基于MEMS的遠程橋梁索力監測系統設計*

蔡　鄂，李東明，胡亞斌，王永濤

（中國地質大學 信息實驗中心，湖北 武漢 430074)

基于MEMS的遠程橋梁索力監測系統設計*

蔡鄂，李東明，胡亞斌，王永濤

（中國地質大學 信息實驗中心，湖北 武漢 430074)

橋梁拉索的索力值是衡量橋梁安全性能的重要指標。研制了基于MEMS的無線索力檢測系統，介紹了基于振動頻譜法測量索力的原理，給出了基于MEMS索力儀的整體設計方案，最后進行了精密振動臺測試與工程現場拉索的測試實驗。實驗表明，研制的無線傳感系統能夠準確地進行索力值檢測，并可以擴展為在線監測系統。為橋梁安全監測提供了一種高效的索力測試系統及方法。

加速度傳感器；振動法；索力；頻譜分析；TCP/IP

0　引言

拉索是現代橋梁中承擔橋梁荷載最重要的構件，控制著整個橋梁結構的應力分布和線形[1]。在環境激勵如大地脈動、風雨等作用下引起的拉索振動，導致拉索索力分布發生改變，因此對拉索橋的拉索進行索力監測至關重要?；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境中，進行有線通信布置的困難日益突出。在工程結構使用過程中，柔性拉索結構往往由于腐蝕和振動等原因受到損害，導致拉索的索力松弛。拉索是張拉結構的重要構件，在使用過程中遭受的損害將會給大跨度結構帶來災難性后果。受損的拉索索力發生變化從而影響結構應力分布，因此整個橋梁結構的索力分布可以用作衡量結構狀態健康與否的重要指標。在工程施工期和運營期，都有必要實時監測索力變化?；诖?，本文提出基于MEMS和WiFi的索力監測系統。該系統可以利用振動法實現在線橋梁拉索的振動基頻識別并計算索力大小，解決了傳統有線監測無法快速組網監測、快速接入互聯網的缺陷，提高了系統的穩定性，實現在線、快速的拉索索力監測。

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拉索自由振動時張力與頻率之間關系進行間接測量，通過測定拉索的固有振動頻率，反演計算拉索的內部張力。拉索自由振動的微分方程為：

其中：t為振動發生的時刻，x表示沿索向的坐標，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，并假設系統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的關系為：

其中：F為索內力，不隨時間改變，m為分布均勻的拉索單位長度的質量，l為索的自由長度，EI為抗彎剛度，n為振動頻率的階數。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，該特性將在后續的論文中進行研討），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，用能量法推導出考慮拉索垂度等影響時基頻與索力之間的關系，同時利用最小二乘法進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

2.1系統總體結構

無線索力測試系統可以分為三層：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的加速度傳感器節點；第二層為數據傳輸層，主要由無線網關組成，將無線傳感器發送的數據進行匯總并傳輸到現場服務器[7－10]；第三層遠程服務器端，主要由 LabVIEW軟件組成，對接收到的數據進行采集、存儲與處理。整個網絡系統結構如圖1所示。圖2是傳感節點系統結構圖。

圖1　基于MEMS加速度傳感器網絡系統結構框圖

圖2　3軸MEMS加速度傳感節點電路系統結構

2.2加速度傳感節點硬件設計

2.2.1加速度傳感器電路設計

加速度傳感節點采用AD公司的MEMS加速度器件ADXL335作為加速度傳感核心，其內部結構如圖3所示，Z軸加速度的信號調理電路如圖4所示。

圖3　3軸MEMS加速度傳感芯片內部結構

圖4　Z軸MEMS加速度調理電路結構

2.2.2AD轉換器的電路設計

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、靈敏度以及數據采集的速率、分辨率都有較高的要求。A/D轉換器采用1通道、24位轉換器ADS1255，微控器選用數據處理能力強勁的 32位處理器PIC32MX795，連接關系如圖5所示。

圖5　ADS1255與CPU的連接

3　實驗結果與對比分析

實驗分為兩部分，一是檢驗無線加速度數據采集設備的功能和性能指標是否達到設計要求,同時也是驗證電路軟硬件設計的合理性，為最終設計提供可靠的參考依據；二是將MEMS節點應用在實際拉索上進行實際測量。

3.1振動臺實驗對比

測試依據加速度計檢定規程JJG233－19%標準進行，采用了比較法中頻振動標準裝置(YS12－1/ZF)。該試驗測試系統由振動臺WH－2651、功放2719、標準傳感器BK－8305、信號放大器、數據采集卡、PC機等組成。

3.1.1傳感器頻率響應對比實驗

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行對比，對比結果如表1。

3.1.2軸間串擾實驗

假設振動臺是理想的，測量只存在Z軸振動時，將量程設置為6 g，Y軸的加速度響應測量結果如表2。

根據以下公式計算軸間串擾：

表1　頻率響應測試

表2　軸間串擾測試

3.2實橋測試實驗

測試對象分別為武漢某斜拉索橋、某橋吊桿，把加速度傳感節點布置在索、吊桿進行測試，同時為了驗證在現場環境下無線傳感系統的可靠性，進行了傳統加速度對比試驗。圖6上方為MEMS加速度傳感節點，下方為內置ICP壓電式加速度傳感器LC01系列加速度傳感器。圖7為MEMS加速度傳感器節點的功率譜測量結果。

圖6　加速度節點和常規傳感器對比

4　結論

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接入互聯網的傳感系統的整體架構，實現了對實驗室的振動臺測試以及現場拉索橋的索力測試。通過對實驗室振動臺標定實驗與現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具有數據質量優良、低功耗、容易接入互聯網實現在線監測和成本低廉等優點，可以代替傳統壓電式加速度傳感器測量方案，具有很高的推廣價值。

圖7　圖6實驗的加速度頻譜測量結果對比

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[3]劉志軍，陳國平，黨志杰.檢測斜拉索張力的振動法及其應用[J].南京航天航空大學學報，2006，38(5)：609-612.

[4]石春香，李胡生，林立.考慮剛度及邊界條件的短索索力求解與試驗研究[J].地震工程與工程振動，2010，30(2)：86-91.

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Design of remote bridge cable force monitoring system based on MEMS

Cai E，Li Dongming，Hu Yabin，Wang Yongtao
(Information and Technology Centre of China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)

Cable force of bridge cable is an important index to measure the safety of bridge.A wireless cable force measure system based MEMS acceleration sensor was proposed.First we introduced the principle of cable force measurement by the method of vibration spectrum,and then we designed the cable force measure system.Finally the precision vibration test bench and real engineering cable test was developed.Experiments show that our wireless sensor system based on MEMS can accurately carry out cable force detection,and can be extended to online monitoring system.It provides an effective method for bridge safety monitoring.

MEMS；vibration method；cable force；spectrum analysis；TCP/IP

TH825

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.018

湖北省自然科學基金（2010CDA007，2011CDB343）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金（CUGL120278）

2015-06-21)

蔡鄂(1959-)，男，工程師，主要研究方向：數字通信原理。

李東明(1982-)，男，博士，講師，主要研究方向：腦機接口、計算機圖像處理。

王永濤(1979-)，男，講師，主要研究方向：智能機器人。

中文引用格式：蔡鄂，李東明，胡亞斌，等.基于MEMS的遠程橋梁索力監測系統設計[J].電子技術應用，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.