基于统一时间基准的网络化微应变监测研究

叶廷东 黄晓红 汪清明

（1.广东轻工职业技术学院，广东 广州 510300；2.广东省科学院，广东 广州 510070）

基于统一时间基准的网络化微应变监测研究

叶廷东1，2， 黄晓红1， 汪清明1

（1.广东轻工职业技术学院，广东 广州 510300；2.广东省科学院，广东 广州 510070）

针对大型工程结构微应变网络化监测的需求，该文设计一种网络化微应变智能传感系统，采用恒流源高精度测量电路解决微应变测量电路中存在的温度效应、桥路输出非线性、测量环境影响等问题；同时基于传感网络时间同步算法实现微应变监测网络时间基准的统一，进而通过预测补偿的方法改善由于网络不确定性造成的传感器信号采样延时问题。测试与仿真研究表明：微应变测量电路的测量误差为0.101%，时间同步算法的平均同步准确度可达29.03μs，网络传感信息的最大预测补偿误差为0.49%。

微应变；时间同步；预测补偿；智能传感器

0 引 言

应力应变检测在机械工程及重大制造装备，如高铁汽车、轮船等重要设备，核电安全壳、水轮机轴、蒸汽管道等电力动力关键设备，土木建筑及水利工程的大型构件，大型钢结构桥梁和道路涵隧工程等领域有着广泛的应用[1-4]。通过检测，可实时掌握关键结构件的应力、应变值，确保结构安全，对防止重大事故的发生和减少经济损失具有重要社会、经济价值。

在重大工程构件，如桥梁、塔架、塔式起重机、核电安全壳、高铁地铁轨道等，其应变检测往往属于微弱信号测量，难于检测[5-7]；同时为了能够得到被测构件工作中较为全面的受力状态，往往需要很多测量点通过网络化的监测才能实现[8-10]。在大型工程结构微应变网络监测中，要保证结构安全，高精度的准确监测是首要条件[11]，同时建立一个具有统一时间基准的监测网络，改善网络不确定性造成的传感器信号采样延时问题，也显得很重要[12-13]。为此，本文将开展网络化微应变智能传感系统结构设计，在实现准确监测的同时解决传感网络信号采样延时问题。

1 网络化微应变智能传感系统结构

为了便于实现工程构件应变的实时远程监测，与工业控制系统实现有机融合，实现测、管、控的一体化，设计了如图1所示的网络化微应变智能传感系统模型结构。图中的核心模块为STIM（smart transducer interface module）模块和 NCAP（network capable application processor）模块，NCAP 与 STIM 模块间通过 TII（transducer independent interface）接口实现短距离的数据通信[14]。其中STIM模块主要用于微应变的检测，NCAP模块主要用于实现自校正、数据存储、输入输出和网络通信等功能，它在运行中通过装载嵌入式系统实现。

图1 网络化微应变智能传感系统结构图

由于工程构件的应变检测往往属于微弱信号测量，难于检测，需要有高精度的检测模块支撑才能够有效实现，它包括高精度传感检测模块、高稳定度基准源、双通道PWM闭环控制调节模块、高精度电压源模块、多ADC并联高精度转换模块等组成；其中双通道PWM闭环控制调节模块主要是为了调节并扩大基准源的驱动负载能力；多ADC并联高精度转换模块则是利用过采样技术减小量化误差，获得与高分辨率ADC相同的信噪比，以增加被测数据的有效位数；而高精度传感检测模块则主要针对目前微应变的高精度测量电路中存在的温度效应、桥路输出非线性、测量环境影响等问题，实现高精度检测。在实际应用，它还可以利用图1模型中的TEDS（transducers electronic data sheet）校正引擎实现对应变检测量的进一步自校正，以消除温湿度、噪声干扰等对应变检测量的影响。

网络化微应变智能传感系统在高精度基准源的基础上，采用图2所示的恒流源高精度测量技术进行测量[15]。 图中，R1、R2构成应变桥路，采用独立的双恒流源I1、I2作为桥路的激励，桥路的输出电压分别接入一个加法放大器和一个减法放大器，且恒流源激励和桥路输出采用独立的导线连接。通过零点电位跟随器，使桥路的公共端（同时也是恒流源的电流回路）电位等于测量电路的零点电位。该测量电路可以消除恒流源I1、I2的变化和R1、R2的变化等因素引入的读数误差以及传统电桥的非线性误差，它的六端连接则可消除导线电阻的影响，可允许较远的测点距离。分析图中电路，存在如下关系式：

