岳鵬程，周曉旭，郭曉澎

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

應(yīng)變是表征橋梁工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要指標，結(jié)構(gòu)應(yīng)變過大，會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋與損傷，進一步發(fā)展會產(chǎn)生斷裂甚至結(jié)構(gòu)破壞。因此，橋梁運營中的應(yīng)變監(jiān)測對保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營具有重要意義[1-2]。

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測多采用有線聯(lián)結(jié)方式，施工周期長、測試效率低，對人力、物力、財力的消耗極大，此外還存在操作過程繁瑣以及容易接錯線等諸多缺陷[3]。有線的橋梁結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)已經(jīng)越來越不能滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全運營的需求，開發(fā)一個可靠性好、準確性高、兼容性好、適于遠距離對橋梁進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)十分必要。

對比分析幾種常用的無線通信方案，見表1。

表1 幾種常用的無線通信技術(shù)對比分析

可以看出WIFI無線通信技術(shù)具有傳輸效率高、覆蓋范圍廣、可容納節(jié)點數(shù)量多、組網(wǎng)方便、成本低等綜合優(yōu)勢，能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)無線通信的要求[4-6]。

1 橋梁無線應(yīng)變采集系統(tǒng)概況

橋梁無線應(yīng)變采集系統(tǒng)是一套專門針對橋梁應(yīng)變監(jiān)測與分析的系統(tǒng)，圖1為無線應(yīng)變采集系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 無線應(yīng)變采集系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)主要由應(yīng)變采集電路、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和上位機應(yīng)變采集軟件組成。應(yīng)變采集電路實現(xiàn)被測橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變從物理信號到模擬電壓信號再到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，主要由惠斯通電橋電路、信號調(diào)理電路以及最小單片機系統(tǒng)組成；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸給上位機，組網(wǎng)方案如圖2，在現(xiàn)場應(yīng)變采集設(shè)備中集成了WIFI模塊，經(jīng)由路由器轉(zhuǎn)發(fā)完成與上位機的無線數(shù)據(jù)通信；上位機監(jiān)測軟件實現(xiàn)控制指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收以及對接收數(shù)據(jù)的處理、顯示、分析和報表等功能。

圖2 無線通信配置及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)變采集電路關(guān)鍵電路設(shè)計

應(yīng)變采集電路主要由應(yīng)變橋式電路、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換模塊、單片機系統(tǒng)、WIFI無線通信模塊和供電模塊組成[7]，其組成框圖如圖3。

圖3 無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成框圖

2.1 應(yīng)變橋式電路設(shè)計

由于電橋線性好、靈敏度高、測量范圍寬、易于實現(xiàn)溫度補償[8]，系統(tǒng)采用惠斯通電橋電路作為信號轉(zhuǎn)換電路，把監(jiān)測點的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

但是，如圖4所示，實際橋梁應(yīng)變測量中應(yīng)變片在橋上的貼片位置與設(shè)備的放置位置至少有10 m的距離，即電橋電路中連接應(yīng)變片的橋臂除應(yīng)變片阻值外還會接入10 m導(dǎo)線的線阻，約為0.4 Ω，會引起0.33%的測量誤差。系統(tǒng)設(shè)計的惠斯通電橋電路如圖5，應(yīng)用負反饋的方法，將橋路輸出正端CH_+IN與運算放大器LM301的CH_+S相連構(gòu)成電壓跟隨器，有效消除了橋路導(dǎo)線電阻引起的壓降，提高系統(tǒng)測量的準確性。

圖4 設(shè)備在橋面上布置的示意圖

此外，橋梁應(yīng)變檢測中惠斯通電橋輸出電壓僅為mV級，因此需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前先將電橋電路的輸出電壓進行放大，達到V級，以提高系統(tǒng)測量精度[9]。系統(tǒng)設(shè)計時將電橋的輸出電壓輸入到運算放大器INA118，放大100倍后輸出到單片機的A/D采集通道。

圖5 惠斯通電橋電路

2.2 單片機系統(tǒng)電路設(shè)計

應(yīng)變采集裝置的單片機系統(tǒng)是以ADI公司的高性能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)ADuC845芯片為核心的，該芯片集成了AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、閃存和可編程微控制器，其24位的高分辨率和Δ-∑轉(zhuǎn)換技術(shù)保證了數(shù)據(jù)采集的精度[10]。

2.3 WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

現(xiàn)場無線應(yīng)變采集裝置中集成了WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信功能。圖6為無線數(shù)據(jù)傳輸電路，由于單片機與WIFI模塊的電平不一致，需要通過TXB0104D實現(xiàn)5 V到3.3 V電平轉(zhuǎn)化才能保證正常通訊。

