一種低功耗自調零微應變測量的結構狀態監測系統

中圖分類號：TH73 文獻標志碼：A 文章編號：1671-8755（2025）02-0061-07

A Low-power Self-zeroing Micro-strain Measurement System for Structural Health Monitoring

CHEN Siyu， LIAO Xiaobo， YUAN Weifeng，CAI Yong （Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process， Ministry of Education， Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621o1O，Sichuan，China）

Abstract：To address the limitations of existing micro-strain structural health monitoring systems，including the absence of automatic sensor zeroing capability and cumbersome field deployment，a low-power self-zeroing micro-strain measurement system for structural condition monitoring was designed. The signal acquisition circuit based on the Wheatstone bridge was improved by incorporating an auto-zeroing algorithm，effectively addressing zero-point drift issues.Circuit simulation verifies the linear relationship between the bridge output voltage and strain gauge resistance. Static and dynamic cantilever beam experiments demonstrate a nonlinearity error of 1.12% in the fitted calibration curve，and the maximum acquisition frequency of the system can achieve 200Hz . The system achieves real-time strain monitoring for critical components on oil well frames，demonstrating exceptional low-power performance and longendurance capability with 78% batery remaining after 72O hours of continuous operation，indicating strong potential for widespread application in structural health monitoring.

Keywords： Structural health monitoring； Auto-zero； Micro-strain acquisition； Low-power consumption

建筑物、橋梁、管道以及重大機械設備等設施的使用壽命長、投資巨大。然而，隨著設施的磨損老化，常常會導致重大安全事故，造成經濟損失。因此，結構健康監測對減少國民經濟損失具有重要意義。建筑物結構關鍵點位的異常形變通常是失穩和事故的前兆[1-3]，傳統的目視檢查和有線傳感器應變監測在損傷監測中起著至關重要的作用[4]。然而，隨著結構變得越來越復雜，目視監測將會加大人力成本與勞動強度，且存在一定的風險。有線傳感器監測系統則存在接線復雜、成本高昂、管理困難等問題[5]。據相關數據統計，在橋梁和建筑物等大型結構上，監測系統的安裝時間會消耗 75% 以上的總系統測試時間，安裝成本達到總系統成本的 25% 以上[6]。

基于以上問題，Straser等首次提出了一種無線傳感器網絡監測系統，該系統包括多個自供電傳感器單元和站點主單元。每個傳感器單元包括一個機械振動傳感器和一個無線信號發射電路，傳感器單元能將采集到的信號無線發送到站點主單元，克服了有線監測方法存在的弊端。Lynch等提出了一種橋梁結構實時無線監測系統來監測橋梁的振動響應。Hyo 等在一個正在施工的不規則大型建筑中的巨型桁架上部署了無線傳感器監測系統，用于評估建筑結構的安全性。無線監測技術正廣泛用于結構健康監測領域[9-10]，但以上無線監測系統存在著功耗高、無線組網復雜的問題，每隔一定時間需要更換傳感器單元電池以供系統正常運行。隨著無線技術的發展，無線ZigBee技術以其低成本、低功耗和自組網等優點在無線傳感監測領域顯示出巨大應用潛力[11-13]。Qiu 等[14]提出了一種基于 ZigBee 的結構應變監測無線傳感器網絡，但其應變采集節點無法實現電橋的自動調零，系統會產生非零偏移。Harms等[15設計了一種低功耗無線傳感器網絡，能實現橋梁等結構的健康監測，該系統功耗低、成本低，但其僅支持 15m 無線傳輸距離。Dziadak等[16]提出了一種用于監測鋼結構應變的無線監測節點，應變測量的相對誤差為 1.68% ，然而節點尺寸過大，達到了 70mm×40mm 。

針對以上問題，筆者設計了一種傳感器采集節點成本低、體積小巧、功耗低、傳輸距離遠的自調零微應變測量的結構健康監測系統，可實現電橋的自動調零，防止系統產生非零偏移。

1系統整體方案

本系統由傳感單元、接收器和上位機組成，系統示意圖如圖1所示。傳感單元由多個無線應變傳感器采集節點組成，接收器為主控制器。在房屋、橋梁、管道等結構的關鍵部位安裝傳感單元，當監測點位產生形變時，應變片電阻會產生相應變化。無線應變傳感器對該信號進行實時采集、信號調理，通過ZigBee分布式無線網絡將電信號數據發送至主控制器。主控制器對數據進行處理、儲存后，通過串口發送到上位機。上位機對數據進行解碼、節點號識別、存儲，經過處理和分析將傳感數據還原為應變數據并繪制成曲線在控制面板顯示，最終實現結構狀態的實時監測和預警。

