多參數(shù)橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)設計

由于橋梁的使用年限長，加上設計、施工和使用材料的質量等諸多因素的影響，會使橋梁存在先天的薄弱因素，因此橋梁結構的安全性非常重要。對橋梁的運行狀況進行健康監(jiān)測，可以有效預防突發(fā)型災難，減少損失與人員傷亡。由于橋梁大都處于交通要道，距離監(jiān)控中心比較遠，目前主要采用人工測量狀態(tài)參量與測試數(shù)據(jù)的事后實驗室分析評價的方法。這種方法效率低，也不能對突發(fā)事件進行預警，隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，采用無人值守的遠程監(jiān)測系統(tǒng)已成為研究熱點[1]，目前主要是研究橋梁的某一個方向的振動居多，而對于橋梁的溫濕度情況、當前風速風向等參數(shù)未有涉及，尤其是在我國東南沿海區(qū)域每年的臺風天氣，橋梁所需要經受的臺風沖擊嚴重，因此設計開發(fā)具有多參數(shù)監(jiān)測的橋梁預警系統(tǒng)意義重大。
1 系統(tǒng)設計
　 如圖1所示為多參數(shù)橋梁預警系統(tǒng)的設計框圖。被監(jiān)測的橋梁上掛接著多種不同類型的監(jiān)測傳感器節(jié)點，主要有溫濕度檢測節(jié)點、風速風向檢測節(jié)點和XY雙軸振動監(jiān)測節(jié)點。不同類型的監(jiān)測節(jié)點，采用統(tǒng)一地址編碼的方式，將采樣到的傳感器信息通過高速CAN總線[2]發(fā)送到本地計算機上。系統(tǒng)采用了ATOM凌動處理器的便攜式低功耗移動平臺計算機，其體積小巧，功耗低，在關閉液晶顯示器時，最低功耗不到1 W，而總體積比一個公文包小，且采用直流電壓供電，因此本系統(tǒng)將該計算機平臺放置在監(jiān)測本地，與橋梁的距離通常在300 m以內，在此距離內CAN總線的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達125 kb/s，可連接足夠數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點。本地計算機將每分鐘采集到的所有傳感器節(jié)點的參數(shù)信息壓縮打包后通過GPRS模塊發(fā)送到遠程服務器端，并在服務器端完成數(shù)據(jù)解釋、存盤等工作。由于本地監(jiān)測系統(tǒng)是一個獨立系統(tǒng)，因此采用了大容量的鉛酸蓄電池作為供電能源，當天氣良好時，太陽能電池板工作，并經由太陽能調壓充電器對鉛酸蓄電池充電，保證系統(tǒng)長時間的工作。

2 XY雙軸振動監(jiān)測節(jié)點設計
2．1傳感器選擇與前端調理電路設計
　振動傳感器[3]是用于檢測沖擊力或者加速度的傳感器，通常使用的是加上應力就會產生電荷的壓電器件。目前應用于橋梁振動監(jiān)測的加速度傳感器大多采用動圈式機械傳感器，通過磁鐵切割磁力線得到感生電動勢從而反映加速度的變化，其體積較大，高頻特性不好，頻帶內的增益平坦度差，因此本系統(tǒng)采用了ADI公司的雙軸加速度計。ADXL203[4]典型測量范圍在±1.7 g，該加速計既可測量靜態(tài)的也可測量動態(tài)的加速度,可承受3 500 g極限加速度。其下拉電流小于700 μA，靈敏度達到1 000 mV/g。該加速計在-40℃~125℃溫度范圍內，具有±0.3%的溫度靈敏性；±25 mg的零點偏移精度；在小于60 Hz的帶寬下具有解決小于1 mg的解決方案(0.06°傾斜)以及優(yōu)于0.1 mg/℃的穩(wěn)定性。加速計ADXL203的內部電阻RFILT的標稱值為32 kΩ，而其實際阻值可在14 kΩ~40 kΩ間選擇,通過選擇合適的XO、YO引腳的輸出電容值，可降低傳感器輸出噪聲，本文所設計的傳感器信號頻率上限為100  Hz，因此選擇0.01 μF的電容，該電容與ADXL203的內部電阻RFILT構成低通濾波器。由于ADXL203XL在加速度為0 g時，輸出電壓為2.5 V，實際的傳感器是豎直安裝，因此Y軸方向上就存在一個固有的1 g的加速度,則YO引腳輸出電壓為3.5 V。由于本系統(tǒng)只關心橋梁的振動情況，即加速度的變化情況,故設計了如圖2所示的交流放大偏置電路。ADXL203輸出的加速度信號，經過輸出電容濾波后，再由電容C7與C21耦合后得到交流加速度信號，該信號經過精密雙運放OPA2277UA組成的加法放大電路得到直流偏移電壓為2.5 V的共模信號。經過上述電路就消除了傳感器安裝時導致的X、Y兩軸的信號直流電壓差異，得到兩路共模電壓為2.5 V的信號，并送入后級ADC電路。圖2中的VREF為來自高穩(wěn)定度精密基準源REF192GS的基準信號，其典型溫度系數(shù)為3 ppm/℃。

