文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)05-0101-03
由于橋梁的使用年限長，加上設計、施工和使用材料的質量等諸多因素的影響，會使橋梁存在先天的薄弱因素，因此橋梁結構的安全性非常重要。對橋梁的運行狀況進行健康監測，可以有效預防突發型災難，減少損失與人員傷亡。由于橋梁大都處于交通要道，距離監控中心比較遠，目前主要采用人工測量狀態參量與測試數據的事后實驗室分析評價的方法。這種方法效率低，也不能對突發事件進行預警，隨著現代通信技術的發展，采用無人值守的遠程監測系統已成為研究熱點[1]，目前主要是研究橋梁的某一個方向的振動居多，而對于橋梁的溫濕度情況、當前風速風向等參數未有涉及，尤其是在我國東南沿海區域每年的臺風天氣，橋梁所需要經受的臺風沖擊嚴重，因此設計開發具有多參數監測的橋梁預警系統意義重大。
1 系統設計
如圖1所示為多參數橋梁預警系統的設計框圖。被監測的橋梁上掛接著多種不同類型的監測傳感器節點，主要有溫濕度檢測節點、風速風向檢測節點和XY雙軸振動監測節點。不同類型的監測節點，采用統一地址編碼的方式，將采樣到的傳感器信息通過高速CAN總線[2]發送到本地計算機上。系統采用了ATOM凌動處理器的便攜式低功耗移動平臺計算機，其體積小巧，功耗低，在關閉液晶顯示器時，最低功耗不到1 W，而總體積比一個公文包小，且采用直流電壓供電，因此本系統將該計算機平臺放置在監測本地，與橋梁的距離通常在300 m以內，在此距離內CAN總線的最高數據傳輸速率可達125 kb/s，可連接足夠數量的監測節點。本地計算機將每分鐘采集到的所有傳感器節點的參數信息壓縮打包后通過GPRS模塊發送到遠程服務器端，并在服務器端完成數據解釋、存盤等工作。由于本地監測系統是一個獨立系統，因此采用了大容量的鉛酸蓄電池作為供電能源，當天氣良好時，太陽能電池板工作，并經由太陽能調壓充電器對鉛酸蓄電池充電，保證系統長時間的工作。
2 XY雙軸振動監測節點設計
2．1傳感器選擇與前端調理電路設計
振動傳感器[3]是用于檢測沖擊力或者加速度的傳感器，通常使用的是加上應力就會產生電荷的壓電器件。目前應用于橋梁振動監測的加速度傳感器大多采用動圈式機械傳感器，通過磁鐵切割磁力線得到感生電動勢從而反映加速度的變化，其體積較大，高頻特性不好，頻帶內的增益平坦度差，因此本系統采用了ADI公司的雙軸加速度計。ADXL203[4]典型測量范圍在±1.7 g，該加速計既可測量靜態的也可測量動態的加速度,可承受3 500 g極限加速度。其下拉電流小于700 μA，靈敏度達到1 000 mV/g。該加速計在-40℃~125℃溫度范圍內，具有±0.3%的溫度靈敏性；±25 mg的零點偏移精度；在小于60 Hz的帶寬下具有解決小于1 mg的解決方案(0.06°傾斜)以及優于0.1 mg/℃的穩定性。加速計ADXL203的內部電阻RFILT的標稱值為32 kΩ，而其實際阻值可在14 kΩ~40 kΩ間選擇,通過選擇合適的XO、YO引腳的輸出電容值，可降低傳感器輸出噪聲，本文所設計的傳感器信號頻率上限為100 Hz，因此選擇0.01 μF的電容，該電容與ADXL203的內部電阻RFILT構成低通濾波器。由于ADXL203XL在加速度為0 g時，輸出電壓為2.5 V，實際的傳感器是豎直安裝，因此Y軸方向上就存在一個固有的1 g的加速度,則YO引腳輸出電壓為3.5 V。由于本系統只關心橋梁的振動情況，即加速度的變化情況,故設計了如圖2所示的交流放大偏置電路。ADXL203輸出的加速度信號，經過輸出電容濾波后，再由電容C7與C21耦合后得到交流加速度信號，該信號經過精密雙運放OPA2277UA組成的加法放大電路得到直流偏移電壓為2.5 V的共模信號。經過上述電路就消除了傳感器安裝時導致的X、Y兩軸的信號直流電壓差異，得到兩路共模電壓為2.5 V的信號，并送入后級ADC電路。圖2中的VREF為來自高穩定度精密基準源REF192GS的基準信號，其典型溫度系數為3 ppm/℃。
2.2 雙24位ADC同步采樣設計
為了保證X、Y雙軸信號的嚴格同步采樣，以及采樣周期的準確性，采用模擬開關切換的方式顯然不可行。本文采用了兩片高精度24位分辨率的模數轉換器AD7714，使用其同步功能，同時采樣X軸與Y軸的加速度信號。AD7714[5]是美國ADI公司推出的一種高分辨率24位模數轉換器件。由于AD7714采用了Σ-△轉換技術,使其擁有小于150 nVrms的低噪聲，適用于寬動態范圍、低頻信號的模擬前端測量。器件可以被配置為3個完整的差分輸入或者5個準差分輸入,采用3 V或5 V供電可以很容易地實現多達5個通道的信號調理和轉換,其最高數據輸出速率為1 kHz。
