摘 要: 桥梁健康监测中需要对多个传感器进行同步测量，目前的振弦传感器测量系统所采用的多个传感器分时异步测量方式，无法满足实际应用需求 提出一种多通道同步激励，同步测量的设计方案，给出了系统总体结构 硬件方面详细介绍了信号调理激励驱动电路以及温度测量模块的设计思路 软件部分给出了系统软件工作流程，并详细阐述了扫频激励策略和振弦信号多通道同步测量方法的实现 实际应用证明，设计方案合理，系统运行可靠，测量精度高

关键词: 振弦传感器; 同步激励; 扫频; 带通滤波; 输入捕获; 同步测量

结构健康监测( ) 是指用无损测量传感技术，采集结构的物理参数，分析结构相应的内在系统特征，从而监测结构损伤或性能退化 是目前基础设施行业中，尤其是大型基建项目中非常重要的部分 桥梁健康监测是目前 行业最为活跃的领域，通过 可全面获取桥梁运营状况信息，评估结构的安全性耐久性; 还可对设计假定和设计载荷进行验证，为完善设计规范提供依据; 并为桥梁养护维修和管理的决策提供依据［ ］振弦传感器基于钢弦自振频率随张力变化而变化的原理工作，适用于应力测量场合，其输出为频率信号，抗干扰能力强对电缆要求低，远距离传输，能够很好地满足桥梁健康监测系统工作环境恶劣，安装难度大对可靠性要求高的应用需求，是目前桥梁健康监测中应用非常广泛的应力测量传感器［ ］为了测量桥梁等大型建筑结构的整体动态响应，更加科学客观的反映桥梁结构健康状况，要求多个传感器进行同步数据采集，对于振弦式传感器则需要多通道同步激励，并行测量 而目前的振弦传感器测量设备同一时刻只能采集一个通道，在进行多通道测量时往往都采用的分时采集的方法，所测数据并不能如实地反映桥梁的内在特征，无法满足实际应用需求 本文提出了一种多通道同步激励，同步测量的设计方案，实际应用证明，该方案设计合理，满足多通道同步动态测量的实际应用需求，计时精度 ，测量精度高振弦传感器工作原理振弦传感器由一根两端固定均质的钢弦组成，常用弹性弹簧钢马氏不锈钢或钨钢制成［］假设钢弦长度为，在感知外界作用力 的时候，钢弦会产生 的拉伸变形，在弹性范围内，同时考虑温度的影响， ( ) ，其中 ，为线膨胀系数， 均为已知的恒常数［］钢弦的机械 振 动 固 有 频 率 可以按如下公式获得:( ( ) ) ( ) ，其中 是 钢 弦的弹性模量，是钢弦的密度，是钢弦材料的泊松系数，这些均为常数 将上述两个公式整理，消除便得到 是和 的确定函数，因而振弦传感器测量系统主要通过测量传感器的振荡频率 和温度来实现应力 的测量［ ］系统结构概述系统总体结构示意图如图 所示，包括嵌入式处理器信号调理与整形电路扫频驱动通信模块实时时钟以及数据存储等模块 处 理 器 采 用 了，片 内 集 成 ，，个具有输入捕获和输出比较通道的多功能定时器， 以及多种通讯接口信号调理电路实现了对振弦信号的滤波 放大以及 整 形，将振弦信号变换为脉冲信号，并 采 用处理器的输入捕获和 功能实现了多通道振弦信号的高精度同步测量 传感器激励采用扫频激励方式，利用定时器的比较匹配功能实现扫频信号输出 测量系统与远程主机通信设计了 通信和 无线通信两种方式，可以根据实际应用需求选择无线或有线通讯方式 实时时钟采用接口的 ，内部集成带温度补偿功能的晶体振荡器， 至 范围内，精度达到数 据 存 储 采 用 接 口 的 芯 片，用于存储各个通道的测量结果，防止测量结果上报过程中通讯错误或是主机故障而导致测量数据丢失 在 通讯口和传感器接口处设计了由 自恢复保险丝和防雷管构成的雷击浪涌保护电路，增加系统的可靠性系统硬件设计本系统硬件部分包括: 扫频激励电路信号调理模块多通道温度测量电路 实时时钟 通讯电路以及 最小系统等部分激励模块硬件电路传感器激励驱动电路如图 所示，为处理器的扫频信号输出， 与振弦传感器相连，采用 方波激励方式， 用于振弦信号的拾取 由气体放电管 和双向 构成了传感器接口的雷击浪涌防护电路，防雷管功率容量大，动作速度慢，实现第 级防护， 功率容量较小，但动作速度快，作为第 级防护，两级防护电路可以有效保护后级电路免受浪涌电压及静电的威胁信号调理电路设计信号调理电路包括两个功能: 滤波放大和信号整形滤波放大功能由 运放 构成的 阶带通滤波电路实现，通 频 带 为，用于滤除振弦信号的之外的高频干扰噪声和直流偏置; 振弦信号振幅约为 ，该电路带内增益为 ，从而保证输出信号有足够的振幅，两级滤波电路，第级的带内增益为 ，第级的带内增益为 ，采用 电路实现，电路结构及参数如图 所示由过零比较电路和施密特触发器构成的波形整形电路将正弦信号变换为脉冲信号，此信号连接到嵌入式处理器的脉冲捕获输入模块，完成信号频率的测量温度测量电路设计本系统采用的振弦传感器内部集成了基康半导体温度传感器，测温范围为，电阻值变化范围为 ，温度与其阻值存在如下关系:( )，其中， ，电路示意图如图 所示，基准电阻选取了精度高温度稳定性好的金属箔电阻 一方面用于出厂测试中的恒流源电路标定，另作为测温过程中的参考电阻 温度变化较为缓慢，因而本系统温度测量采用轮替测量方式，依靠多路选择开关来切换由于被测阻值范围很宽，为了提高测量精度，测温电路采用了两档恒流源，同时为了尽可能减小测试电流引起的传感器发热，电流值选择了和 