图2 恒流源高精度测量模块

式中：Uin、Ur——A/D转换器的模拟输入电压和参考电压；

A——差分放大器的放大倍数；

k——应变片的灵敏系数；

ε——被测应变量。

由式（1）即可实现微应变的准确测量。

设A/D转换器的转换关系为

式中：e——刻度系数，V/字；

N——A/D转换结果的数字量。

则被测微应变为

其中e′=e/（AUrk×106），με/字。

2 时间基准下网络传感信息的预测补偿

图3 传感信息网络采样原理图

传感网络中，传感节点通过网络将检测信息发送至中心节点（控制中心），由于网络时延将导致系统除了正常采取信息外还将出现空采样和多采样的情况，如图3所示，t0时刻为网络时延后的正常采样，t1、t3时刻存在空采样，在t2、t4时刻存在多采样，甚至由于网络传输的原因出现先采集的信息后到的现象。为了满足传感监测系统的时间特性要求，通常需要对网络化传感信号进行实时动态预测补偿，通过预测来改善传感采样信号的延迟与丢失问题。

由图3可知，要实现预测补偿，可以通过两步实现：1）通过时间同步，使得整个系统有一个统一的时间基准；2）获得网络的传输延迟tNW进行预测补偿。

2.1 时间同步算法

在应用中，传感网络的时钟同步信息由报文进行传递，报文的传递必然带来延时抖动，可以通过传输延迟测算方法计算出时间偏移，进而实现基于时钟偏移修正的时间同步[16]。基于延迟测算的时间同步过程如图4所示，其实现过程为：各节点获得参考时间、测算时间传输误差、修正本地时钟[17]。该方法为了消除发送端发送时延和MAC访问时延的影响，中心节点在发送数据时，给同步广播分组在MAC层加上时间标记Ti（i=1，2，…，n）。 这时为了便于子节点的同步，需要发送同步前导码，根据发送数据比特数k和每个比特的传输时间t，可以计算出同步前导码的发送时间为kt。子节点j在接收完同步前导码后，打上第1个本地时间标记t1_ji，待子节点接收并处理完同步信息后，再加上第2个本地时间标记t2_ji，则子节点处理延迟为t2_ji-t1_ji。那么子节点从Ti到调整时钟前，经历的时间延迟为

那么子节点j的本地时钟tji调整为

图4 基于延迟测算的时间同步过程

传感网络经过一个时间周期就会进行一次时间同步，通过时间同步，不仅可以使整个系统有一个统一的时间基准，还可以获得网络的传输延迟测算值tNW。

2.2 网络传感信息预测补偿

在一个同步周期内，可认为网络传输延迟基本相同，这样可对传感采样通过多项式预测来解决延迟补偿问题。

设中心节点根据时间标记，分别获得了最近M个网络传感信息Y（t）=[xi，M，xi，M-1，…，xi，1]T（i为传感器编号，1＜i＜k，k为传感器数量），则可得到传感信息xi的动态预测信息：

式中：AN——多项式模型阶次；

aN，l——多项式模型参数。

且|W|≠0，则由最小二乘方法，可求出模型参数A为

式中W-1XT只与ni（i=1，2，…，K）有关，一旦确定ni，就可以预先计算出W-1XT。在预测计算中只需将新获得的网络传感信息，更新到矩阵Y就可用式（6）进行参数估计，即可实现传感信息的实时预测，同样基于该多项式模型，可通过插值来补充网络丢失的数据。

3 测试与仿真分析

3.1 应变测量电路测试

网络化微应变智能传感系统的测试电路R2采用120Ω标准电阻，R1用精密电阻箱构成模拟桥路，同时采用16位的A/D转换器，应变片灵敏度系数2.1，应变测量电路的测试结果如表1所示，该测量电路的最大检测误差为0.101%，具有较高的测量准确度。

