毛幸全，劉 航，喻 言*，尚偉昌，王開宇，張傳杰

(1．大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116024;2．中國人民解放軍63961部隊(duì)北京特種機(jī)電技術(shù)研究院;3．海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

斜拉索是斜拉橋最重要的構(gòu)件，直接承擔(dān)著橋梁荷載，并控制著整個(gè)橋面系的內(nèi)力分布和線型。通常斜拉索在錨固區(qū)的高度應(yīng)力集中、腐蝕、疲勞及風(fēng)雨作用下容易引起振動(dòng)，導(dǎo)致斜拉橋索力的改變，索力是斜拉橋健康狀態(tài)評(píng)估的重要指標(biāo)[1]。因此，對(duì)斜拉橋的拉索進(jìn)行索力檢測(cè)和狀態(tài)評(píng)估至關(guān)重要。

振動(dòng)法測(cè)索力是目前確定斜拉橋索力最廣泛使用的一種方法[2－3]，但是傳統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集是基于有線通信技術(shù)進(jìn)行的。這種方法成本較高，而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，在一些大跨度的橋梁環(huán)境中，進(jìn)行有線布置的困難日益突出。

基于此，本文提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的索力識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下對(duì)橋梁振動(dòng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行斜拉索的振動(dòng)基頻識(shí)別，同時(shí)，利用振動(dòng)法原理將基頻轉(zhuǎn)換為索力大小。相比較傳統(tǒng)的有線檢測(cè)，在保證測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的同時(shí)，為快速方便地檢測(cè)索力提供了有效的解決方案。

1 振動(dòng)法測(cè)索力原理

振動(dòng)法測(cè)索力廣泛應(yīng)用于拉索結(jié)構(gòu)的施工控制和健康監(jiān)測(cè)中，其原理是基于“弦振動(dòng)理論”:索拉力與自振頻率之間存在簡(jiǎn)單的關(guān)系，即

其中，T是索的拉力，m是索的線密度，l是索的計(jì)算長(zhǎng)度，fn是索的第n階固有頻率?？梢杂蓪?shí)測(cè)的自振頻率計(jì)算得到索力。但弦振動(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，所以，該理論可用做索力值的大致估算[4－5]。

任偉新等[6]采用索振動(dòng)的一階位型，用能量法推導(dǎo)出考慮拉索垂度等影響時(shí)拉索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)λ2，得到考慮索垂度和彈性影響的索力實(shí)用公式如下:

式中f為由振動(dòng)測(cè)試所得的索的基頻，T為所求索力，l為索長(zhǎng)，A為橫截面積，m為索的線密度，E為彈性模量，I為截面慣性矩。使用上述公式時(shí)，先算出量綱參數(shù)的大致范圍，然后再將基頻值代入相應(yīng)的公式計(jì)算。其中

2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的索力測(cè)試系統(tǒng)

2．1 無線傳感系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無中心節(jié)點(diǎn)的全分布式系統(tǒng)，通過隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域[7－8]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常分為星型拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)浜突旌闲屯負(fù)涞萚9]。由于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于集中控制，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小，傳輸誤差較低，所以本文選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行無線傳感系統(tǒng)的研制，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)上，由該中央節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳送信息。中央節(jié)點(diǎn)執(zhí)行集中式通信控制策略，在星型網(wǎng)中任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信都必須經(jīng)過中央節(jié)點(diǎn)控制。

2．2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)索力測(cè)試系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)索力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由一個(gè)無線控制中心和8個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)組成。整個(gè)系統(tǒng)有64個(gè)采集通道，即每一個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)有8個(gè)20 bit A/D通道。采樣數(shù)據(jù)在2．4 GHz無線信道進(jìn)行傳輸，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿恳粋€(gè)數(shù)據(jù)信道都在一個(gè)穩(wěn)定的頻帶。而無線控制中心和每一個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)具有相同的，穩(wěn)定的命令頻段以便快速進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)的傳遞。

