大体积混凝土结构长期应变监测系统.pdf

第 4卷第 2期 2 0 1 2年 6月 土木建筑工程信 - t t u -t ,： J o u r n a l O f I n f o f m a t o n T e c h n o l o g y l n Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e Vo 1 4 No 2 J u n 2 0 1 2 大体积混凝土结构长期应变监测系统 陈得民 李 鹏 沈唯真 ( 1北京必创科技有 限公司，北京 1 0 0 0 8 5 ； 2哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院，哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】大体积混凝土结构长期应变监测系统是近年应用于建筑工程管理与维护的一项新技术， 具有重要的工 程价值。无线振弦传感器具有抗干扰强， 精度高， 传输距离远等特点， 广泛应用于大体积混凝土结构中长期应变的 测量。本 文主要论 述 了大体积混凝土结构长期应 变监测 系统结构和无线振弦传感 器工作原理 ， 设计 了振 弦传感 器 内部 的激振 电路及 测频电路 ， 以及无线通讯模块 ， 分析 了无线振 弦传 感器的特性 。无线 的设计极 大的方便 了振 弦 传感器的使 用， 通过工程 实际应用显示 ， 本文设计的基于正弦传感器的大体积混凝 土结构长期应 变监测 系统稳 定、 质量可靠、 测量数据迅速准确 。 【 关键词】无线振弦传感器；激振电路； 测频电路 ； 应变监测系统；混凝土结构 【 中图分类号】T P 3 9 3 【 文献标识码】A 【 文章编号】1 6 7 4 7 4 6 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 0 9 0 5 1 引言 大体积混凝土水泥水化热释放比较集 中， 内部 温升比较快。混凝土 内外温差较大时， 会使混凝土 产生温度裂缝 ， 同时 ， 其他 因素也会导致 大体积混 凝土出现裂缝 ， 从而影响结构安全 和正常使用。因 此对 混凝 土结 构 应变 进 行监 测 与分 析 是非 常 必 要 的 。 工程监测 中常用 电阻应 变片型传感器 监测动 态物理量 ， 但该类 传感器抗干扰性 差 ， 温度及 零漂 大等特点 ， 其技术指标难满足现场恶劣的环境 中工 程要求。 本文设计 的无线振 弦传感 器是基 于振 弦的振 动频率随钢丝张力变化而工作 的， 具有振 弦传感器 的主要优点是经过热处理后 的钢弦其蠕变极小 ， 零 点稳定 ， 适合于长期监 测使用 ， 在许多工程领域 得 到了广泛应用。 由于无线振弦传感器集成了无线数据发送模 块， 使得使用更加方便。无线振弦传感器主要用于 大体积混凝土结构中， 诸如桩、 桥梁、 大坝、 密闭壳、 隧道衬砌等的长期应 变测量 ， 利用这些传感器可对 尾矿坝 、 土工坝体 、 路基 、 桩载荷速率 、 测试桩承载 力 、 摩擦力 以及坝体浸润线安全监测提供可靠 的原 始测试数据，如图 1 所示 。 图 1 无线振 弦传 感器 2 系统总体方案设计 本系统是一个典型 的无线传感器 网络 ， 系统 由三级结构组成 ( 如图 2 ) ： 感知 区布置的无线振弦 传感器节点 、 数据转发 网关和终端监控主机。根据 工程实际环境， 确定测点， 将传感器节点布置在被 监测区域内， 构成传感网第一级； 每个传感网装备 一 个带 G P R S功能的 B S 9 0 9网关 ， 通过 I n t e r n e t 网络 将数据转发 到远程 监控 主机 ， 此 即为传感 网第 二 【 作者简介】 陈得民( 1 9 8 2 一) ， 男， 甘肃武威人 ， 工学硕士， 工程师， 中国计算机学会会员 ， 主要从事： 物联网技术研究与应用、 数据采集与处理技术及工业测试技术。 11 O 级 ； 监控主机安装 B e e D a t a 软件 ， 对数据采集 、 显示 、 存储和分析， 同时控制感知区的传感器节点， 即为 第三级 。 无线振弦传感器 无线振弦传感器 I圆一 叵 孽 臌 臧 器 一 、 、 、无 线 振 弦 传 感 器 无线振弦传感器 图 2系统 总体结构 3 无线振 弦传感器设计 3 1 无线振 弦传 感器 工作原 理 刮 无线振弦传感器输 出的信号为频率信号 ， 而频 率信号是能获得很高测量精度的信号， 适合于远距 离传输 ， 且不会 降低它 的精 度。从结构来看 ， 无线 振弦传感器没有活动元件 ， 所以它 的工作可靠性及 稳定性都非 常高。传感器 的敏感 元件是一根 张紧 的金属丝 ， 称 为振弦。