混凝土形变检测装置

0 引 言

在建筑土木工程领域，电阻应变片得到了广泛使用，适用于桥梁、隧道、大坝、建筑等混凝土桩的应变监测，如混凝土的拉伸和压缩等。现有测量设备前端大多采用惠斯登电桥得到电阻应变片的阻值变化，从而分析电阻的变化与电阻应变片形变之间的关系。测量中将应变片粘贴在被测试件上， 在不考虑环境温度变化的情况下，当被测试件受力发生拉伸或压缩变形时，缠绕在应变片内的电阻丝也会随之产生变形， 导致应变片的电阻发生变化，根据电阻的变化以及应变片的参数就可反算得到被测试件的应变 [1]。在实际测量中由于金属丝电阻系数会改变，通常用桥路补偿的方法消除温度变化引起的热输出，用惠斯登电桥消除温度补偿的效果。

当前常用方法和设备有埋入式、表面式等不同种类，该设备测量前端设备体积大，易损坏 [2]。虽然当前对电阻应变片的数据采集和数据处理已有了成熟的方案和设备，但设备体积较大，不方便携带，无法满足小体积、密封混凝土形变测量的要求。

鉴于此，本文项目提出了一种新型混凝土应变测量装置。该装置采集电阻应变片形变时对应电压的变化，增加 SD 卡存储模块实现对数据的实时存储。对数据分析后得到与被测物体形变量的对应关系，达到和已有设备相当的效果。该设备体积小，可以在密闭，并且无法使用无线方式传输数据的环境下使用，可实时存储数据信息，之后对数据进行统一分析处理。

1 系统组成

本文混凝土形变检测装置主要涉及电阻应变片的粘贴、电阻应变片电压采集、电压数据存储、数据分析等方面。将电阻应变片粘贴到岩石样的表面，应变片的两根引线连接到 STC12 单片机的电压采集引脚，同时 SD 卡模块连接到STC12 单片机，用于存储电压数据。

1.1 硬件设计

该检测装置体积小，硬件连接简单，实用性强。将电阻应变片牢固地粘贴在岩石试样上，保证二者同步变形、同步工作。将电阻应变片引线连接到单片机的电压采集引脚，同时将 SD 卡存储模块连接到单片机。装置连接简单，可采用电池供电和电源接口供电，SD 卡存储模块无需单独供电。在特殊环境下可去掉 SD 卡存储模块，用串口线连接到电脑端，接收单片机采集到的电压数据。检测装置结构如图 1 所示。

                                                                                                                                                     图 1 检测装置结构图

1.2 装置实现流程

本文实验采用箔式电阻应变片，将应变片纵向粘贴，测量试件的纵向应变力。为防止测量过程中应变片引线与试件接触对测量值产生影响，将引线与导线焊接，并将焊接处固定在试件上。将焊接后的引线连接到单片机的电压采集引脚， 同时将 SD 卡存储模块连接到单片机。实验过程中施加圆柱试件单向力，使圆柱试件在垂直于其底面的方向压缩。压缩时单片机工作，A/D 转换后单片机采集到试件变化过程中电阻应变片对应的电阻变化，同时将采集到的数据实时存储到SD 卡中。

单片机通过应变片引脚采集模拟电压信号，并实现 A/D 转换，将模拟电压值转换为 16 进制数据。单片机将数字信号存储到 SD 卡模块。信息流图如图 2 所示。

                                                                                                                                                                               图 2 检测装置信息流程图

2 功能模块

2.1 A/D转换模块

STC12 系列单片机带 A/D 转换的引脚在 P1 口， 拥有8 路 10 位高速 A/D 转换器。8 路电压输入型 A/D 可进行温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。该单片机采用逐次比较型 ADC，从高位开始，顺序对每一输入电压与内置 D/A 转换器进行比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入的模拟量值。将粘贴焊接完成的电阻应变片其中一个引线连接到单片机电压采集引脚，压缩混凝土的同时开启单片机采集应变片电压。

2.2 SD卡存储模块

SD 卡支持 SD 方式和 SPI 方式。本文实验采用 SPI 方式， 使用 CS，CLK，DataIn，DataOut 进行数据通信。使用 SPI 模式的好处在于单片机内部自带 SPI 控制器，开发相对简单， 降低了开发成本。初始化后，对 SD 卡进行读写，SD 卡每个扇区中有 512 B，每次扇区写操作向 SD 卡的某个扇区中写入 512 B，读操作时将某个扇区内的 512 B 全部读出。先写入命令，得到回应后开始读取数据。因为没有采用文件系统，写入 SD 卡的数据无法在电脑端直接查看，可采用串口连接方式将单片机连接到电脑端，通过单片机读出数据进行查看并分析。SD 卡模块与单片机连接，方便存储前端采集数据，可在封闭环境下采集被测物体的形变数据。

2.3 应变片

根据测试仪器对应变计电阻值和测量应变仪相匹配的要求，以及测试条件等，选择合适的电阻应变片。实验采用基层尺寸为 86 mm×6 mm，丝栏尺寸为 80 mm×2.5 mm 的箔式应变片。电阻应变片的敏感栅是应变片中拔营变量转换成电阻变化量的敏感部分，该部分是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。引线是从敏感扇引出电信号的丝状或带状导线。本文实验通过连接引线到单片机电压采集引脚，实现对其的电压采集。

3 实验分析

3.1 实验环境

实验仪器采用长沙亚星公司设计生产的多物理场耦合作用下岩石力学试验机，主要应用该试验机在计算机控制下进行压力、变形、位移、温度计流量的自动采集与试件的加卸载。该仪器最大轴向力为 1 000 kN ；精度为示值的 ±1% ；轴向控制方式分为力控制、位移控制。试样岩石为页岩，将粘贴完应变片的岩石放入仪器的工作腔，开启设备和单片机采集数据。实验仪器设备如图 3 所示。

3.2 实验数据处理

3.2.1 数据采集

实验过程中，连接完成后的测量装置放入岩石力学试验机的工作腔内且试样未压缩时，单片机采集到未知噪音信号。岩石未压缩时采集到的信号认定为噪音，岩石压缩过程中采集到的信号为原始信号。采集数据波形如图 4 所示。

3.2.2 数据处理

图 4 所显示的原始信号有一定的规律，噪音信号杂乱无章。单片机将采集到的数据经 A/D 转换后，电压数据范围为0 ～ 49。转换后经数据处理得到范围为 0 ～ 1 的新数据 ；同时将噪音转换为 0 ～ 1 之间的数据。采用 LMS 自适应滤波算法对数据进行去噪，效果如图 5 所示。

从去噪后信号与原始信号图的对比可以看出，去噪得到的信号变得更加平缓，更有助于数据识别。

4 结 语

本文针对现有电阻应变片混凝土测量设备的不足，设计实现了该形变检测装置。通过单片机对电阻应变片端电压数据进行采集、存储，由电脑端分析数据，基本实现了对混凝土形变的监测与分析。对数据采用 LMS 自适应滤波算法进行去噪，仿真结果表明，去噪后信号变得更加平缓，更有助于数据识别。