2.2 雙24位ADC同步采樣設計
　為了保證X、Y雙軸信號的嚴格同步采樣，以及采樣周期的準確性，采用模擬開關切換的方式顯然不可行。本文采用了兩片高精度24位分辨率的模數(shù)轉換器AD7714，使用其同步功能，同時采樣X軸與Y軸的加速度信號。AD7714[5]是美國ADI公司推出的一種高分辨率24位模數(shù)轉換器件。由于AD7714采用了Σ-△轉換技術,使其擁有小于150 nVrms的低噪聲，適用于寬動態(tài)范圍、低頻信號的模擬前端測量。器件可以被配置為3個完整的差分輸入或者5個準差分輸入,采用3 V或5 V供電可以很容易地實現(xiàn)多達5個通道的信號調理和轉換,其最高數(shù)據(jù)輸出速率為1 kHz。
　 AD7714是一個完整的用于低頻測量應用場合的模擬前端。它的3線串行接口與SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通過軟件可對增益設定、信號極性和通道選擇作出配置。AD7714的主要特點如下：
　 (1)最高可實現(xiàn)24 bit無誤碼輸出,同時保證0．001 5％的非線性度；
    (2)具有前端增益可編程放大器，增益值為1～128，內含可編程低通濾波器和可讀寫系統(tǒng)校準系數(shù)；
　 (3)有5通道輸入，可根據(jù)需要采用3路差分輸入或5路準差分輸入；
　 (4)低噪聲(<150 nV rms)；
　 (5)低功耗,典型電流值為226 μA(省電模式僅為4  μA)；
　 (6)采用單5  V供電(AD7714-5)或單3  V供電(AD7714-3)方式。
    在圖3中,U2、U4的同步信號引腳相連，U2的MCKOUT引腳連接到U4的MCKIN。當兩片AD7714上電并被成功初始化后，控制器施加給兩片AD7714共同的同步信號;當兩片AD7714接收到同步信號后，將復位片內的數(shù)字濾波器、寄存器、模擬調制器等處于復位狀態(tài);一旦同步信號結束則立即開始正常工作。由于兩片AD7714共用一個晶體振蕩器信號，因此兩片AD7714的片內工作時序是完全相同的，也就保證了數(shù)據(jù)準備就緒中斷引腳DRDY的狀態(tài)是完全一致的,兩片AD7714嚴格同步。

2.3 CAN通信接口設計
    本文采用STM32系列的Cortex-M3內核控制器，其片內自帶了滿足CAN2.0A與CAN2.0B協(xié)議的硬件通信接口，并使用CTM8251AT隔離型CAN收發(fā)模塊完成了CAN總線的高速數(shù)據(jù)通信功能。以下為CAN波特率的計算：
    BodeRate=PCLK1/CAN_Prescaler/(CAN_SJW+CAN_BS1+CAN_BS2)
    由于CAN是掛接在APB1總線上,因此采用時鐘PCLK1,當PCLK1=72 MHz時，波特率為=72/9/16=0.5 MHz，CAN_Prescaler的預分頻值為1~1024。
    在進行CAN組網(wǎng)布線時，需要注意的是，在中遠距離應采用120 Ω特征阻抗雙絞線，通信距離大于600 m以上，選用線徑大于0.75 mm2的電纜，超遠距離線徑應大于1.5 mm2。而且CAN總線的通信速率是隨著通信距離的增大而降低的，通常在1 km時,最高波特率為35 kb/s，2 km時為18 kb/s，當距離大于5 km則必須增加CAN中繼器，否則無法正常通信。
3 實測數(shù)據(jù)
    如圖4為橋梁振動系統(tǒng)實測得到的縱向垂直振動加速度信號。本系統(tǒng)中還采用了DHT22型號的溫濕度檢測模塊與PH100SX型風速風向傳感器，這兩類傳感器和輸出都是數(shù)字信號，接口設計簡單，限于篇幅不再贅述。本系統(tǒng)的實際指標如下：
    在線調節(jié)傳感器采樣率范圍為1～100 Hz；
    在線調節(jié)傳感器放大倍數(shù)為1，2，4，8，16，32，64，128;
    加速度測量范圍為0～±1.7g，最大靈敏度為1 mg;
    加速度數(shù)據(jù)非線性度小于0.5%;
    嚴格同步雙軸振動數(shù)據(jù)測量;
    單路CAN最大節(jié)點數(shù)為60，CAN組網(wǎng)可達600個節(jié)點以上。

    本文所研制的多參數(shù)橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)長時間無人值守的實時雙軸振動信號采集、溫濕度采集以及風速風向測量等功能。監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡獲取各監(jiān)控橋梁的狀態(tài)信息，并自動根據(jù)橋梁狀態(tài)信號實時報警。該系統(tǒng)還可以應用于大型建筑體，攔河大壩等大型結構體的遠程健康狀態(tài)監(jiān)控。
參考文獻
[1] 高占鳳，杜彥良,蘇木標.橋梁振動狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].北京交通大學學報，2007,31(4):45-48.
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[5] 吳永忠.高性能模擬前端AD7714及其應用[J].電子工程師,2006,32(8):56-59.