無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制與實(shí)驗(yàn)研究

引言

大型土木工程結(jié)構(gòu)(如海洋平臺(tái)、大壩、懸索橋等)在其服役期間，往往會(huì)受到各種環(huán)境荷載的共同作用而產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)，這些振動(dòng)一般以低頻為主,是一類低頻結(jié)構(gòu)物。一般地說，低頻振動(dòng)是指頻率在5-10Hz以下的振動(dòng)，由于其振動(dòng)加速度值不大，對(duì)人的直觀感受影響較小，因而常常被人們忽略口〕。但是,對(duì)于這些大型工程結(jié)構(gòu)而言，長(zhǎng)期持續(xù)的振動(dòng)卻會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行以及結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度與壽命，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞。因此,對(duì)這些大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損振動(dòng)檢測(cè)，確保其工作的安全性、可靠性是一個(gè)重要的研究課題。

振動(dòng)檢測(cè)的基本原理是利用傳感器提取結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)信號(hào)，通過智能算法對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后獲知結(jié)構(gòu)的損傷情況以采取相應(yīng)的措施逆。目前對(duì)結(jié)構(gòu)的無損振動(dòng)檢測(cè)，主要是測(cè)量加速度參量，再經(jīng)過一次或兩次積分得到速度或位移參量。因此，基本的工作就是對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，即對(duì)加速度信號(hào)的獲取。因此,低頻加速度傳感器的選取是測(cè)量精度高低的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)多采用有線的方式測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、處理與判斷。但是，對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)而言，有線方式存在難以布線、耗資巨大、后期維護(hù) 困難等問題。隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，用無線代 替有線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸更為方便和快捷。

本文運(yùn)用基于ZigBee的無線星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進(jìn) 行設(shè)計(jì)，并在分析選用低頻加速度傳感器的基礎(chǔ)上, 采用模塊化方法制作無線傳感節(jié)點(diǎn)與基站，最后通過 實(shí)驗(yàn)對(duì)無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的低頻特性進(jìn)行驗(yàn)證。

1  無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上就是現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的一種應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等發(fā)展起來的一門新型交叉學(xué)科。它由放置在監(jiān)測(cè)環(huán)境 內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)山。一般來講，整個(gè)系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和數(shù)據(jù)處理部分。無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

本研究選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，它由 一個(gè)基站和多個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)組成。基站作為中央節(jié) 點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)指令，接 收各傳感節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理;各傳 感節(jié)點(diǎn)用來響應(yīng)基站指令并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集,最 后將振動(dòng)數(shù)據(jù)以無線數(shù)據(jù)包的形式發(fā)給基站。

2  無線傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無線傳感節(jié)點(diǎn)是無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成 部分，它是利用現(xiàn)有的MEMS技術(shù)和嵌入式技術(shù)器 件集成起來的。節(jié)點(diǎn)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式「門，由超 低頻加速度傳感器、傳感器接口單元、微處理器、無線 模塊、存儲(chǔ)器、電源管理模塊等部分組成。圖2所示 是無線傳感節(jié)點(diǎn)的組成框圖。

2.1  加速度傳感器的選取

超低頻振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇，對(duì)加速度傳感器的低頻特性、靈敏度等要求較高。由于振動(dòng)頻率低，一般傳感器的機(jī)械固有頻率難以達(dá)到，可能導(dǎo)致在測(cè)量時(shí)，傳感器的信噪比低，輸出信號(hào)極其微弱，完全“淹沒”在噪聲中而難以拾取。因此，低頻加速度傳感器的選取是一個(gè)關(guān)鍵，其性能優(yōu)劣直接影 響到被測(cè)信號(hào)的精度與有效性。

經(jīng)過比較，本設(shè)計(jì)選取力平衡傳感器作為低頻振動(dòng)加速度信號(hào)的拾取單元。力平衡式加速度傳感器 一般先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成力或力矩，然后用反饋力調(diào)節(jié) 平衡系統(tǒng)的閉環(huán)傳感器。它的設(shè)計(jì)是通過激勵(lì)信號(hào)調(diào)制、解調(diào)，加入力反饋進(jìn)行電壓輸出進(jìn)行的。輸出電壓的大小與電容極板運(yùn)動(dòng)位移成正比，而電容極板的位移量與傳感器外殼體運(yùn)動(dòng)的加速度成正比。因此，電容中間極板的輸出電壓所對(duì)應(yīng)的就是傳感器殼體的運(yùn)動(dòng)加速度。

力平衡加速度傳感器目前主要應(yīng)用于超低頻和低加速度的測(cè)量，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。

2. 2  無線傳感節(jié)點(diǎn)硬件電路

加速度傳感器與傳感器接口單元配合使用可構(gòu) 成數(shù)據(jù)采集單元。傳感器接口單元?jiǎng)t由多路選擇器 （MUX）與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）構(gòu)成，多路選擇器用于 加速度通道的選取,模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量（電 壓信號(hào)）到數(shù)字量的A/D轉(zhuǎn)換。

微處理單元（MCU）可選用TI公司的高性能 16位微處理器MSP430F5438,該處理器具有良好的 低功耗特性，可滿足無線傳感節(jié)點(diǎn)低功耗和快速數(shù)據(jù) 處理的設(shè)計(jì)要求；存儲(chǔ)單元選用NAND型大容量 Flash存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有體積小、存儲(chǔ)容量大等 特點(diǎn)，可滿足對(duì)大量振動(dòng)數(shù)據(jù)的緩存處理要求。

