可远程自校准的分布式组网无线微振动测试仪研制

陈晋央， 余尚江， 郭青林， 杜建国

(1. 总参工程兵科研三所， 河南 洛阳 471023； 2. 敦煌研究院 甘肃 敦煌， 736200)

可远程自校准的分布式组网无线微振动测试仪研制

陈晋央1， 余尚江1， 郭青林2， 杜建国1

(1. 总参工程兵科研三所， 河南 洛阳 471023； 2. 敦煌研究院 甘肃 敦煌， 736200)

为满足文化遗产地的微振动环境监测需求，设计了可远程自校准的分布式组网无线微振动测试仪。通过测试仪硬件电路、固件程序、封装结构的合理设计，以及测试仪的校准试验和在敦煌莫高窟的现场试验，验证了设计的无线微振动测试仪具有无线分布式组网、集成度高、远程自校准、同步采样、自动定位、灵敏度高等特点，能够满足世界文化遗产地对微振动环境的长期大范围监测需求。该测试仪已经在敦煌莫高窟的风险预警系统中使用。

敦煌莫高窟；微振动监测；无线组网；远程自校准

随着工业经济的发展和人类活动的频繁，在文化遗产地内部及其周边的游客参观、交通运输、工程建设施工等活动所产生振动对石窟寺、古建筑、古文化遗址的影响受到文物保护部门的重视[1-6]。由于这种持久性的微幅振动是长期存在并反复发生的，石窟寺、古建筑、古文化遗址受到长期累积影响后将引起疲劳效应而出现裂缝或者变形，所以振动效应对文化遗产的损害较大。为了保护文化遗产，有必要在文化遗产地进行振动环境的监测，以便达到及时预警、提前保护的目的。由于大部分的文化遗产地面积较大，给全区域长期的微幅振动环境监测带来了不便。同时，为了能够保持文化遗产的原貌，对振动环境的监测也提出了尽量避免监测设备的安装、传输线缆的埋设、设备的后期维护等苛刻要求。

目前针对长期、大范围、多测点的微幅振动环境实时监测，一般采用有线组网方式。采用传感器、放大器、数据采集仪等分离式的设备组网来完成测试?任务，需要前期铺设有线线缆、调试安装多台复杂设备[7]；已有的基于ZigBee (IEEE 802.15.4标准)无线传感技术和无线数传模块的测试设备由于传输速率低、节点处理能力弱、无法同步测试等限制，仅在可休眠工作的低采样率的测试场合中使用[8-11]；同时在长期监测过程中还需要定期对传感器及测试设备进行校准以保证测试精度[12]。有线线缆的铺设不仅会破坏世界文化遗产的原貌，也会对原本微弱的振动信号产生干扰和线缆噪声；已有的无线测试设备无法满足长期大范围多测点的微幅振动环境实时监测的实际需求；定期拆卸设备进行校准不仅会增加工作量，还会出现监测的时间空隙。因此已有的技术并不能满足文化遗产地微振动环境的监测需求。

本文针对上述现有微振动监测技术中的不足，提出一种可远程自校准的分布式无线组网微振动测试仪，它具有分布式无线组网、集成度高、远程自校准、同步采样、自动定位、灵敏度高等特点，能够满足文化遗产地对微振动环境的长期大范围监测需求。

1 无线微振动测试仪的组成

设计的无线微振动传感器的系统结构,如图1所示。由振动传感模块、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块组成。振动传感模块包括高精度三向振动传感器和信号调理适配电路；采集存储模块包括模数转换AD(Analog to Digital)采样电路和FLASH存储电路；微处理模块以现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)处理器为核心；无线组网模块包括无线Wi-Fi(Wireless Fidelity，IEEE 802.11标准)通信组网电路和全球定位系统GPS(Global Positioning System)/中国北斗卫星导航系统BDS(Beidou Navigation Satellite System)同步及定位电路；自校准模块包括DA(Digital to Analog)数模转换电路和传感器内部的校准线圈；供电模块可选择交流220 V或可充电高能聚合物锂电池。将上述模块中的信号调理适配电路、AD采样电路、FLASH存储电路、微处理电路、无线Wi-Fi通信组网电路、GPS/BDS接收机电路、DA电路和电源变换处理电路集成设计于同一块电路板上，同时将该电路板与三个高精度振动传感器共同组装至机箱内构成可远程自校准的分布式无线组网微振动测试仪，单台测试仪可完成三个方向振动信号感知、数据采集存储、无线通信组网、远程自动校准等功能。