表1 应变测量电路测试结果

3.2 基于时间同步的预测补偿

本仿真试验采用6个无线传感节点，如图5所示，节点编号为Nd1～Nd6，选择节点Nd6作为中心汇聚节点，组成一个时间同步试验系统，初步开展单跳时间同步测试。节点处理器采用TI的CC2530F256射频芯片，该芯片支持算法在MAC层打时间标记，并选用32MHz石英晶振作为节点的振荡时钟源。

图5 同步监测试验系统框架

为了查看网络中各节点的同步精度，设同步周期为5s，同步误差的监测测试时间为10000s，选取节点Nd2为例，节点Nd2的同步误差曲线如图6所示。节点Nd2的同步误差均值为29.03 μs，方差为493.56，具有较好的同步准确度，可以适应现场实时监控的需要。

图6 节点Nd2的同步误差曲线

图7 网络传感信息预测补偿误差

由于实验条件限制，将利用虚拟仪器LabVIEW的仿真方法来进行传感信息动态预测分析。搭建的基于LabVEIW的传输网络仿真平台高、低优先级数据到达率、服务率分别为λF=100、λS=95、μF=200、μS=100，采用排队模型和自适应包丢弃拥塞控制策略进行通信分析。经过分析，该传感数据网络在无拥赛丢包的情况下，网络的平均时延为206.67ms。在实验中所有监测数据传输到中心节点后进行预测补偿，预测补偿结果如图7所示，网络传感信息的最大预测补偿误差为0.49%，较大的相对误差出现在0值和低检测值附近。

4 结束语

针对大型工程结构微应变监测的需求，论文设计了一种具有自校正、存储和网络化通信等功能的微应变智能传感系统，实现了基于时间同步预测补偿的微应变网络化监测：

1）设计的网络化微应变智能传感系统，具有STIM和NCAP模块，STIM模块主要用于微应变的检测，为解决测量中存在的温度效应、桥路输出非线性、测量环境影响等问题，它的测量电路采用恒流源高精度测量技术进行。实验研究表明，该测量检测模块的微应变测量误差为0.101%。

2）可在大型工程结构的微应变监测中，基于延迟测算的时间同步方法，为传感网络建立一个统一的时间基准，在此基础上可通过多项式预测补偿的方法，改善由于网络不确定性造成的传感器信号采样延时问题，在时间校正的同时，实现延时预测补偿。仿真研究表明时间同步算法的平均同步准确度可达29.03 μs，网络传感信息的最大预测补偿误差为0.49%。

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（编辑：刘杨）

Research on network micro strain monitoring based on a uniform clock benchmark

YE Tingdong1，2，HUANG Xiaohong1，WANG Qingming1
（1.Guangdong Industry Polytechnic，Guangzhou 510300，China；2.Guangdong Academy of Sciences，Guangzhou 510070，China）

According to the network monitoring requirement of micro strain for large engineering structure，a networked micro strain intelligent sensing structure is designed in the article.The sensing system adopts high-precision measurement circuit based on constant current source to solve the temperature effect of micro strain measurement circuit，the non-linear output of bridge circuit，the influence ofthe measurement environment，etc.；Meanwhile，a uniform time reference of micro strain monitoring network is realized based on time synchronization algorithm of sensor networks，which can further solve the problem that sensor signal sampling delay caused by uncertainty of sensor network in predictive compensation method.Test and simulation results show that the measurementerrorofthemicrostrainmeasurementcircuitis0.101%，andtheaverage synchronization precision of the time synchronization algorithm can reach 29.03 μs， and the maximum predictive compensation error of the network sensing information is 0.49%.

micro strain；time synchronization；predictive compensation；intelligent sensor

A

：1674-5124（2017）07-0092-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.018

2017-02-15；

：2017-04-24

中国博士后科学基金项目（2013M542157）；广东省科技计划项目（2015A020214025，2015A070710030）；省级“千百十工程”人才资助项目（RC2016-005）；广州市科技计划项目（201604020049）；创新强校工程项目（2A11105）

叶廷东（1976-），男，江西赣州市人，副教授，博士，研究方向为智能传感与现代检测装置。