1.1 系統硬件設計及信號處理原理

監測系統硬件設計包括無線應變傳感器和主控制器以及上位機系統，其結構框圖如圖2（a）所示。無線應變傳感器主要由應變片、電源、電源管理模塊、信號調理模塊、信號采集模塊、主控芯片以及無線發送模塊組成。圖2（b）為信號調理部分的原理圖，主要由惠斯通電橋電路、數字電位器電路以及差分放大電路構成。其中，為實現電橋的自調零功能，采用的數字電位器為CAT5171TBI-50GT3，該數字電位器端到端電阻為 50kΩ ，具有256位的調節范圍，電阻溫度系數為 100×10^-6°^-1 ，功耗小于300nA，滿足本方案的高精度電橋調零需求。在電橋信號放大部分，使用OPA313精密運放，該運放具有軌到軌輸入和輸出擺幅、低功耗以及低噪聲的特性，在1kHz 頻率下的輸入噪聲僅為 ，這意味著運放可以在保持信號完整性的同時放大微弱信號，對電橋信號的精確放大至關重要

主控制器采用TI低功耗ZigBee解決方案，CC2530F256RHAT作為信號處理與無線傳輸單元，可配置7＼～12位ADC，在12位采樣狀態下能達到4kHz 的采樣帶寬，滿足本文對應變信號的采樣與

低功耗無線傳輸的需求。

為減小節點的體積，選用了QFN等小體積元器件封裝，并將外置EEPROM省去，利用CC2530F256內置FLASH空間實現參數保存功能。做好外殼防水設計，使用 1200mAh 電池供電。整個節點的體積為 30mm×20mm×15mm 。

2應變測量電路原理及仿真分析

在應變測量過程中，當結構發生微變化時，應變片電阻值會發生變化，通過惠斯通電橋測量的方法可以檢測電阻變化。

2.1 應變測量電路理論分析

惠斯通電橋由電阻 R₁，R₂，R₃，R₄ 和電壓激勵源V₀ 組成，如圖3（a）所示，電橋的輸出電壓 V₁ 為[17]：

當 R₁/R₂=R₄/R₃ 時，電橋處于平衡狀態，電橋

的輸出電壓 V₁=0 。當應變片的電阻變化為 ΔR ，電橋的輸出電壓 V₁ 的變化 滿足下式：

應變片產生的應變 ε 可由式（3）求出[18]

式中： 為應變片的電阻變化； R 為應變片的標稱電阻； K 為應變片的靈敏系數。

在實際應用中，應變片的阻值通常存在 的誤差，接入惠斯通電橋后會導致電橋不平衡。如果電橋未能實現精確平衡，則會產生零點偏移，當該偏移量被放大時，將導致數據采集系統的模數轉換飽和[19]

惠斯通電橋的調零一般是通過手動調節滑動變阻器的阻值，直到橋臂電阻 R₁/R₂=R₄/R₅ ，這種調節方法復雜且浪費時間。本文設計一種新型電阻應變采集電路如圖3（b）所示，由電阻 R₁，R₂，R₃，R₄ 數字電位器 R_DP 組成， V₂，V₃ 分別表示數字電位器左端和右端的電壓。

在采集電路中，電橋的輸出電壓經過運算放大器 U₁ 放大，其放大倍數即為 R₇ 與 R₆ 的比值。運算放大器的輸入阻抗能夠達到幾千歐到幾十千歐，下一級輸入阻抗較小時會產生信號的損耗。放大后的電壓再經過一個電壓跟隨器 U₂ ，得到最后的電橋輸出電壓 V₁ ，如圖3（c）所示。

設數字電位器左右兩端電阻阻值分別為 R_DPL 和 R_DPR ，流過 R₁ 的電流為 I_i ，流過 R₂ 的電流為 I₂ ，流過 R_DPL 的電流為 I₃ ，流過 R₄ 的電流為 I₄ ，流過 R₃ 的電流為 I₆ ，流過 R_DPR 的電流為 I₅ ，由基爾霍夫定律可得：

{I₁=I₃+I₂

由式（4）可得：

得出 V₂，V₃ 為：

差分放大電路放大關系為：

聯立式（6）和式（7）可得 V₁ 與 R₁ 的關系為：

因此，在部署采集節點時，通過上位機發送調零指令，采集節點通過自調零程序自動調節數字電位器的值，使得橋臂平衡輸出電壓 V₁ 為 1.25V ，代表自動調平成功，并將電位器參數寫人CC2530F256內部FLASH，實現調零數據的掉電保存。電橋自動調零程序流程如圖4所示。

調平后通過控制器的ADC模塊采集電橋的輸出電壓 V₁ ，由式（8）可計算得到 R₁ 的值。當應變片電阻發生變化時，采集電橋的輸出電壓 ，可求得 。由式（3）即可計算出應變片的應變。