图1 无线微振动测试仪的组成模块示意图Fig.1 Schematic module of wireless micro vibration testing instrument

2 无线微振动测试仪的具体实现

2.1 硬件实现

无线微振动测试仪的硬件由振动传感器和信号采集及无线通信电路组成，其中振动传感器实现低频微小振动的感知，并带有自校准功能；信号采集及无线通信电路集成了信号调理、采集、存储、无线通信、卫星导航系统同步及定位、校准信号源产生等功能模块，在FPGA处理器的控制下协调工作。其中信号采集及无线通信电路板中的主要硬件有：完成振动信号放大的三通道信号调理电路、完成AD采样功能的AD芯片、完成无线通信功能的Wi-Fi通信芯片、完成同步和定位功能的GPS/BDS接收机芯片、完成存储功能的FLASH芯片以及完成采样过程控制和各芯片适配控制的FPGA处理器。

振动传感器为磁电式传感器，其结构示意图，如图2所示。包括惯性质量、弹性元件、敏感换能元件(磁路和线圈)等部分组成。为了能够进行远程自校准，缠绕了两组线圈：一组线圈是正常的信号输出线圈，用于检测正常的振动信号，如图2中的线圈1。另一组线圈是校准激励信号输入线圈(下文简称校准线圈)，用于校准时使用，如图2中的线圈2。实现远程自校准功能时，将校准信号源加载至校准线圈，通过微处理器对输入标准校准信号的频率幅度信息和AD采样后的频率幅度信息的处理和计算，即可完成包含传感器和数据采集设备的整体校准。该传感器频响范围为1～200 Hz，振动速度灵敏度为15 V/(m/s)，配合信号调理电路可有效检测6×10-8m/s的微弱振动信号。为实现单个测点处的三向微振动测试，使用两个水平向和一个垂直向的上述传感器。

图2 低频微振动传感器结构示意图Fig.2 Structure of low-frequency micro vibration sensor

信号调理适配电路由四级低噪声运算放大器级联组成，实现阻抗变换、低噪声放大、高陡度贝塞尔滤波功能。电路放大倍数可远程通过继电器切换调整，放大倍数可设置1倍、10倍、100倍、500倍、2 000倍、5 000倍等多个档位，与传感器的各个量程档配合后实现的速度动态范围为6×10-8～6.4 m/s。

AD采样电路采用AD7606芯片，该AD芯片工作于±5 V输入模式， 16位AD转换精度，同步采样，最小分辨率为152 μV。AD7606芯片具有8个输入通道，其中三个通道与信号适配调理电路连接，三个通道与校准输入信号连接，完成传感器输出信号和校准信号的数字化，通过微处理器控制其采样率为2 kSPS。

FLASH存储电路的最大容量为4 Gbit，其写入速率大于测试仪的AD采样速率，用于完成偶然断电或无线网络故障时的数据备份存储。

相比于温湿度等环境参量无线监测设备，振动无线监测设备的采样率要高很多，单位时间产生的数据量大，多台测试仪组网时，需要使用Wi-Fi无线通信组网。一方面Wi-Fi通信目前应用十分广泛，基础设施简单，另一方面Wi-Fi通信在固定区域的组网及高速数据传输明显优于其他的无线通信方式。采用的以太网芯片W5300和以太网转Wi-Fi芯片WizFi630内部集成了以太网协议和Wi-Fi协议的物理层和基本协议栈，仅需要微处理器进行寄存器操作即可完成Wi-Fi组网通信，简单可靠。多个测试仪使用时采用不同IP地址完成无线Wi-Fi组网，进行控制命令和测试数据的交互。在大范围组网时，为满足振动信号分析、模态识别所需信号的时间同步，必须保证测试仪的时钟同步，采用和芯星通的GPS/BDS双模芯片UM220完成不同测试仪之间的时钟同步，该芯片的1PPS信号精度达到20 ns，配合微处理器的高速时钟进行上升沿检测，同时考虑不同接收机的同步误差，通过本地时钟经过锁相环产生的多相高频时钟及同步算法的具体实现，可以保证不同测试仪的同步精度优于1 μs。同时UM220模块1 s更新一次导航解，FPGA处理后直接发送给振动监测服务器，可以获取测试仪的位置信息，在大范围测试中可以方便的与地理信息系统融合。

