桥梁无线传感系统设计与分析

李嘉波， 叶 敏， 李四维， 郭 健

(长安大学 工程机械国家重点实验室，陕西 西安 710064)

桥梁无线传感系统设计与分析

李嘉波， 叶 敏， 李四维， 郭 健

(长安大学工程机械国家重点实验室，陕西西安710064)

为满足桥梁监测的要求，对采集的数据实现无线传输，设计了数据无线采集传输系统。以STM微处理器和振弦式传感器为核心元件，对桥梁应变进行监测分析。分析了振弦式传感器的工作原理，对比分析了两种传统的激振原理，并结合两种激振方式的优缺点，提出了对低压扫频激振原理的改进方法，对激振电路进行了优化设计，同时设计了基于NRF905无线传感网络，完成了数据采集的无线发送和接收。实验结果表明：改进后的激振电路测量精度小于0.1 %，系统工作稳定，无线传输功能满足桥梁监测要求。

振弦式传感器； 激振电路； 无线传输； 信号处理

0 引 言

为了实时掌握桥梁结构的应变变化，需对不同位置进行监测，而目前大多数的监测系统采用有线模式完成数据的采集、传输，虽然其传输效率和传输精度均很高，但是实际测量中布线复杂，成本较高。将无线模式引入到监测系统中，可更好地解决有线传输可能出现的问题以及缺陷[1]。因此，设计了以无线传输模块NRF905为主的传输系统，搭载微处理器STM32，对数据进行采集、传输，对桥梁结构应变进行实时监测。

1 系统硬件设计

数据采集传输总体框架如图1所示。系统主要由STM32F103处理器，激振电路，拾振电路和无线收发模块组成。工作流程如下：1)STM处理器向传感器发出激振信号，使振弦式传感器的钢弦振动；2)将传感器输出的信号通过拾振电路进行滤波放大等信号处理；3)将处理后的信号通过无线的方式，发送至PC端，可通过窗口对数据进行分析。

图1 采集系统总体结构

1.1 传统激振原理

将一可调节的频率信号对传感器的线圈进行激振，当激振频率接近钢弦的固有频率时，达到共振，此时线圈产生的频率即激振频率[2]。振弦式传感器有两种激振方式:

1) 高压拨弦激振：将输入的脉冲信号进行放大，放大后的信号需要经过变压器输入到整流电路中，通过对电路电容的充电时间t控制，当电压达到预先设定值后，加载到振弦式传感器的线圈两端，即有电流产生，并产生磁场，钢弦受迫振动，当线圈上的电流消失，钢弦做有阻尼的衰减振荡，此时钢弦的固有频率即为振荡频率[3]。

2)低压扫频激振原理：输入的低压脉冲信号包括了所有振弦式传感器的固有频率，因此，将低压脉冲加载到传感器的线圈上，当脉冲信号的激振频率和线圈的固有频率相当时，钢弦振动，此时振动的幅度达到最大，线圈所产生的感应电动势亦较大，通过拾振电路即可将产生的感应电动势处理成易测的频率。

两种激振原理均存在局限性：高压拨弦激振原理的电路设计复杂，信号不易提取处理，得到的数据精度也很差；虽然低压脉冲可以保护传感器的钢弦，但是为了保证激振效果，就要求每个脉冲信号都要持续很长时间，导致激振的时间较长而且精度相对较低[4]。

1.2 改进激振电路设计

对低压激振方法提出改进：将扫频激振过程分为2个阶段：

1)初扫频：对振弦式传感器进行初次扫频，对得到的频率信号进行检测，由上述分析可知，低压脉冲包含了所有振弦式传感器的固有频率，当低压脉冲频率f1和传感器的固有频率相近时，钢弦才有效

(1)

式中d为传感器激振参数。

2)复扫频：将得到的f1作为频率基础，并计算出新的扫描范围，并对其进行二次扫频，从而确定振弦传感器的固有频率，提高传感器频率测量精度。

系统以单片机为核心元件[5]工作流程如下：1)由单片机STM处理器输出激振信号，经过光电隔离电路滤除干扰信号；2)经过功放电路将信号做放大处理；3)放大信号加载到传感器线圈上，此时线圈产生磁场，钢弦受磁场作用产生振动。振弦式传感器输出频率范围在400～4 500 Hz之间，因此，激振信号的频率由微处理器内部程序控制，可控性较好，激振电路如图2所示。

图2 激振电路

1.3 拾振电路设计

振弦式传感器输出频率范围为400～4 500 Hz，其幅度实测为毫伏(mV)级，由于输出信号常伴随着干扰，因此，需要将输出信号通过滤波放大电路，单片机才能捕获，滤波放大电路共同构成拾振电路[6]。本文设计的拾振电路的结构如图3所示。

图3 拾振电路结构

振弦式传感器输出信号首先经低通滤波电路将杂声去掉，经由LM324组成的运算放大器实现信号放大，再通过由RC构成的高通滤波电路，进行二次滤波，滤除低频干扰信号，通过LM324完成二次放大，将其整形倍压后传送至单片机。滤波放大电路如图4所示。

图4 滤波放大电路

1.4 无线模块

为了保证数据传输时的稳定性和正确性，系统中无线射频收发芯片选用单片无线收发一体芯片NRF905，工作电压为1.9～3.6 V，具有3个ISM频段，配置方便。

NRF905作为无线收发模块，具有3个引脚用于输出，分别为载波检测(CD)，数据就绪(DR)，地址匹配(AM)。当模块检测发现频率时，CD置高，检查数据的地址和系统设定的接收地址相符，如果相同，AM置高；否则，保持不变。如果数据位CRC校验成功，DR置高[7]。