振 弦在振 动时 ， 它 的结 构 内 部具有一定 的阻尼， 所 以需要 消耗能量 ， 因而需要 外部施加激振力 。振子 的阻尼越小 ， 振动时所消耗 的能量就越少 ， 频率 的选择性 越好 ， 传感器 的精度 越高 。 在电压激励下 ， 振弦按其 固有频率振动。 改变 振弦的张力 F， 可 以得到不 同的振动频率 l厂 ， 即张力 与谐振频率的平方成线性关系。 振弦传感器 由定位 支座、 线 圈、 振弦及封装 组 成。振弦传感器 可等效成一个两端 固定绷 紧的均 匀弦。 振弦的振动频率可由以下公式确定 ： f 一 !一 五一 一 1 2- J 2t P 2 l P 21 Pvc 其 中 s 为振弦的横截面积 ， 为弦的体密度 ( =p s ) ， A l 为振弦受张力后的长度增量 ， E为振弦的 弹性模量 ， 为振弦所受的应力。 当无线振弦传感器确定 以后 ， 其振弦的质量 m， 工作段( 即两固定点之间)的长度 L ， 弦的横截面积 s ， 体密度p 及弹性模量 E随之确定， 所以， 由于待 测物理量的作用使得 弦长有所变化 ， 而弦长的变化 可改变弦的固有振动频率 ， 由于 E A l 正 比于应力 ， 因此只要能测得 弦的振 动频率就 可以测得待测物 理量 。 3 2测频 系统的设计 3 2 1 基本原理 无线振弦传感器工作 时由激振 电路驱动 电磁 线圈， 当信号的频率和振 弦的固有频 率相接近 时， 振弦迅速达到共振状态 ， 振动产生的感应 电动势通 过检测电路滤波 、 放大、 整形送 给单片机 ， 单 片机根 据接收的信号 ， 通过软件方式反馈给激振 电路驱动 电磁线圈。通过反馈 ， 弦能在 电磁线圈产 生的变化 磁场驱动下在本振频率 点振动。当激振信 号撤去 后 ， 弦由于惯性作用仍然振动。单片机通过测量感 应电动势脉 冲周期 ， 即可测得弦 的振动频 率 ， 最后 将所测数据显示 出来 。测频原理框图如图 3所示。 I I 巫 图 3测频 原理框 图 测量振弦振动频率前必须先给弦以足够的激励 力以激发振弦起振。振弦传感器激振方式有“ 连续激 振” 、 “ 拨弦式激振” 、 “ 扫频激振” ， 本文采用“ 扫频激 振” 方式。扫频激振技术 就是用一串连续的频率信 号扫描输 出， 激励振弦传感器的激振线圈， 当信号 的 频率和弦的固有频率接近时， 振弦能快速达到共振状 态 ， 实现可靠起振。振弦起振后， 它在线圈中产生的 感应电势的频率即为振弦的固有频率。由于激振信 号的频率容易用软件方便控制 ， 所 以只要知道振弦 固 有频率的大致范围即可 ， 用这个频率附近的激励信号 去激振 ， 就能使振弦起振。 3 2 2 激振模块电路设计 单片机 I O 口按照一定 的频率( 这个频率可 以 是传感器固有频率的初始值 ， 也可以是上一次的测量 值) 产生激振信号 ， 产生高压脉冲激励振弦， 使振弦振 动， 激励电流流过激振线圈， 激励电流产生的交变磁 场激励振弦振动。激振电路如图 4所示， 脉冲信号经 过该激振电路后产生高压脉冲激励振弦使之振动。 V r r 、 P1 0 图 4 激振 电路 大体积混凝土结构 长期 应变监测系统 图 5 拾振模块 电路 图 4中，P 1 0输出的方波去激励振弦传感器 ， 二极管 D 1作用是吸收三极管导通和截止瞬间所产 生的尖峰脉冲。此尖峰脉 冲若不消除， 会对感应 电 路( 模拟 电路部分 ) 产生严重的干扰。 3 2 3 拾振模块电路设计 振弦可靠 起振后 ， 撤去扫频 激振信号 ， 此时 由 于惯性振弦仍然将维持 自由振动 ( 实际上 因为空气 阻尼的存在 ， 最终将停止振动 ) ， 振 弦的振动会在线 圈中产生感应 电势。从前面 的介绍可以知道 ， 感应 电势的频率就是振弦 的固有频率 。所 以 ， 对振弦频 率的拾取就是对线 圈中感 应 电势 的频 率拾取。当 然振弦被 激振起 来后 ， 它 只能维 持一 段时 间 的振 动 ， 这就要求在一段有限的时间内拾取线圈 中感应 电势的频率 ， 虽然线圈 中感应电势 的幅度是不断衰 减的 ， 但是感应电势幅度的减小不会对频率的测量 产生大的影响。图5为测频原理图。 图 5中， 采用 A D 7 0 8组 成 的有 源低通 滤波 电 路 。R 1 R1 1 是 电阻 ，D 1是二极管吸收传感 器瞬 间所产生的尖峰脉冲 ，c 1 、 c 3 、 c 5是滤波 电容 ， c 2 、 c 4是隔直电容。 3 3 传感器线性测试 经过上文论述 ， 无线振弦传感器频率 的平方与 应力成正 比， 将应力做 为输入 ， 频 率 的平方做 为输 出， 通过实际测试 ， 其输出一 输入线性如图 6所示。 3 4无线通讯模块 无线通信模块 要完成 的功 能和任务 与第 一 实施例相同， 硬件结构有所差别 ， 8 0 2 1 5 4物理层 协议控制与数据收发 由 T I 公司的 S o C芯片 C C 2 4 3 0 完成 ， C C 2 4 3 0芯片需要很少的外围部件配合就能实 现信号的收发功能。