微处理器是测试仪底层硬件的控制核心，采用FPGA实现如下功能：①测控服务器的命令解析；②控制AD工作休眠过程；③根据量程设置不同的适配电路放大倍数；④在测试仪断电或者无线网络故障时启动FLASH存储；⑤控制以太网和Wi-Fi芯片保证控制命令和数据的可靠交互；⑥监测GPS/BDS芯片的1PPS信号和导航信息以获得多台测试仪的时钟同步和定位信息；⑦远程自校准时控制DA产生扫频信号并切换AD采样通道，当需要校准时利用数字频率合成技术使DA电路产生相应的扫频信号，加载至传感器的校准线圈上。

采用六层板设计，经过芯片小封装选型和电路优化布线，将所有电路模块集成于一块电路板，设计的最终的电路板尺寸为120 mm×75 mm，如图3所示。

2.2 固件程序实现

固件程序主要完成AD、FLASH、无线Wi-Fi、GPS/BDS接收机、DA、调理电路增益等具体电路模块的驱动适配和测试过程的控制，烧录在FPGA处理器中。该固件程序的主要功能模块,如图4所示。

图3 无线微振动测试仪的硬件电路板实物图Fig.3 Hardware material of wireless micro vibration testing instrument

图4 微处理器中固件程序的主要功能模块Fig.4 Main function of firmware in microprocessor

通过上述主要功能模块的编程，FPGA可以控制管理各个硬件芯片，完成无线微振动测试仪的所有功能。微处理器中固件程序的实现流程图，如图5所示，根据Wi-Fi通信接收到的测控服务器工作配置命令决定进入不同的工作模式：①空闲模式时不进行振动信号的采集，仅解析卫星接收机的导航信息，间隔一定时间上报位置和工作状态信息；②工作模式时根据预设命令配置调理电路的放大倍数，启动振动信号的采集，在振动数据回传之前检测卫星接收机模块产生的1PPS信号的上升沿，根据该上升沿在测试数据中加入绝对时刻信息，然后判断Wi-Fi网络连通情况，如果网络正常，实时回传测试数据，如果网络异常，将测试数据存入FLASH存储中；③自校准模式时根据预设命令产生相应的校准信号源，将该信号源加载至传感器的校准线圈上，无线回传经过AD采样后的校准数据，由测控服务器进行包含传感器和数据采集在内的测试仪的整体灵敏度及频带校准。

2.3 测试仪的封装及使用

根据实际应用环境，设计了三种封装形式的无线微振动测试仪，如图6所示。其中放置式用于可以直接放置使用的场合，紧固式用于需要固定至结构表面使用的场合，埋设式用于需要在沙土介质内部埋设使用的场合。该测试仪应用时的系统结构，如图7所示[13]。测试仪将振动信号转换为数字信号，通过支持Wi-Fi协议的无线AP或中继将数字信号传输至振动监测的测控中心，该中心的服务器上运行测控软件完成振动数据分析及处理，同时可与远程用户通信，当振动值达到预警值时通过多种方式预警提醒。

图5 微处理器中固件程序流程图Fig.5 Process of firmware in microprocessor

(a)放置式 (b)紧固式 (c)埋设式图6 三种封装形式的无线微振动测试仪实物图Fig.6 Three kinds of package of wireless micro vibration testing instrument

图7 无线微振动测试仪的典型应用系统结构图Fig.7 Typical application system of wireless micro vibration testing instrument

3 无线微振动测试仪的性能试验

为验证研制的无线微振动测试仪的性能，在某计量测试站利用低频振动校准装置对该测试仪进行了性能试验。试验分为：①低频振动传感器性能测试，将使用的低频振动传感器置于低频振动台上，通过信号电缆线与后端无线采集处理电路板连接，测量传感器的灵敏度及频响范围；②测试仪性能测试，将封装后的无线微振动测试仪整体放置于低频振动台上对系统灵敏度及频响范围进行校准；③对比试验，将研制的无线微振动测试仪与低频振动传感器配合东华测试技术公司的采集仪组成的有线测试仪进行振动信号测试的对比试验。