两档，并尽量缩短传感器通电时间 采用 片内的 进行电压采集，采样率配置为 ，收到测试命令后，首先采用的恒流源，如果被测电阻两端电压低于 则切换 的恒流源，然后最终参照基准电阻两端的电压确定被测电阻值，并依次完成 个通道的电阻测量，最后计算各个振弦传感器的温度系统软件设计系统软件工作流程如图 所示，当收到远程主机的命令后首先测量各个传感器的温度，随后进行多通道同步扫频激励，读取 ，记录测量时间，然后完成 通道传感器振荡频率的同步测量，最后向主机上报各通道的温度和振荡频率的测量结果 为了防止通讯出错或是上位机故障，测量结果还需要保存在本机的 中，如果主机未收到测量结果，可以要求重发测量结果扫频激励策略设计与优化在本系统中传感器激励采用了低压扫频激励方式，对传感器施加频率逐渐变大的扫频脉冲串信号，当激振信号的频率和钢弦的固有频率相近时，钢弦能快速达到共振状态，共振状态下振幅最大，能产生较大的感应电动势，传感器输出的频率信号信噪比较高，便于测量 对于多通道振弦传感器同步测量系统中，要求多通道同步激励，且由于各个传感器的频率范围不同，这就要求扫频范围是从所有传感器可能出现的最低频率 到所有传感器可能出现的最大频率 ，通常情况下是 到 ，而且每个频率都要持续一段时间，造成了扫频时间过长，影响到系统动态测量的速度，同时某些传感器如果扫频时间太 长，则激励效果较差，波 形 畸 变 严重，测 量 误 差 较 大 ，甚至会导致测量结果完全错误［ ］针对多通道传感器同步激励扫频时间长，测量误差大的弊端，本文提出了多通道同步独立扫频的方案: 硬件上各个通道拥有独立的扫频驱动电路，软件上采用 处理器中定时器 和 的个比较匹配输出通道，在各个通道的比较匹配中断中修改其比较匹配寄存器的值，从而实现各个通道的扫频激励同时进行，但是扫频范围相互独立扫频策略方面则以上次测量结果 为基准来确定下一次的扫频范围 实现方法: 首先执行全频段扫频测 量，各通道传感器的初次测量结果记做，然后以 作为该通道下一次扫频的中心频率，上下浮动 ，再次激励并得到各通道的最终测量结果 测量结果的有效性通过两个方面来判断:首先，是否超出传感器的频率范围; 其次，一次测量过程中记录信号的每 一 个 周 期( ) ，计算这一系列周期所对应频率值的方差 ， 为根据传感器样本的采样而确定的传感器良好共振状态下方差的上限，应该满足 上述两个条件必须同时满足，否则认为激励失败，需要重新进行全频段扫频［］经过如上优化，一方面大大改善了激励效果，提高了测量精度，而且将扫频时间从原来的 缩短到 ，有效提高了动态测量的速度振弦信号测量方法设计与实现振弦传感器信号为逐渐衰减的正弦信号，经过调理变换后变为方波信号［］，本设计中，信号频率测量未采用在外部中断中对脉冲计数的方式，而是联合使用 定时器的输入捕获功能和 实现了对脉冲次数的自动记录和测量时间的精确采集 测量示意图如图 所示，计数时间为 左右，开始频率测量后开启输入捕获中断，在第 次输入捕获中断 中，开 启 定 时，初 始 化 功能， 次数计数器初值设置为 ，最后关闭输入捕获中断 此后每次发生输入捕获，不产生中断，但会触发 数 据 传 输，且 次 数 计 数 器减一，利用 的数据自动传输功能记录值，利用 次数计数器实现对脉冲的计数 当定时时间结束后，再次开启输入捕获中断，在随后的中断服务程序中读取 传输计数器的值记做 ，并记录第 次的 的 值记作 ，最后一次 的 值记作 ，则被测信号的频率为( )，其中 为 计数器的时钟周期，本 系 统时 钟 为 系 统 时 钟 ，其 周 期 为记录的各个上升沿的 值则用于计算一次测量过程中各信号周期的统计特征，用于最终测量结果的有效性判定测试结果与总结系统测试中，个振弦传感器分别固定在 个梁式结构上，接入 个测量通道中 测试分 次进行，第 次不施加应力，第 次采用电子拉力机对梁式结 构 施 加 的 径 向 载 荷，采 用 本 系 统和美 国 基 康 振弦读数做对比测试首先本系统可以同时完成多通道的测量，从而同步测量多个结构的应力状态; 其次本系统实现了在内完成多通道同步测量，测 量 速 度 快 而则是多通道轮替测量方式，不能同步测量，且每通道的测量时间需要 ，速度较慢 最后的测量结果如表 所示，测量结果与 的测量结果基本相同，本系统测量结果精确到小数点后两位有效数字，理论计时精度为 ，采用安捷伦 信号发生器进行标定，实际计时精度达，远优于 的 的指标表 测量结果对比载荷 读数仪传感器型号( 应力)( 应力)本文提出一种多通道振弦传感器同步测量设计及实现方法，完成了多通道传感器的同步扫频激励，通过扫频激励策略优化，缩短了激励时间，改善了激励效 果; 巧妙利用定时器输入捕获自动触发自动数据传输的功能，实现了脉冲自动计数和高精度时间测量 实际测试证明，本系统测量速度快，精度高，并且可以完成多个通道的同步激励，同 步 测量，非常适合桥梁健康监测中的多点动态同步测量场合，具有较高的应用价值

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