2 系统软件设计

2.1 频率测量

系统采用STM32F103C8T6作为处理器，工作频率最高可达72 MHz，因此，在测量上，为了获得准确的测量结果：1)采用低压扫频方式对振弦式传感器进行激振，记录各信号的周期T，并计算得出频率的平均值f1；2)根据式(1)计算出频率范围，因为振弦式传感器的输出频率在400～4 500 Hz，同时设定测量次数为m，当测量频率不满足要求时，则重新对钢弦进行激振；若重新激振的次数大于m，则报错处理；3)将f1作为新的激励频率，对传感器进行二次激振后输出信号，通过信号调理电路得到最终的频率值，该频率值的精度较高。

2.2 无线通信模块传输

准备发射数据时，设置TRX_CE为高，启动系统传输，NRF905内部处理：完成系统上电，数据包发送。此时如果AUTO RETURN被置为高电平，DR置低，NRF905将连续发送，直到TRX_CE被置为低电平。当发现数据准备接收时，如果发现和接收频率有相同的载波时，CD被置高；当接收地址有效时，AM置高；当CRC校验成功时，NRF905将DR置高；当所有的有效数据被读出后，AM和DR置低，处于待机状态。图5发射与接收流程。

图5 发射与接收流程

3 结果分析

为了检验系统是否可靠，测量精度是否满足要求，模拟实验采用型号为555的信号发生器，设置输出频率为1 kMz的正弦信号，作为系统的输入端。从表1实验数据分析，系统测得的频率误差小于0.1 %，系统检测精度较高。

表1 实验数据

振弦式传感器固定于实验的桥梁模型上，与桥梁模型同时受力，并对应变进行实时测量。采用配重模块对其进行加载，在0～40 N的不同工况下对简支梁的不同测点进行加载，并将改进后的激振方式和有线采集、高压激振方式、低压拨弦激振方式比较，加载步长为10 N。如图6所示。

图6 实验数据

图6为配重分别为10，20，30，40 N时，各测点所测的应变，分析可得，在改进后激振原理采集到的数据精度小于0.1 %，符合测试要求。同时，实验在相同的工况条件下，采用不同的激振原理所测的数据与改进后的激振方式所测的数据进行对比，从图中可得：高压拨弦激振所采集到的数据精度较差，误差在10 %左右；低压扫频激振采集的数据与改进后的激振原理精度相比，误差在2 %～3 %之间。因此，经过对传统的激振原理改进后，测量结果具有很高的准确度，证明了系统设计的可行性和实用性[8,9]。

4 结束语

桥梁结构监测系统以STM32处理器为核心，振弦式传感器为检测元件进行应变监测，并通过NRF905模块进行数据发送和接收，设计了适于桥梁实时监测系统，实验表明：通过对激振原理的改进，系统测频精度高，数据无线传输时接收稳定，且能长时间监测，实现了桥梁监测的智能化。

[1] 张仕明.结构应变监测的无线传感器网络系统关键技术研究[D].重庆：重庆大学,2013.

[2] 贾鹏辉，陈 辉，周平义。基于STM32F103VCT6的振弦式传感器数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2015(2)：67-70.

[3] 徐 勇，基于振弦式传感器的无线传感网络研究[D].广州：华南理工大学，2016.

[4] 莫 琳，何华光，谢开仲.基于振弦式传感器的桥梁实时监测系统设计[J].广西大学学报:自然科学版，2012，37(6)：1248-1253.

[5] 邓 霏,颜运强,张 谊.基于振弦传感器的应变无线测量系统设计[J].传感器与微系统，2015， 34(2):103-105.

[6] 夏天祥.振弦式传感器信号采集仪的研制[D].大连：大连理工大学,2013.

[7] 齐 虹，徐 志，陈 冲，等.基于nRF905的短距离无线数据传输系统的设计[J].福州大学学报:自然科学版，2010，38(1):64-68.

[8] 瞿卫华，魏永强.基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统设计[J].传感器与微系统，2012，31(3):106-108.

[9] 李红杰,苗顺占,傅华明.基于振弦式传感器的桥梁检测系统设计[J].传感器与微系统，2011，30(6):93-95.

Designandanalysisofwirelesssensingsystemforbridge

LI Jia-bo, YE Min, LI Si-wei, GUO Jian

(StateKeyLaboratoryofEngineeringMachinery,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

In order to meet the requirements of bridge monitoring,wireless transmission of the collected data is realized,and data wireless acquisition and transmission system is designed.The STM microprocessor and the vibrating wire sensor are used as the core components to monitor and analyze the bridge strain.Working principle of vibrating wire sensor is analyzed,and two kinds of traditional excitation principle are compared and analyzed.The advantages and disadvantages of two kinds of excitation modes are discussed,and improved method of low voltage frequency swept excitation principle is put forward,and excitation circuit is designed and optimized.Wireless sensor networks based on NRF905 are designed and wireless transmission and reception are achieved.The experimental results show that presion of measurement based on improved excitation principle is less than 0.1 %,the system is stable and the wireless transmission function meets requirements of bridge monitoring.

vibrating wire sensor； excitation circuit； wireless transmission； signal processing

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0068—03

TP 212

A

1000—9787(2017)12—0068—03

2017—10—19

李嘉波(1992-)，男，博士研究生，主要研究方向为无线传输和远程监控。