采集節(jié)點(diǎn)利用現(xiàn)有的微機(jī)電(MEMS)技術(shù)和嵌入式處理(MCU)技術(shù)進(jìn)行器件集成，并采用模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[10－11]。該節(jié)點(diǎn)由低頻加速度傳感器、接口單元、微處理器、無線通信模塊、存儲(chǔ)器、電源管理模塊等部分組成。采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

超低頻振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇，對(duì)加速度傳感器的低頻特性、靈敏度等要求較高，所以選用具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量精度高等特點(diǎn)的力平衡加速度傳感器。微處理單元(MCU)選用TI高性能16 bit微處理器MSP430F5438，具有良好的低功耗特性，可滿足無線傳感節(jié)點(diǎn)低功耗和快速數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)要求。

控制中心由無線收發(fā)基站和具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力及高運(yùn)行速度的DSP芯片構(gòu)成，其中，DSP系統(tǒng)通過串口與基站相連。DSP系統(tǒng)設(shè)置有4個(gè)按鍵開關(guān)，分別表示設(shè)置采樣頻率，發(fā)送時(shí)鐘信息，開始采集，結(jié)束采集等命令，其中采樣頻率開關(guān)可通過連續(xù)觸動(dòng)，分別在50 Hz、100 Hz和200 Hz之間進(jìn)行選擇。同時(shí)，在DSP內(nèi)部集成有索力基頻識(shí)別及索力公式算法[12]，當(dāng)采集結(jié)束后，DSP對(duì)Flash內(nèi)存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行分析處理，通過輸入橋梁的相關(guān)參數(shù)，給出索力計(jì)算結(jié)果。

集成后的采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和控制中心系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)索力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備圖

3 索力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)及嵌入式索力算法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室橋梁模型和實(shí)際橋梁索力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3．1 橋梁模型實(shí)驗(yàn)

測(cè)試對(duì)象為大連理工大學(xué)智能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室里的斜拉索橋模型(圖5所示):拉索橫截面面積A=0.000 137 4 m2;拉索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 m=1．01 kg/m;拉索長(zhǎng)度L=11．3 m;拉索與水平地面的夾角θ=19．47°;彈性模量 E=1．95×1011Pa。

圖5 橋梁模型實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)定索力的精確性，通過拉壓力傳感器進(jìn)行索力大小的直接讀取來進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。

3．1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)框圖

本文采用內(nèi)置IC放大器的壓電加速度傳感器作為傳感單元，連接到所研制的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，進(jìn)行斜拉索垂直于拉索方向的加速度測(cè)試。所測(cè)試的數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳感節(jié)點(diǎn)初步處理后以無線通信模式發(fā)送到無線傳感基站，利用工控機(jī)嵌入到索力算法程序，從而完成索力的測(cè)試和比對(duì)。

圖6 無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3．1．2 拉壓力傳感器對(duì)比試驗(yàn)框圖

該對(duì)比試驗(yàn)采用了RSS02型拉壓力傳感器(0～20 T)。RSS02系列傳感器采用S型剪切結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)合理、溫度特性好、抗過載能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖7 拉壓力傳感器對(duì)比試驗(yàn)框圖

3．1．3 試驗(yàn)對(duì)比方案圖表

通過扳手轉(zhuǎn)動(dòng)拉索底部的螺栓旋鈕，來設(shè)定不同的索力大小，其值由拉壓力傳感器直接讀取。

對(duì)拉索的索力設(shè)定方案見表1。

表1 索力值設(shè)定方案

3．1．4 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)頻譜分析

頻譜分析采用現(xiàn)代功率譜估計(jì)中的AR模型法[13－14]，此法相對(duì)經(jīng)典功率譜譜分析，其分辨率更高，方差性能更好，可直接由Matlab中的Pburg函數(shù)實(shí)現(xiàn)[15]。圖8為第3次試驗(yàn)測(cè)得的功率譜密度。由圖8可以看出各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的功率譜密度峰值非常明顯，而且相鄰峰值之間的頻率間隔基本相等。同時(shí)，該頻譜圖表明用現(xiàn)代功率譜估計(jì)法處理所得到的頻譜圖分辨率更高，收斂性更好。

