文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.018
中文引用格式： 蔡鄂,，李東明,，胡亞斌，等. 基于MEMS的遠(yuǎn)程橋梁索力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2015,，41(10)：68-70.
英文引用格式： Cai E,，Li Dongming,，Hu Yabin，et al. Design of remote bridge cable force monitoring system based on MEMS[J].Application of Electronic Technique,，2015,，41(10)：68-70.
0 引言
拉索是現(xiàn)代橋梁中承擔(dān)橋梁荷載最重要的構(gòu)件,，控制著整個橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和線形[1]。在環(huán)境激勵如大地脈動,、風(fēng)雨等作用下引起的拉索振動,，導(dǎo)致拉索索力分布發(fā)生改變，因此對拉索橋的拉索進(jìn)行索力監(jiān)測至關(guān)重要,?；谡駝雍蜎_擊方法的索力測量方法是目前使用振動傳感器測量拉索索力中廣泛使用的一種方法[2-3]，但是這種基于有線通信方法的測量方案的成本較高,，而且在一些大跨度的橋梁環(huán)境中,，進(jìn)行有線通信布置的困難日益突出。在工程結(jié)構(gòu)使用過程中,，柔性拉索結(jié)構(gòu)往往由于腐蝕和振動等原因受到損害,，導(dǎo)致拉索的索力松弛。拉索是張拉結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件,，在使用過程中遭受的損害將會給大跨度結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性后果,。受損的拉索索力發(fā)生變化從而影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，因此整個橋梁結(jié)構(gòu)的索力分布可以用作衡量結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康與否的重要指標(biāo),。在工程施工期和運營期,，都有必要實時監(jiān)測索力變化?；诖?，本文提出基于MEMS和WiFi的索力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以利用振動法實現(xiàn)在線橋梁拉索的振動基頻識別并計算索力大小,，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測無法快速組網(wǎng)監(jiān)測,、快速接入互聯(lián)網(wǎng)的缺陷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，實現(xiàn)在線,、快速的拉索索力監(jiān)測。
1 基于振動與沖擊的頻率法測索力原理
基于振動與沖擊的頻率法是根據(jù)拉索自由振動時張力與頻率之間關(guān)系進(jìn)行間接測量,，通過測定拉索的固有振動頻率,，反演計算拉索的內(nèi)部張力。拉索自由振動的微分方程為：
其中：t為振動發(fā)生的時刻,，x表示沿索向的坐標(biāo),，y=y(x，t)為拉索在t時刻垂直于索軸向的撓度,，EI為索的抗彎曲剛度,。對式(1)采用分離變量法求解，并假設(shè)系統(tǒng)的邊界條件為兩端鉸支,，到拉索的軸向拉力F與振動頻率fn的關(guān)系為：
其中：F為索內(nèi)力,，不隨時間改變，m為分布均勻的拉索單位長度的質(zhì)量,，l為索的自由長度,，EI為抗彎剛度，n為振動頻率的階數(shù),。但由于弦振動理論沒有考慮拉索的垂度等影響,，在很多實際應(yīng)用中將帶來很大的誤差（另外，由于垂度的影響會使得拉索在自由空間的3個平面上具有不同的頻率特性,，該特性將在后續(xù)的論文中進(jìn)行研討）,，所以該理論只能用做索力值的大致估算[4-5]。毛幸全等[6]采用索振動的一階型,，用能量法推導(dǎo)出考慮拉索垂度等影響時基頻與索力之間的關(guān)系,，同時利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合來建立通過拉索的基頻計算索力的公式。引入代表垂度等影響的無量綱常數(shù)λ,，得到考慮索垂度和彈性影響的索力實用公式如下：
2 基于MEMS的無線索力測量系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
無線索力測試系統(tǒng)可以分為三層：第一層為物理層,，主要包括布置在橋梁斜拉索上面的基于WiFi的加速度傳感器節(jié)點；第二層為數(shù)據(jù)傳輸層,，主要由無線網(wǎng)關(guān)組成,，將無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器[7-10]；第三層遠(yuǎn)程服務(wù)器端,，主要由LabVIEW軟件組成，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,、存儲與處理,。整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖2是傳感節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,。
2.2 加速度傳感節(jié)點硬件設(shè)計
2.2.1 加速度傳感器電路設(shè)計
加速度傳感節(jié)點采用AD公司的MEMS加速度器件ADXL335作為加速度傳感核心,，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示,，Z軸加速度的信號調(diào)理電路如圖4所示。
2.2.2 AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計
拉索振動信號檢測屬于弱信號檢測范疇,，對加速度傳感器的低頻特性,、靈敏度以及數(shù)據(jù)采集的速率、分辨率都有較高的要求。A/D轉(zhuǎn)換器采用1通道,、24 位轉(zhuǎn)換器ADS1255,，微控器選用數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)勁的32位處理器PIC32MX795，連接關(guān)系如圖5所示,。
3 實驗結(jié)果與對比分析
實驗分為兩部分,，一是檢驗無線加速度數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能和性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計要求,同時也是驗證電路軟硬件設(shè)計的合理性，為最終設(shè)計提供可靠的參考依據(jù),；二是將MEMS節(jié)點應(yīng)用在實際拉索上進(jìn)行實際測量,。
3.1 振動臺實驗對比
測試依據(jù)加速度計檢定規(guī)程JJG233-19%標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用了比較法中頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置(YS12-1/ZF),。該試驗測試系統(tǒng)由振動臺WH-2651,、功放2719、標(biāo)準(zhǔn)傳感器BK-8305,、信號放大器,、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)等組成,。
3.1.1 傳感器頻率響應(yīng)對比實驗
實驗將MEMS加速度傳感器的三個軸分量和目前常用的兩款加速度傳感器,，即941型電磁式傳感器和朗斯LC01系列壓電式加速度傳感器進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1,。
3.1.2 軸間串?dāng)_實驗
假設(shè)振動臺是理想的,，測量只存在Z軸振動時，將量程設(shè)置為6 g,，Y軸的加速度響應(yīng)測量結(jié)果如表2,。
根據(jù)以下公式計算軸間串?dāng)_：
3.2 實橋測試
測試對象分別為武漢某斜拉索橋、某橋吊桿,，把加速度傳感節(jié)點布置在索,、吊桿進(jìn)行測試，同時為了驗證在現(xiàn)場環(huán)境下無線傳感系統(tǒng)的可靠性,，進(jìn)行了傳統(tǒng)加速度對比試驗,。圖6上方為MEMS加速度傳感節(jié)點，下方為內(nèi)置ICP壓電式加速度傳感器LC01系列加速度傳感器,。圖7為MEMS加速度傳感器節(jié)點的功率譜測量結(jié)果,。
4 結(jié)論
本文論述了基于振動和沖擊的頻率法測量橋梁拉索索力的原理，介紹了基于MEMS和WIFI接入互聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)的整體架構(gòu),，實現(xiàn)了對實驗室的振動臺測試以及現(xiàn)場拉索橋的索力測試,。通過對實驗室振動臺標(biāo)定實驗與現(xiàn)場橋梁的對比實驗可知，基于MEMS加速度傳感器的索力測量系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良,、低功耗,、容易接入互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)在線監(jiān)測和成本低廉等優(yōu)點,，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓電式加速度傳感器測量方案，具有很高的推廣價值,。
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