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(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和線形[1],。在環(huán)境激勵(lì)如大地脈動(dòng),、風(fēng)雨等作用下引起的拉索振動(dòng)，導(dǎo)致拉索索力分布發(fā)生改變,，因此對(duì)拉索橋的拉索進(jìn)行索力監(jiān)測至關(guān)重要,。基于振動(dòng)和沖擊方法的索力測量方法是目前使用振動(dòng)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(dòng)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(huì)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(gè)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(yùn)營期，都有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測索力變化,?；诖耍疚奶岢龌贛EMS和WiFi的索力監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以利用振動(dòng)法實(shí)現(xiàn)在線橋梁拉索的振動(dòng)基頻識(shí)別并計(jì)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(shí)現(xiàn)在線、快速的拉索索力監(jiān)測,。

1 基于振動(dòng)與沖擊的頻率法測索力原理

　　基于振動(dòng)與沖擊的頻率法是根據(jù)拉索自由振動(dòng)時(shí)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(dòng)頻率，反演計(jì)算拉索的內(nèi)部張力,。拉索自由振動(dòng)的微分方程為：

　　其中：t為振動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻,，x表示沿索向的坐標(biāo),，y=y(x，t)為拉索在t時(shí)刻垂直于索軸向的撓度,，EI為索的抗彎曲剛度,。對(duì)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(dòng)頻率fn的關(guān)系為：

　　其中：F為索內(nèi)力,，不隨時(shí)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(dòng)頻率的階數(shù),。但由于弦振動(dòng)理論沒有考慮拉索的垂度等影響,，在很多實(shí)際應(yīng)用中將帶來很大的誤差（另外，由于垂度的影響會(huì)使得拉索在自由空間的3個(gè)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(dòng)的一階型,，用能量法推導(dǎo)出考慮拉索垂度等影響時(shí)基頻與索力之間的關(guān)系,，同時(shí)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(jì)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(shí)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(diǎn)；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(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)與處理,。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,。圖2是傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2.2 加速度傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　2.2.1 加速度傳感器電路設(shè)計(jì)

　　加速度傳感節(jié)點(diǎn)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(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

　　2.2.2 AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

　　拉索振動(dòng)信號(hào)檢測屬于弱信號(hào)檢測范疇,，對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

　　實(shí)驗(yàn)分為兩部分,，一是檢驗(yàn)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(jì)要求,同時(shí)也是驗(yàn)證電路軟硬件設(shè)計(jì)的合理性,，為最終設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù),；二是將MEMS節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在實(shí)際拉索上進(jìn)行實(shí)際測量。

　　3.1 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

　　測試依據(jù)加速度計(jì)檢定規(guī)程JJG233-19%標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,，采用了比較法中頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置(YS12-1/ZF),。該試驗(yàn)測試系統(tǒng)由振動(dòng)臺(tái)WH-2651、功放2719,、標(biāo)準(zhǔn)傳感器BK-8305,、信號(hào)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(duì)比實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)將MEMS加速度傳感器的三個(gè)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(duì)比,，對(duì)比結(jié)果如表1,。

　　3.1.2 軸間串?dāng)_實(shí)驗(yàn)

　　假設(shè)振動(dòng)臺(tái)是理想的，測量只存在Z軸振動(dòng)時(shí),，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(jì)算軸間串?dāng)_：

　　3.2 實(shí)橋測試

　　測試對(duì)象分別為武漢某斜拉索橋,、某橋吊桿,，把加速度傳感節(jié)點(diǎn)布置在索、吊桿進(jìn)行測試,，同時(shí)為了驗(yàn)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(duì)比試驗(yàn)。圖6上方為MEMS加速度傳感節(jié)點(diǎn),，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(diǎn)的功率譜測量結(jié)果。

4 結(jié)論

　　本文論述了基于振動(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)臺(tái)測試以及現(xiàn)場拉索橋的索力測試。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場橋梁的對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和成本低廉等優(yōu)點(diǎn),，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(jià)值,。

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