电路使用一个非平衡天线 ， 连 接非平衡变压器可使天线性能更好 ， 如图 7所示。 0 2 0 0 6 0 0 1 0 0 0 a ( N c m一 。 、 图 6 振 弦传感器输 出- 输入 图7中， 电路 中的非 平衡变 压器 由电容 c 1 1 2 和电感 L 1 0 2 、 L 1 0 0 、 L 1 0 1以及一个 P C B微波传输线 组成 ， 整个结构满足 R F输入 输 出匹配电阻( 5 0 ) 的要求。内部 T R交换 电路完成 L N A和 P A之间 的交换。用 1个 3 2 MH z的石英谐振器 ( X 1 0 0 ) 和 2 个电容( C 1 0 8和 C 1 0 9 ) 构成一个 3 2 MH z的晶振电 路。用 1个 3 2 7 6 8 k H z的石英谐振器 ( Y1 0 0 ) 和 2 个电容 ( C 1 1 0和 C 1 1 1 ) 构成一个 3 2 7 6 8 k Hz的晶 振电路。电压调节器为所有要求 1 8 V电压的引脚 和 内部 电源 供 电 ， C 1 1 5 、 C 1 0 0、 C 1 0 1 、 C 1 0 4 、 C 1 0 2 、 C 1 1 3 、 C 1 0 3 、 C 1 0 7、 C 1 0 6 、 C 1 0 5电容是去耦合 电容 ， 用来 电源 滤波 ， 以提高 芯 片工作 的稳定 性 ， R 1 0 1 、 R 1 0 2为电流提供精确的偏置电阻。 4 数据转发 网关 数据转发网关负责汇聚传感器节点传送的数 据并给传感器节点发送控 制指令。数据转 发 网关 具有 G P R S功 能和 以太 网络接 口， 可以通过 I N T E - N E T或 C D M A G P R S等 其 他 无 线 方 式 进 行 远 程 控制。 0 0 O 0 一 )， 大体积混凝土结构 长期 应变监测系统 1 1 3 5 监测控制软件 监测控制 软件对各个传感 器节点采集 到的数 据实现实时显示 、 分析和存储 ( 如图 8 ) 。传感器校 准参数 、 通道数据 、 位置等信 息也可 以通过 软件写 入传感器节点 内部 。同时可 以对 网络通信 质量和 设备是否发生故障实施实时监控 ， 并具有 开机 自检 和电源监控功 能。针对 网络 中的异常情况 实时报 警 ， 利于网络的维护和管理。升级软件独创 的软件 空中无线升级功能 ， 可方便地为远端 的传感器节点 进行 内部程序升级 。 6 总结 大体积混凝土结构 的裂缝 由多种 因素引起的。 各类裂缝产生的主要影响因素有两种 ： 一是结构型 裂缝 ， 由外荷载 引起 的。二是材料 型裂缝 ， 主要 由 温度应力和混凝土的收缩引起的。 本文详细的论述 了桥梁无 线应变监测 系统结 构 ， 阐述了振 弦传 感器 的原理 ， 设 计 了内部 激振 电 路 、 测频电路及无 线通讯模块 ， 同时开发 的 内部软 件 。本系统可以对大体积混凝土结构如尾矿坝 、 土 工坝体、 路基 、 桩 基、 以及 大桥等 进行 长期应 力监 测 ，为混凝土结 构安全评估提 供可靠 的原 始测试 数据。 通过工程实际应用 ， 本文设计 的基于正弦传感 器 的桥梁无线应 变监测系统稳定 、 质量可靠 、 测量 数据迅速准确。 参考文献 1 孙利民， 李建中 无线传感器 网络 M 北京： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 2 张心斌，宝己强，张莉振弦式应变传感器特性研究 J 传感器世界 ， 2 0 0 3 ， 9 ( 8 ) 1 9 - 2 1 3 张莉振弦式应变传感器特性研究 J 煤 ， 2 0 0 4 ，1 3 ( 5) ： 3 5 4 江修 基于扫频激振技术的单线圈振弦式传感器 J 传 感器技术 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 5 ) ： 2 2 - 2 4 5 江修， 张焕春用等精度测频方法实现振弦式传感器频 率测量 J 传感器技术， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 6 ) ： 5 3 5 5 6 陈得民C C 2 4 3 0与 D S I 8 B 2 0的粮库温度传感器网络设 计 2 0 0 9 1 2 ( 2 1 ) ： 1 2 5 1 2 8 The Lo n g t e r m St r a i n M o n i t o r i n g S y s t e m o f La r g e Co n c r e t e S t r uc t ur