3 系統(tǒng)測試試驗

基于山西省交通科學(xué)研究院橋梁所的等截面純彎曲梁試驗系統(tǒng)，對比分析以有線方式傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)變儀和以無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)的多組試驗數(shù)據(jù)，驗證無線應(yīng)變采集系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可靠性。

3.1 標定無線應(yīng)變采集系統(tǒng)

在對比試驗之前首先采用電標定的方法對系統(tǒng)進行靜態(tài)標定。使用分辨率為1με、量程范圍0～100000με的LANCE MEASUREMENTTECHNOLOGIES CO.LTD公司的LC1501標準應(yīng)變模擬儀產(chǎn)生標準電信號，用這種電信號模擬標準應(yīng)變信號，在保證實驗室溫度恒定的前提下，調(diào)節(jié)標準應(yīng)變儀的輸入應(yīng)變值，涵蓋了不同數(shù)量級，不同精度變化的應(yīng)變輸入，記錄系統(tǒng)輸出的測量數(shù)據(jù)。無線測試系統(tǒng)標定結(jié)果如圖7。

圖6 無線數(shù)據(jù)傳輸電路

圖7 無線測試系統(tǒng)標定結(jié)果

從圖7中可以看出，系統(tǒng)輸出曲線線性好，與標準輸出曲線y=x幾乎重合，經(jīng)計算系統(tǒng)輸出曲線擬合函數(shù)的斜率為0.99221，與標準輸出曲線斜率1的誤差僅為0.779%，可見標定后的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)的輸出結(jié)果與輸入的標準應(yīng)變數(shù)值相一致，測量準確。

3.2 對比試驗測試分析

對比試驗基于山西省交通科學(xué)研究院橋梁所的等截面純彎曲梁試驗系統(tǒng)，試驗裝置示意圖如圖8a，梁的靜態(tài)加載通過架梁和液壓千斤頂實現(xiàn)。標準等截面純彎梁的尺寸及應(yīng)變片貼片位置如圖8b，3號、4號應(yīng)變片貼于梁的跨中位置，且3號應(yīng)變片靠近梁的上頂面，1號、2號應(yīng)變片粘貼位置距離梁的跨中靠左側(cè)位置處，且1號應(yīng)變片靠近梁的上頂面。選用東京測器的TDS-530高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀作為有線試驗對比對象，其最高分辨率可達到0.1με，較自行開發(fā)的無線應(yīng)變采集系統(tǒng)精度高一個數(shù)量級。

試驗時，采用單點跨中集中加載，載荷分6級單次逐級遞加，分別為 15 kN、30 kN、45 kN、60 kN、75 kN、90 kN，分別記錄每片應(yīng)變片TDS-530有線測試設(shè)備和無線應(yīng)變采集系統(tǒng)在各級荷載作用下的應(yīng)變輸出，兩臺設(shè)備輸出比較結(jié)果和誤差分析見表2。

圖8 等截面純彎曲梁試驗系統(tǒng)（單位：mm）

表2 試驗荷載作用下實測應(yīng)變和誤差

由表2數(shù)據(jù)分析后得知，無線應(yīng)變采集系統(tǒng)的測量值和有線儀器的測量值非常接近，兩者相對誤差最大為9.38%，最小為0.67%，滿足橋梁靜態(tài)載荷誤差小于10%[11]的要求。根據(jù)材料力學(xué)理論推導(dǎo)

由公式（1）可以看出當?shù)冉孛婕儚澢撼叽?、材料、載荷加載位置和貼片位置一定時，應(yīng)變ε是關(guān)于載荷F的一元一次函數(shù)。4片應(yīng)變片的試驗曲線如圖9可以看出測試結(jié)果線性好，且梁的同一橫截面處斜率近似相等，各曲線擬合函數(shù)斜率見表3，即1號應(yīng)變片和2號應(yīng)變片試驗曲線平行、3號應(yīng)變片和4號應(yīng)變片試驗曲線平行，與理論推導(dǎo)結(jié)果相一致，認為系統(tǒng)在實際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，測試準確。

圖94片應(yīng)變片的試驗對比曲線

表34片應(yīng)變片擬合曲線斜率

4 結(jié)語

橋梁無線應(yīng)變采集系統(tǒng)實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變的遠程采集和無線通信，且經(jīng)過試驗測試對比分析，可知系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準確可靠。系統(tǒng)具有測試效率高、采集控制靈活方便、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點，是解決現(xiàn)有大型橋梁工程檢測中布線及數(shù)據(jù)處理困難的有效途徑，且連續(xù)采集功能能夠為橋梁健康評估提供可靠的數(shù)據(jù)支持，具有一定的現(xiàn)實意義。該系統(tǒng)亦可應(yīng)用于其他工程領(lǐng)域的應(yīng)變測量，應(yīng)用前景廣闊。