多参数桥梁振动监测系统设计

由于桥梁的使用年限长，加上设计、施工和使用材料的质量等诸多因素的影响，会使桥梁存在先天的薄弱因素，因此桥梁结构的安全性非常重要。对桥梁的运行状况进行健康监测，可以有效预防突发型灾难，减少损失与人员伤亡。由于桥梁大都处于交通要道，距离监控中心比较远，目前主要采用人工测量状态参量与测试数据的事后实验室分析评价的方法。这种方法效率低，也不能对突发事件进行预警，随着现代通信技术的发展，采用无人值守的远程监测系统已成为研究热点[1]，目前主要是研究桥梁的某一个方向的振动居多，而对于桥梁的温湿度情况、当前风速风向等参数未有涉及，尤其是在我国东南沿海区域每年的台风天气，桥梁所需要经受的台风冲击严重，因此设计开发具有多参数监测的桥梁预警系统意义重大。
1 系统设计
　 如图1所示为多参数桥梁预警系统的设计框图。被监测的桥梁上挂接着多种不同类型的监测传感器节点，主要有温湿度检测节点、风速风向检测节点和XY双轴振动监测节点。不同类型的监测节点，采用统一地址编码的方式，将采样到的传感器信息通过高速CAN总线[2]发送到本地计算机上。系统采用了ATOM凌动处理器的便携式低功耗移动平台计算机，其体积小巧，功耗低，在关闭液晶显示器时，最低功耗不到1 W，而总体积比一个公文包小，且采用直流电压供电，因此本系统将该计算机平台放置在监测本地，与桥梁的距离通常在300 m以内，在此距离内CAN总线的最高数据传输速率可达125 kb/s，可连接足够数量的监测节点。本地计算机将每分钟采集到的所有传感器节点的参数信息压缩打包后通过GPRS模块发送到远程服务器端，并在服务器端完成数据解释、存盘等工作。由于本地监测系统是一个独立系统，因此采用了大容量的铅酸蓄电池作为供电能源，当天气良好时，太阳能电池板工作，并经由太阳能调压充电器对铅酸蓄电池充电，保证系统长时间的工作。

2 XY双轴振动监测节点设计
2．1传感器选择与前端调理电路设计
　振动传感器[3]是用于检测冲击力或者加速度的传感器，通常使用的是加上应力就会产生电荷的压电器件。目前应用于桥梁振动监测的加速度传感器大多采用动圈式机械传感器，通过磁铁切割磁力线得到感生电动势从而反映加速度的变化，其体积较大，高频特性不好，频带内的增益平坦度差，因此本系统采用了ADI公司的双轴加速度计。ADXL203[4]典型测量范围在±1.7 g，该加速计既可测量静态的也可测量动态的加速度,可承受3 500 g极限加速度。其下拉电流小于700 μA，灵敏度达到1 000 mV/g。该加速计在-40℃~125℃温度范围内，具有±0.3%的温度灵敏性；±25 mg的零点偏移精度；在小于60 Hz的带宽下具有解决小于1 mg的解决方案(0.06°倾斜)以及优于0.1 mg/℃的稳定性。加速计ADXL203的内部电阻RFILT的标称值为32 kΩ，而其实际阻值可在14 kΩ~40 kΩ间选择,通过选择合适的XO、YO引脚的输出电容值，可降低传感器输出噪声，本文所设计的传感器信号频率上限为100  Hz，因此选择0.01 μF的电容，该电容与ADXL203的内部电阻RFILT构成低通滤波器。由于ADXL203XL在加速度为0 g时，输出电压为2.5 V，实际的传感器是竖直安装，因此Y轴方向上就存在一个固有的1 g的加速度,则YO引脚输出电压为3.5 V。由于本系统只关心桥梁的振动情况，即加速度的变化情况,故设计了如图2所示的交流放大偏置电路。ADXL203输出的加速度信号，经过输出电容滤波后，再由电容C7与C21耦合后得到交流加速度信号，该信号经过精密双运放OPA2277UA组成的加法放大电路得到直流偏移电压为2.5 V的共模信号。经过上述电路就消除了传感器安装时导致的X、Y两轴的信号直流电压差异，得到两路共模电压为2.5 V的信号，并送入后级ADC电路。图2中的VREF为来自高稳定度精密基准源REF192GS的基准信号，其典型温度系数为3 ppm/℃。

