大体积混凝土结构长期应变监测系统_无线振弦传感器_

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大体积混凝土结构长期应变监测系统

北京必创科技有限公司(传感器事业部）

2012/10/10 10:11:47

0．前言

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

1．系统总体方案设计

本系统是一个典型的无线传感器网络[1]，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GPRS功能的BS909网关，通过Internet网络将数据转发到远程监控主机，此即为传感网第二级；监控主机安装BeeData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。

图2 系统总体结构

2 无线无线振弦传感器设计

2.1 无线无线振弦传感器工作原理[2、3]

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f，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：

其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ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ρv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*△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。

2.2 测频系统的设计

2.2.1 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。

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[4]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。

2.2.2 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。

图4 激振电路

图4中， P1.0输出的方波去激励振弦传感器,二极管D1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。

2.2.3 拾振模块电路设计[5]

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 拾振模块电路

图5中，采用AD708组成的有源低通滤波电路。R1~R11是电阻， D1 是二极管吸收传感器瞬间所产生的尖峰脉冲, C1、C3、C5是滤波电容，C2、C4是隔直电容。

2.3 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-输入线性如图6所示。

图 6 振弦传感器输出-输入

2.4 无线通讯模块

无线通信模块[6]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，802.15.4物理层协议控制与数据收发由TI公司的SoC芯片CC2430完成，CC2430 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。

图7 无线通信模块

图7中，电路中的非平衡变压器由电容C112 和电感L102、L100、L101 以及一个PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50 Ω)的要求。内部T/R 交换电路完成LNA 和PA之间的交换。用1个32 MHz 的石英谐振器（X100）和2 个电容（C108 和C109）构成一个32 MHz 的晶振电路。用1个32.768 kHz 的石英谐振器（Y100）和2 个电容（C110 和C111）构成一个32.768 kHz 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，C115、C100、C101、C104、C102、C113、C103、C107、C106、C105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，R101、R102为电流提供精确的偏置电阻。

3 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GPRS功能和以太网络接口，可以通过INTENET或CDMA/GPRS等其他无线方式进行远程控制。

4 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。