線測試儀具有與有線測試系統相當的測量精度。

(a)測試系統連接示意圖

(b)低頻振動測試裝置

(c)無線微振動測試儀在振動臺上安裝圖8 無線微振動測試儀試驗裝置圖Fig.8 Experiment device of wireless micro vibration testing instrument

4 無線微振動測試儀的應用

本文提出的無線微振動測試儀主要是為世界文化遺產地的微振動環境監測設計的，在敦煌莫高窟進行了現場試驗。2014年敦煌莫高窟某洞窟進行了為期三個月的窟前平臺拆除施工工作，施工全過程使用四臺無線微振動測試儀進行振動環境的實時監測，其中在施工現場布設的一個測試儀，如圖9所示。施工管理人員根據測試儀的實時數據修正確定具體的施工方法，在保護文物不受影響的前提下圓滿完成了拆除施工任務。

為配合敦煌莫高窟振動環境監測，針對大范圍多測點振動監測，開發了基于無線微振動測試儀的監測及預警軟件，軟件界面，如圖10所示。利用無線微振動測試儀及軟件，長時間無間斷地監測敦煌莫高窟的振動環境，獲得了莫高窟的一些振動環境數據，如洞窟地面的地脈動幅值為0.3～0.6 μm/s，游客在洞窟內走動引起地面垂直向振動幅值為5～30 μm/s，公路上行駛的翻斗車引起的振動幅值為10～20 μm/s，而洞窟外進行地面鋪磚施工引起相鄰洞窟內地面振動幅值為20～50 μm/s。振動信號的頻率分布及振幅值與之前相關測試結論相符[14-16]。

圖9 無線微振動測試儀在敦煌莫高窟使用實物圖Fig.9 Practical application of wireless micro vibration testing instrument in Mogao Grottoes

圖10 監測軟件圖Fig.10 Monitoring software

結合針對本文研制的可遠程自校準的分布式組網無線微振動測試儀進行的性能試驗和敦煌莫高窟現場應用試驗，該設備的主要技術指標，如表1所示。

表1 設備的主要技術指標Tab.1 Main technical indicators of the instrument

目前，本文提出的可遠程自校準的分布式無線組網微振動測試儀已列入敦煌莫高窟整體的“世界文化遺產地莫高窟監測預警體系建設”項目，將為文物的預防性保護提供了實際振動環境的定量依據。

5 結 論

通過硬件、固件程序和封裝的合理設計及實現，研制了可遠程自校準的分布式無線組網微振動測試儀。測試儀的性能試驗及現場應用表明，測試儀具有集成度高、布設維護方便(遠程自校準)、動態范圍大、采樣速率高、可實時監測、可大范圍無線組網、具備同步測試及定位功能等特點，克服了有線式、無線ZigBee式等測試手段在長期、大范圍、多測點振動環境實時監測中的局限性，可廣泛應用于世界文化遺產地等文物保護場合對微振動環境進行長期大范圍監測，為重要文物的有效保護提供技術支撐。

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A design of distributed wireless micro vibration testing instrument with remote self-calibration function

CHEN Jinyang1, YU Shangjiang1, GUO Qinglin2, DU Jianguo1

(1. The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff, Luoyang 471023, China；2. Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China)

In order to realize real-time micro vibration monitoring in the area of cultural heritage, a distributed wireless micro vibration testing instrument was designed with remote self-calibrate function. Through the rational design of hardware circuit, firmware program and package structure, at the same time the calibration experiment and field experiment in Mogao Grottoes of the testing instrument were implemented. It has been proved that the designed testing instrument has the advantage such as distributed wireless networking, high integrated sense and adaptation, remote self-calibration, synchronous sampling, automatic positioning and high sensitivity, which is able to meet the demand of micro vibration monitoring for long time and wide range in the area of world cultural heritage. At present the testing instruments are used in the risk early warning system of Dunhuang Mogao Grottoes.

Dunhuang Mogao Grottoes; micro vibration monitoring; wireless networking; remote self-calibrate

國家科技支撐計劃課題(2013BAK01B01)

2016-02-23 修改稿收到日期： 2016-04-19

陳晉央 男，碩士，助理研究員，1987年生

余尚江 男，博士，研究員，1968年生

TH165.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.032