混凝土形變檢測裝置

0 引 言

在建筑土木工程領(lǐng)域，電阻應(yīng)變片得到了廣泛使用，適用于橋梁、隧道、大壩、建筑等混凝土樁的應(yīng)變監(jiān)測，如混凝土的拉伸和壓縮等。現(xiàn)有測量設(shè)備前端大多采用惠斯登電橋得到電阻應(yīng)變片的阻值變化，從而分析電阻的變化與電阻應(yīng)變片形變之間的關(guān)系。測量中將應(yīng)變片粘貼在被測試件上， 在不考慮環(huán)境溫度變化的情況下，當(dāng)被測試件受力發(fā)生拉伸或壓縮變形時(shí)，纏繞在應(yīng)變片內(nèi)的電阻絲也會隨之產(chǎn)生變形， 導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，根據(jù)電阻的變化以及應(yīng)變片的參數(shù)就可反算得到被測試件的應(yīng)變 [1]。在實(shí)際測量中由于金屬絲電阻系數(shù)會改變，通常用橋路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ郎囟茸兓鸬臒彷敵?，用惠斯登電橋消除溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?

當(dāng)前常用方法和設(shè)備有埋入式、表面式等不同種類，該設(shè)備測量前端設(shè)備體積大，易損壞 [2]。雖然當(dāng)前對電阻應(yīng)變片的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理已有了成熟的方案和設(shè)備，但設(shè)備體積較大，不方便攜帶，無法滿足小體積、密封混凝土形變測量的要求。

鑒于此，本文項(xiàng)目提出了一種新型混凝土應(yīng)變測量裝置。該裝置采集電阻應(yīng)變片形變時(shí)對應(yīng)電壓的變化，增加 SD 卡存儲模塊實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲。對數(shù)據(jù)分析后得到與被測物體形變量的對應(yīng)關(guān)系，達(dá)到和已有設(shè)備相當(dāng)?shù)男Ч?。該設(shè)備體積小，可以在密閉，并且無法使用無線方式傳輸數(shù)據(jù)的環(huán)境下使用，可實(shí)時(shí)存儲數(shù)據(jù)信息，之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理。

1 系統(tǒng)組成

本文混凝土形變檢測裝置主要涉及電阻應(yīng)變片的粘貼、電阻應(yīng)變片電壓采集、電壓數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等方面。將電阻應(yīng)變片粘貼到巖石樣的表面，應(yīng)變片的兩根引線連接到 STC12 單片機(jī)的電壓采集引腳，同時(shí) SD 卡模塊連接到STC12 單片機(jī)，用于存儲電壓數(shù)據(jù)。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

該檢測裝置體積小，硬件連接簡單，實(shí)用性強(qiáng)。將電阻應(yīng)變片牢固地粘貼在巖石試樣上，保證二者同步變形、同步工作。將電阻應(yīng)變片引線連接到單片機(jī)的電壓采集引腳，同時(shí)將 SD 卡存儲模塊連接到單片機(jī)。裝置連接簡單，可采用電池供電和電源接口供電，SD 卡存儲模塊無需單獨(dú)供電。在特殊環(huán)境下可去掉 SD 卡存儲模塊，用串口線連接到電腦端，接收單片機(jī)采集到的電壓數(shù)據(jù)。檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

                                                                                                                                                     圖 1 檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 裝置實(shí)現(xiàn)流程

本文實(shí)驗(yàn)采用箔式電阻應(yīng)變片，將應(yīng)變片縱向粘貼，測量試件的縱向應(yīng)變力。為防止測量過程中應(yīng)變片引線與試件接觸對測量值產(chǎn)生影響，將引線與導(dǎo)線焊接，并將焊接處固定在試件上。將焊接后的引線連接到單片機(jī)的電壓采集引腳， 同時(shí)將 SD 卡存儲模塊連接到單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程中施加圓柱試件單向力，使圓柱試件在垂直于其底面的方向壓縮。壓縮時(shí)單片機(jī)工作，A/D 轉(zhuǎn)換后單片機(jī)采集到試件變化過程中電阻應(yīng)變片對應(yīng)的電阻變化，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲到SD 卡中。

單片機(jī)通過應(yīng)變片引腳采集模擬電壓信號，并實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為 16 進(jìn)制數(shù)據(jù)。單片機(jī)將數(shù)字信號存儲到 SD 卡模塊。信息流圖如圖 2 所示。