圖8 第三次測(cè)試豎向加速度時(shí)程圖與功率譜密度圖

(2)索力值計(jì)算

根據(jù)設(shè)定索力，由公式推算出反應(yīng)垂度等影響的常數(shù)λ2，確定選用式(3)進(jìn)行索力計(jì)算。

斜拉鎖的設(shè)定索力和利用該無線傳感系統(tǒng)所測(cè)得的索力對(duì)比，如圖9所示。

3．2 實(shí)橋測(cè)試實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)象為大連華錄橋(圖10)，該橋共有4根斜拉索，分別命名為1#，2#，3#，4#。我們分別在1#和2#索上布設(shè)加速度傳感器，并間隔性地對(duì)拉索進(jìn)行6次激勵(lì)。同時(shí)為了驗(yàn)證在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下無線傳感系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了有線對(duì)比試驗(yàn)。有線采集系統(tǒng)利用NI多通道采集設(shè)備，同時(shí)利用LabVIEW語言和DAQ采集模塊驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

圖9 斜拉橋設(shè)定索力與實(shí)測(cè)索力對(duì)比圖

圖10 斜拉索位置圖

同上述關(guān)于橋梁模型的實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)處理方法，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析圖譜如圖11～圖14所示。

圖11 1#索的無線測(cè)量時(shí)程圖與頻譜圖

圖12 1#索的有線測(cè)量時(shí)程圖與頻譜圖

圖13 2#索的無線測(cè)量時(shí)程圖與頻譜圖

圖14 2#索的有線測(cè)量時(shí)程圖與頻譜圖

從圖11、圖12的時(shí)程圖可以看出，每次索力的峰值分別是對(duì)拉索外加激勵(lì)的結(jié)果，本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共進(jìn)行了6次加載，1#和2#的拉索均真實(shí)且同步反應(yīng)出了本次加載情況。通過與有線采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖對(duì)比可知，在現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境下，無線傳感系統(tǒng)能夠可靠準(zhǔn)確地測(cè)得拉索的振動(dòng)狀況。

無線測(cè)得的1#斜拉索與2#斜拉索的各階振動(dòng)頻率(Hz)如表2所示。

表2 拉索的各階振動(dòng)頻率

由橋梁參數(shù)及嵌入式索力算法，實(shí)測(cè)得1#索力73 kN，2#索力95 kN。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果及橋梁結(jié)構(gòu)安全分析，可知斜拉索的索力值偏小，不滿足斜拉橋的斜拉索受力要求，處于不合理狀態(tài)。上述結(jié)論提交給橋梁管理方，為其進(jìn)行索修復(fù)提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

本文論述了利用振動(dòng)法測(cè)斜拉橋索力的原理，介紹了無線傳感系統(tǒng)的整體架構(gòu)及模塊化設(shè)計(jì)，并通過在系統(tǒng)中嵌入索力算法，完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的斜拉橋模型以及現(xiàn)場(chǎng)拉索橋的索力測(cè)試。

橋梁模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量非常好，與拉壓力傳感器直接測(cè)得的設(shè)定索力值基本一致，所以利用該無線傳感系統(tǒng)進(jìn)行斜拉索橋的索力測(cè)試是準(zhǔn)確可靠的。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)橋梁的對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，表明該檢測(cè)系統(tǒng)可以用于實(shí)際橋梁的索力測(cè)量，滿足工程精度要求。總之，本系統(tǒng)在斜拉橋的索力檢測(cè)應(yīng)用中具有方便快捷、準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)，具有極高的推廣價(jià)值。

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