無線傳感節(jié)點(diǎn)選用具有安全、可靠、可充電的集 成+ 24 V鋰電池進(jìn)行供電。由于傳感節(jié)點(diǎn)各模塊單元所需電壓不盡相同（需要士 15 V、士 12 V、+3. 3 V 電壓）。為了獲得各模塊所需電壓以及減少電壓紋波影響，電源電路設(shè)計(jì)采用兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)。第一級(jí)釆用DC/DC芯片實(shí)現(xiàn)+24V到士15V以及+3.3V的變換，第二級(jí)采用LDO芯片實(shí)現(xiàn)±15V到士12V的變換。

2.3  無線模塊設(shè)計(jì)

無線模塊用于數(shù)據(jù)的無線交互，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)與基站間的數(shù)據(jù)無線傳輸。本文采用基于ZigBee無線通信協(xié)議的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。ZigBee是工作在ISM（工業(yè)科學(xué)醫(yī)療）頻段的專注于低功耗、低成本、低速率的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

無線模塊由無線射頻芯片CC2520與放大前端CC2591及其外圍電路組成。CC2520是TI公司符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的第二代ZigBee低功耗射頻收發(fā)器,工作于2.4GHz的ISM免許可證頻段。CC2591是一種工作在2.4GHz的射頻放大器，能夠提高無線信號(hào)的發(fā)射功率和接收靈敏度，增加無線信號(hào)的強(qiáng)度和傳輸距離。

3  基站

基站可由無線模塊、串口服務(wù)器、PC機(jī)以及嵌入式采集軟件構(gòu)成。無線模塊主要用于與無線傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互，通常由一個(gè)控制端和多個(gè)通信端組成?？刂贫擞糜谙蚋鱾鞲泄?jié)點(diǎn)發(fā)送指令，建立通信網(wǎng)絡(luò);通信端用于接收傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的振動(dòng)數(shù)據(jù)包。由于振動(dòng)數(shù)據(jù)量比較大，無線通信采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式,即一個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)通信端。

無線模塊與PC機(jī)通過串口方式相連。目前，通過PC機(jī)的RS232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通訊，是許多測(cè)控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PC機(jī)上預(yù)留的串口越來越少，有些更是沒有串口，無法滿足本設(shè)計(jì)對(duì)串口的需求，需要進(jìn)行擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)選用USB型串口服務(wù)器，它可以把串口接收的數(shù)據(jù)以USB的方式傳送到PC機(jī)中，而且具有靈活、簡(jiǎn)單、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)。

PC機(jī)中嵌入的智能釆集軟件主要完成端口配置，同時(shí)完成發(fā)送指令、建立網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理等功能。通常由基本設(shè)置、實(shí)時(shí)采集、歷史波形査看、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)分析等模塊組成。

4  實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

設(shè)計(jì)一個(gè)單擺實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行低頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。由單擺的周期公式可以看出，擺長(zhǎng)不同，則周期（頻率）不同。同此可見，控制擺長(zhǎng)就可以得到我們所需要的低頻信號(hào)。

雙線擺低頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案圖與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖分別如圖3和圖4所示。

將有線加速度傳感器與無線加速度傳感器共同放置在單擺裝置的吊籃中心位置處，并用強(qiáng)磁鐵緊緊固定,有線傳感器與NI的采集儀（PXI-4472）相連進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集。無線傳感器與無線傳感節(jié)點(diǎn)相連，并通過與基站的無線交互，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的提取。

實(shí)驗(yàn)中，可對(duì)單擺進(jìn)行激勵(lì)以使其擺動(dòng),并盡量控制振幅，使其在擺角＜5°的小振幅下做阻尼擺動(dòng)。然后用無線與有線同步采集，采集頻率均為100Hz。利用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再比較有線與無線的時(shí)域與頻域波形。設(shè)置擺長(zhǎng)為0.9m和2.2m進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)域與頻域分析圖如圖5與圖6所示。

通過時(shí)域圖可以看出，無線與有線波形基本吻合,頻域方面對(duì)一階頻率進(jìn)行差別計(jì)算，差別=（實(shí)測(cè)結(jié)果一單擺固有頻率）/單擺固有頻率，單位為％。表1和表2所列分別是0.9m和2.2m擺長(zhǎng)時(shí)，無線與有線的頻率比較，由表1與表2可見，其差別很小，均在可控范圍內(nèi)。也可對(duì)無線與有線的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算,振動(dòng)特性。另外,無線傳輸誤差較大的原因是存在數(shù)據(jù)丟失的問題，也是下一步將進(jìn)行改進(jìn)的課題。

從圖形和誤差分析可以看出，無線低頻檢測(cè)系統(tǒng)能很好地反映低頻信號(hào)的振動(dòng)情況，低頻性能良好、無線傳輸可靠，適合應(yīng)用于低頻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試當(dāng)中。

5  結(jié)論

本文針對(duì)低頻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)檢測(cè)，結(jié)合無線傳感技術(shù),給出了一種無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)集成了低頻加速度傳感器、無線傳感節(jié)點(diǎn)、基站等裝置。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的低頻性能,本文還給出了單擺實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)適合應(yīng)用在低頻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)檢測(cè)中。所設(shè)計(jì)的無線傳感節(jié)點(diǎn)具有低功耗、無需布線、可超低頻測(cè)量等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)與基站配合構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)為低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)提供了一種新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。