                                                                                                                                                                               圖 2 檢測裝置信息流程圖

2 功能模塊

2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

STC12 系列單片機(jī)帶 A/D 轉(zhuǎn)換的引腳在 P1 口， 擁有8 路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。8 路電壓輸入型 A/D 可進(jìn)行溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。該單片機(jī)采用逐次比較型 ADC，從高位開始，順序?qū)γ恳惠斎腚妷号c內(nèi)置 D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入的模擬量值。將粘貼焊接完成的電阻應(yīng)變片其中一個(gè)引線連接到單片機(jī)電壓采集引腳，壓縮混凝土的同時(shí)開啟單片機(jī)采集應(yīng)變片電壓。

2.2 SD卡存儲模塊

SD 卡支持 SD 方式和 SPI 方式。本文實(shí)驗(yàn)采用 SPI 方式， 使用 CS，CLK，DataIn，DataOut 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。使用 SPI 模式的好處在于單片機(jī)內(nèi)部自帶 SPI 控制器，開發(fā)相對簡單， 降低了開發(fā)成本。初始化后，對 SD 卡進(jìn)行讀寫，SD 卡每個(gè)扇區(qū)中有 512 B，每次扇區(qū)寫操作向 SD 卡的某個(gè)扇區(qū)中寫入 512 B，讀操作時(shí)將某個(gè)扇區(qū)內(nèi)的 512 B 全部讀出。先寫入命令，得到回應(yīng)后開始讀取數(shù)據(jù)。因?yàn)闆]有采用文件系統(tǒng)，寫入 SD 卡的數(shù)據(jù)無法在電腦端直接查看，可采用串口連接方式將單片機(jī)連接到電腦端，通過單片機(jī)讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行查看并分析。SD 卡模塊與單片機(jī)連接，方便存儲前端采集數(shù)據(jù)，可在封閉環(huán)境下采集被測物體的形變數(shù)據(jù)。

2.3 應(yīng)變片

根據(jù)測試儀器對應(yīng)變計(jì)電阻值和測量應(yīng)變儀相匹配的要求，以及測試條件等，選擇合適的電阻應(yīng)變片。實(shí)驗(yàn)采用基層尺寸為 86 mm×6 mm，絲欄尺寸為 80 mm×2.5 mm 的箔式應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的敏感柵是應(yīng)變片中拔營變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感部分，該部分是用金屬絲或半導(dǎo)體材料制成的單絲或柵狀體。引線是從敏感扇引出電信號的絲狀或帶狀導(dǎo)線。本文實(shí)驗(yàn)通過連接引線到單片機(jī)電壓采集引腳，實(shí)現(xiàn)對其的電壓采集。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)儀器采用長沙亞星公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的多物理場耦合作用下巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，主要應(yīng)用該試驗(yàn)機(jī)在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行壓力、變形、位移、溫度計(jì)流量的自動(dòng)采集與試件的加卸載。該儀器最大軸向力為 1 000 kN ；精度為示值的 ±1% ；軸向控制方式分為力控制、位移控制。試樣巖石為頁巖，將粘貼完應(yīng)變片的巖石放入儀器的工作腔，開啟設(shè)備和單片機(jī)采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如圖 3 所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)過程中，連接完成后的測量裝置放入巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的工作腔內(nèi)且試樣未壓縮時(shí)，單片機(jī)采集到未知噪音信號。巖石未壓縮時(shí)采集到的信號認(rèn)定為噪音，巖石壓縮過程中采集到的信號為原始信號。采集數(shù)據(jù)波形如圖 4 所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

圖 4 所顯示的原始信號有一定的規(guī)律，噪音信號雜亂無章。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，電壓數(shù)據(jù)范圍為0 ～ 49。轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到范圍為 0 ～ 1 的新數(shù)據(jù) ；同時(shí)將噪音轉(zhuǎn)換為 0 ～ 1 之間的數(shù)據(jù)。采用 LMS 自適應(yīng)濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，效果如圖 5 所示。

從去噪后信號與原始信號圖的對比可以看出，去噪得到的信號變得更加平緩，更有助于數(shù)據(jù)識別。

4 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有電阻應(yīng)變片混凝土測量設(shè)備的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該形變檢測裝置。通過單片機(jī)對電阻應(yīng)變片端電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲，由電腦端分析數(shù)據(jù)，基本實(shí)現(xiàn)了對混凝土形變的監(jiān)測與分析。對數(shù)據(jù)采用 LMS 自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行去噪，仿真結(jié)果表明，去噪后信號變得更加平緩，更有助于數(shù)據(jù)識別。