2.2 應變采集電路仿真分析

使用NIMultisim14.0電路仿真軟件對圖3（c）應變采集電路進行仿真。選擇電阻 R₁ 為 120Ω 的應變片， R₂，R₃，R₄ 為 120Ω 高精度電阻， R_DP 為50kΩ 電位器， R₅，R₆ 為 10Ω 高精度電阻， R₇ 為 10kΩ 高精度電阻。應變片的電阻變化范圍為 ，應變片通常存在 ±1Ω 的初始值誤差。在應變片初始值不存在誤差與存在誤差的情況下，將仿真電路的電橋輸出值 V₁ 與理論計算電橋輸出值進行了對比分析。圖5（a）為應變片電阻 120Ω （沒有誤差）時的仿真結果，此時數字電位器 R_DP 在 50% 處電橋調平。圖5（b）為應變片電阻為119.3 Ω （存在 誤差）時的仿真結果，此時數字電位器 R_DP 在 76.44% 處電橋調平。

仿真結果表明，在應變片電阻變化時，電橋輸出電壓的仿真結果與理論計算結果相符，最大絕對誤差為 0.001V ，最大相對誤差為 0.14% ，且應變片電阻與電橋輸出電壓呈線性關系，當應變片初始值存在誤差時，系統產生了零點漂移，零點向左漂移了 。當應變測量范圍一定時，容易在正應變處達到飽和狀態。

3 實驗測試

3.1 實驗環境介紹

圖6為應變采集實驗測試平臺示意圖。其中包括Sigmar的WSMC1-X型應變采集儀和自主設計的主控制器、無線應變傳感器節點。通過懸臂梁實現靜態實驗測試與動態實驗測試。靜態實驗將單個采集的應變數據與標準數據做對比，以驗證本系統應變采集數據的準確性。使用一塊環氧樹脂板（ 200mm×40mm×1mm） 作為懸臂梁，一端固定，另一端系上一個塑料桶，用于盛放砝碼。利用增加和減少砝碼來改變懸臂梁的形變。在懸臂梁的同一平行面貼上兩個BX120-3AA應變片，以保證兩個應變片產生的形變一致。其中一個應變片接入本采集系統，另一個接人標準采集系統。本實驗中，采用Sigmar的WSMC1-X型應變采集系統作為標準數據采集系統。

在驗證本系統應變采集數據的準確性后，進行動態實驗測試。動態實驗通過采集分析一系列動應變數據，可以掌握系統結構的振動特征和振動規律。

3.2動、靜態實驗測試

通過架設懸臂梁結構，在自由端給予一個位移脈沖激勵，采集分析其動應變的變化規律。

懸臂梁靜態實驗測試結果如表1所示。一共進行了12組實驗，每組實驗取20個測量值的平均值作為實驗結果。當砝碼質量為0時，應變儀與本系統測量值均不為0。其原因是應變儀可通過調節電位器來實現應變調零，但手動調節始終無法達到理論的零位，而本系統設計的自動調零系統將手動調零這一過程轉變成程控調節。同樣，由于數字電位器為有極調節，無法達到理論的零位，但在調節之后，零位時的應變值會顯著下降，降低了零點漂移對測量結果的影響。本系統與應變儀的應變誤差值相對于量程來說較小，因此，當微應變測量的絕對誤差值在10以內，可視作系統誤差。

隨著質量的增加，即應變的增大，相對誤差則會不斷減小，如圖7（a）所示。本實驗應變測量結果驗證了電路仿真的正確性，通過最小二乘法擬合計算出的本系統測量值擬合線性曲線非線性誤差為

1.12% ，表明本系統應變采集數據較為準確。

為測試本系統的動態采集性能，進行了懸臂梁動態實驗測試。由于串口傳輸速率的限制，數據采集頻率最高可達 200Hz ，根據香農定理可得，本系統理論上最高能采集 100Hz 的信號。通過調節懸臂長度，使得圖6所示平臺懸臂梁的欠阻尼振動頻率為 100Hz ，采集結果如圖7（b）所示。由測量結果可知，本系統對應變信號進行了很好還原。

3.3 實地試驗

在某石油公司進行系統現場試驗。安裝了4個傳感器采集節點于石油井架的不同位置，以采集井架在工作時關鍵部位產生的應變值。主控制器與上位機在監控室接收傳感器節點采集的無線數據。傳感器采集節點與監控室間隔距離為 70m ，在井架工作的過程中采集節點1和采集節點4為關鍵受力點，產生了600左右的微應變，在卸載后應變回到了零點，如圖8所示。結合低功耗模式，采集節點的平均功耗小于 150μA ，使用電池為 1200mAh ，理論續航為 8 000h ，實際工作測試 720h 后，剩余電量78% ，成功實現了對石油井架運行狀態的實時監測。

4結論

本研究設計了一種低功耗自調零微應變測量系統，該系統通過無線傳感器實現電橋自動調平，顯著提升了應變測量的準確性。實驗驗證表明系統在靜態和動態條件下的數據采集準確性，即便存在零漂和蠕變，系統仍能保持 1.12% 的非線性誤差；實地試驗實現了對石油井架運行狀態的實時監測。本系統具有實時多節點數據采集、低功耗、小體積的特點，使其在結構健康監測領域具有廣泛應用潛力，有望在工業安全監測中應用。

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