AD7714是一個完整的用于低頻測量應用場合的模擬前端。它的3線串行接口與SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通過軟件可對增益設定、信號極性和通道選擇作出配置。AD7714的主要特點如下：
(1)最高可實現24 bit無誤碼輸出,同時保證0．001 5％的非線性度；
(2)具有前端增益可編程放大器，增益值為1～128，內含可編程低通濾波器和可讀寫系統校準系數；
(3)有5通道輸入，可根據需要采用3路差分輸入或5路準差分輸入；
(4)低噪聲(<150 nV rms)；
(5)低功耗,典型電流值為226 μA(省電模式僅為4 μA)；
(6)采用單5 V供電(AD7714-5)或單3 V供電(AD7714-3)方式。
在圖3中,U2、U4的同步信號引腳相連，U2的MCKOUT引腳連接到U4的MCKIN。當兩片AD7714上電并被成功初始化后，控制器施加給兩片AD7714共同的同步信號;當兩片AD7714接收到同步信號后，將復位片內的數字濾波器、寄存器、模擬調制器等處于復位狀態;一旦同步信號結束則立即開始正常工作。由于兩片AD7714共用一個晶體振蕩器信號，因此兩片AD7714的片內工作時序是完全相同的，也就保證了數據準備就緒中斷引腳D\R\D\Y\的狀態是完全一致的,兩片AD7714嚴格同步。
2.3 CAN通信接口設計
本文采用STM32系列的Cortex-M3內核控制器，其片內自帶了滿足CAN2.0A與CAN2.0B協議的硬件通信接口，并使用CTM8251AT隔離型CAN收發模塊完成了CAN總線的高速數據通信功能。以下為CAN波特率的計算：
BodeRate=PCLK1/CAN_Prescaler/(CAN_SJW+CAN_BS1+CAN_BS2)
由于CAN是掛接在APB1總線上,因此采用時鐘PCLK1,當PCLK1=72 MHz時，波特率為=72/9/16=0.5 MHz，CAN_Prescaler的預分頻值為1~1024。
在進行CAN組網布線時，需要注意的是，在中遠距離應采用120 Ω特征阻抗雙絞線，通信距離大于600 m以上，選用線徑大于0.75 mm2的電纜，超遠距離線徑應大于1.5 mm2。而且CAN總線的通信速率是隨著通信距離的增大而降低的，通常在1 km時,最高波特率為35 kb/s，2 km時為18 kb/s，當距離大于5 km則必須增加CAN中繼器，否則無法正常通信。
3 實測數據
如圖4為橋梁振動系統實測得到的縱向垂直振動加速度信號。本系統中還采用了DHT22型號的溫濕度檢測模塊與PH100SX型風速風向傳感器，這兩類傳感器和輸出都是數字信號，接口設計簡單，限于篇幅不再贅述。本系統的實際指標如下：
在線調節傳感器采樣率范圍為1～100 Hz；
在線調節傳感器放大倍數為1，2，4，8，16，32，64，128;
加速度測量范圍為0～±1.7g，最大靈敏度為1 mg;
加速度數據非線性度小于0.5%;
嚴格同步雙軸振動數據測量;
單路CAN最大節點數為60，CAN組網可達600個節點以上。
本文所研制的多參數橋梁振動監測系統能夠實現長時間無人值守的實時雙軸振動信號采集、溫濕度采集以及風速風向測量等功能。監控中心通過GPRS網絡獲取各監控橋梁的狀態信息，并自動根據橋梁狀態信號實時報警。該系統還可以應用于大型建筑體，攔河大壩等大型結構體的遠程健康狀態監控。
參考文獻
[1] 高占鳳，杜彥良,蘇木標.橋梁振動狀態遠程監控系統研究[J].北京交通大學學報，2007,31(4):45-48.
[2] 杜輝. 基于CAN總線的礦井通風監測系統[J].計算機工程與設計,2009(15):3565-3567.
[3] 楊海艷,孟彥京,李偉冰，等.振動傳感器特性及其在風力發電機中的應用[J].傳感器世界,2009(2)：27-31.
[4] 鹿麟,林凌,李剛. ADXL203型雙軸加速計在傾斜度測量中的應用[J].國外電子元器件,2007(7):61-64.
[5] 吳永忠.高性能模擬前端AD7714及其應用[J].電子工程師,2006,32(8):56-59.