2.2 双24位ADC同步采样设计
　为了保证X、Y双轴信号的严格同步采样，以及采样周期的准确性，采用模拟开关切换的方式显然不可行。本文采用了两片高精度24位分辨率的模数转换器AD7714，使用其同步功能，同时采样X轴与Y轴的加速度信号。AD7714[5]是美国ADI公司推出的一种高分辨率24位模数转换器件。由于AD7714采用了Σ-△转换技术,使其拥有小于150 nVrms的低噪声，适用于宽动态范围、低频信号的模拟前端测量。器件可以被配置为3个完整的差分输入或者5个准差分输入,采用3 V或5 V供电可以很容易地实现多达5个通道的信号调理和转换,其最高数据输出速率为1 kHz。
　 AD7714是一个完整的用于低频测量应用场合的模拟前端。它的3线串行接口与SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通过软件可对增益设定、信号极性和通道选择作出配置。AD7714的主要特点如下：
　 (1)最高可实现24 bit无误码输出,同时保证0．001 5％的非线性度；
    (2)具有前端增益可编程放大器，增益值为1～128，内含可编程低通滤波器和可读写系统校准系数；
　 (3)有5通道输入，可根据需要采用3路差分输入或5路准差分输入；
　 (4)低噪声(<150 nV rms)；
　 (5)低功耗,典型电流值为226 μA(省电模式仅为4  μA)；
　 (6)采用单5  V供电(AD7714-5)或单3  V供电(AD7714-3)方式。
    在图3中,U2、U4的同步信号引脚相连，U2的MCKOUT引脚连接到U4的MCKIN。当两片AD7714上电并被成功初始化后，控制器施加给两片AD7714共同的同步信号;当两片AD7714接收到同步信号后，将复位片内的数字滤波器、寄存器、模拟调制器等处于复位状态;一旦同步信号结束则立即开始正常工作。由于两片AD7714共用一个晶体振荡器信号，因此两片AD7714的片内工作时序是完全相同的，也就保证了数据准备就绪中断引脚DRDY的状态是完全一致的,两片AD7714严格同步。

2.3 CAN通信接口设计
    本文采用STM32系列的Cortex-M3内核控制器，其片内自带了满足CAN2.0A与CAN2.0B协议的硬件通信接口，并使用CTM8251AT隔离型CAN收发模块完成了CAN总线的高速数据通信功能。以下为CAN波特率的计算：
    BodeRate=PCLK1/CAN_Prescaler/(CAN_SJW+CAN_BS1+CAN_BS2)
    由于CAN是挂接在APB1总线上,因此采用时钟PCLK1,当PCLK1=72 MHz时，波特率为=72/9/16=0.5 MHz，CAN_Prescaler的预分频值为1~1024。
    在进行CAN组网布线时，需要注意的是，在中远距离应采用120 Ω特征阻抗双绞线，通信距离大于600 m以上，选用线径大于0.75 mm2的电缆，超远距离线径应大于1.5 mm2。而且CAN总线的通信速率是随着通信距离的增大而降低的，通常在1 km时,最高波特率为35 kb/s，2 km时为18 kb/s，当距离大于5 km则必须增加CAN中继器，否则无法正常通信。
3 实测数据
    如图4为桥梁振动系统实测得到的纵向垂直振动加速度信号。本系统中还采用了DHT22型号的温湿度检测模块与PH100SX型风速风向传感器，这两类传感器和输出都是数字信号，接口设计简单，限于篇幅不再赘述。本系统的实际指标如下：
    在线调节传感器采样率范围为1～100 Hz；
    在线调节传感器放大倍数为1，2，4，8，16，32，64，128;
    加速度测量范围为0～±1.7g，最大灵敏度为1 mg;
    加速度数据非线性度小于0.5%;
    严格同步双轴振动数据测量;
    单路CAN最大节点数为60，CAN组网可达600个节点以上。

    本文所研制的多参数桥梁振动监测系统能够实现长时间无人值守的实时双轴振动信号采集、温湿度采集以及风速风向测量等功能。监控中心通过GPRS网络获取各监控桥梁的状态信息，并自动根据桥梁状态信号实时报警。该系统还可以应用于大型建筑体，拦河大坝等大型结构体的远程健康状态监控。
参考文献
[1] 高占凤，杜彦良,苏木标.桥梁振动状态远程监控系统研究[J].北京交通大学学报，2007,31(4):45-48.
[2] 杜辉. 基于CAN总线的矿井通风监测系统[J].计算机工程与设计,2009(15):3565-3567.
[3] 杨海艳,孟彦京,李伟冰，等.振动传感器特性及其在风力发电机中的应用[J].传感器世界,2009(2)：27-31.
[4] 鹿麟,林凌,李刚. ADXL203型双轴加速计在倾斜度测量中的应用[J].国外电子元器件,2007(7):61-64.
[5] 吴永忠.高性能模拟前端AD7714及其应用[J].电子工程师,2006,32(8):56-59.