性能试验装置，如图8 所示。通过试验得到如下结果：①传感器自身及封装后的无线测试仪在频响范围内的灵敏度幅频响应平坦(<±5%)；②振动传感器封装前后的灵敏度最大误差<1.04%；③封装后的无线振动测试仪的共振频率>220 Hz；④通过与有线式测量方法比较，无线测试仪具有与有线测试系统相当的测量精度。

(a)测试系统连接示意图

(b)低频振动测试装置

(c)无线微振动测试仪在振动台上安装图8 无线微振动测试仪试验装置图Fig.8 Experiment device of wireless micro vibration testing instrument

4 无线微振动测试仪的应用

本文提出的无线微振动测试仪主要是为世界文化遗产地的微振动环境监测设计的，在敦煌莫高窟进行了现场试验。2014年敦煌莫高窟某洞窟进行了为期三个月的窟前平台拆除施工工作，施工全过程使用四台无线微振动测试仪进行振动环境的实时监测，其中在施工现场布设的一个测试仪，如图9所示。施工管理人员根据测试仪的实时数据修正确定具体的施工方法，在保护文物不受影响的前提下圆满完成了拆除施工任务。

为配合敦煌莫高窟振动环境监测，针对大范围多测点振动监测，开发了基于无线微振动测试仪的监测及预警软件，软件界面，如图10所示。利用无线微振动测试仪及软件，长时间无间断地监测敦煌莫高窟的振动环境，获得了莫高窟的一些振动环境数据，如洞窟地面的地脉动幅值为0.3～0.6 μm/s，游客在洞窟内走动引起地面垂直向振动幅值为5～30 μm/s，公路上行驶的翻斗车引起的振动幅值为10～20 μm/s，而洞窟外进行地面铺砖施工引起相邻洞窟内地面振动幅值为20～50 μm/s。振动信号的频率分布及振幅值与之前相关测试结论相符[14-16]。

图9 无线微振动测试仪在敦煌莫高窟使用实物图Fig.9 Practical application of wireless micro vibration testing instrument in Mogao Grottoes

图10 监测软件图Fig.10 Monitoring software

结合针对本文研制的可远程自校准的分布式组网无线微振动测试仪进行的性能试验和敦煌莫高窟现场应用试验，该设备的主要技术指标，如表1所示。

表1 设备的主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of the instrument

目前，本文提出的可远程自校准的分布式无线组网微振动测试仪已列入敦煌莫高窟整体的“世界文化遗产地莫高窟监测预警体系建设”项目，将为文物的预防性保护提供了实际振动环境的定量依据。

5 结 论

通过硬件、固件程序和封装的合理设计及实现，研制了可远程自校准的分布式无线组网微振动测试仪。测试仪的性能试验及现场应用表明，测试仪具有集成度高、布设维护方便(远程自校准)、动态范围大、采样速率高、可实时监测、可大范围无线组网、具备同步测试及定位功能等特点，克服了有线式、无线ZigBee式等测试手段在长期、大范围、多测点振动环境实时监测中的局限性，可广泛应用于世界文化遗产地等文物保护场合对微振动环境进行长期大范围监测，为重要文物的有效保护提供技术支撑。

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A design of distributed wireless micro vibration testing instrument with remote self-calibration function

CHEN Jinyang1, YU Shangjiang1, GUO Qinglin2, DU Jianguo1

(1. The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff, Luoyang 471023, China；2. Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China)

In order to realize real-time micro vibration monitoring in the area of cultural heritage, a distributed wireless micro vibration testing instrument was designed with remote self-calibrate function. Through the rational design of hardware circuit, firmware program and package structure, at the same time the calibration experiment and field experiment in Mogao Grottoes of the testing instrument were implemented. It has been proved that the designed testing instrument has the advantage such as distributed wireless networking, high integrated sense and adaptation, remote self-calibration, synchronous sampling, automatic positioning and high sensitivity, which is able to meet the demand of micro vibration monitoring for long time and wide range in the area of world cultural heritage. At present the testing instruments are used in the risk early warning system of Dunhuang Mogao Grottoes.

Dunhuang Mogao Grottoes; micro vibration monitoring; wireless networking; remote self-calibrate

国家科技支撑计划课题(2013BAK01B01)

2016-02-23 修改稿收到日期： 2016-04-19

陈晋央 男，硕士，助理研究员，1987年生

余尚江 男，博士，研究员，1968年生

TH165.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.032