e s Ch e n De mi n ，L i Pe n g ，S h e n W e i z h e n ( 1 B e i J i n g B e e T e c h I n c ， B e o i n g 1 0 0 0 8 5 ； 2 S c h o o l o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H a r b i n I n s t i t u t e of T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t： As a n e w t e c h n o l o g y，l o ng t e r m s t r a i n mo n i t o rin g s y s t e m o f La r g e c o n c r e t e s t r uc t u r e s h a s be e n a p p l i e d t o t h e ma n a g e me n t a n d ma i n t e n a n c e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n r e c e n t y e a r I t h a s a n i m p o r t a n t p r o j e c t v a l u e ， w i r e l e s s v i b r a t i n g w i r e s e n s o r s h a v e a s t r o n g a n t i - j a mm i n g ， h i g h p r e c i s i o n ， t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e a n d o t h e r c h a r a c t e r i s t i c s，wi d e l y u s e d i n t h e v i b r a t i o n o f ma s s i v e c o n c r e t e s t ru c t u r e s，s t r e s s a n d o t h e r d y n a mi c p h y s i c a l mo n i t o r i n g Th i s p a p e r d i s c u s s e s t h e wi r e l e s s s t r a i n me a s u r e me n t s y s t e m a n d t h e wo r k i n g p rinc i p l e o f wi r e l e s s v i b r a t i n g wi r e s e n s o r s，d e s i g n e d t he e x c i t a t i o n o f v i b r a t i n g wi r e s e n s o r s c i r c u i t a n d t h e i n t e r n a l e x c i t a t i o n f r e q u e n c y me a s u r e me n t c i r c u i t s ，a n d wi r e l e s s c o mmu ni c a t i o n mo d u l e，t h e n a n a l y z e d t he c h a r a c t e ris t i c s o f wi r e l e s s v i b r a t i n g wi r e s e n s o r s Th r o u g h t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n，i t s h e w t h a t t h e d e s i g n e d wi r e l e s s v i b r a t i n g wi r e s e n s o r s wi t h g o o d p e r f o r ma n c e Ke y W or ds： W i r e l e s s Vi b r a t i n g W i r e S e ns o r s ；Ex c i t a t i o n Ci r c u i t ；Fr e q u e n c y Me a s u r e me n t Ci r c u i t ；S t r a i n no ni t o r i n g S y s t e m ； Co nc r e t e S t ru c t u r e s