李東明 柴小鵬 胡亞斌 王永濤

摘? 要： 橋梁的索力分布反映了結(jié)構(gòu)的整體安全性能。為了測量拉索實(shí)時振動頻率及實(shí)時索力，研制基于時域信號的實(shí)時頻率測量系統(tǒng)，并利用基于6LoWPAN的分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了索力實(shí)時監(jiān)測。首先論述傳統(tǒng)基于振動法測索力的基本原理及其缺陷，并分別給出了實(shí)時索力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，以及基于6LoWPAN的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計，最后進(jìn)行了傳感器測試與拉索實(shí)測。實(shí)驗結(jié)果表明，實(shí)時索力監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)分布式索力監(jiān)測。該文方案為橋梁遠(yuǎn)程、實(shí)時索力監(jiān)測提供了一種有效的硬件系統(tǒng)及方法。

關(guān)鍵詞： 橋梁索力監(jiān)測; 振頻測量; 數(shù)據(jù)傳輸; 硬件設(shè)計; 軟件設(shè)計; 傳感器測試

Abstract： Cable force distribution of bridge is an important index of the bridge safety. In order to measure the real?time vibration frequency and the real?time cable force of the cable， a real?time frequency measurement system based on the time?domain signal is developed. The real?time cable force detection is realized by using the distributed network based on 6LoWPAN. The basic principle and defects of the traditional vibration spectrum method for cable force measurement are discussed. The hardware design， software design and 6LoWPAN?based data transmission system design are given respectively. The sensor testing and actual inhaul cable testing were carried out. The experimental results show that the real?time cable force detection system can quickly realize the distributed real?time cable force monitoring. This scheme provides an effective method for long?distance and real?time cable force monitoring of bridges.

Keywords： bridge cable force monitoring; vibration frequency measurement; data transmission; hardware design; software design; sensor testing

0? 引? 言

拉索是現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中的一個重要構(gòu)件，承載著整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，該分布衡量著結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全與否。車輛正常行駛及風(fēng)雨等環(huán)境激勵引起的振動，以及在后期運(yùn)營過程中拉索遭受的腐蝕及意外撞擊都可能導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生改變，從而導(dǎo)致災(zāi)難性后果。因此，無論在工程的早期施工還是后期運(yùn)營，實(shí)時拉索索力的監(jiān)測都是一個非常重要的工作。

目前在拉索索力測量過程中，廣泛使用的一類索力測量方法是利用速度、加速度傳感器拾取微弱振動，然后利用振動數(shù)據(jù)的頻率分布信息進(jìn)而計算出索力[1?5]。但是該類方法主要針對靜載測試環(huán)境，不考慮時變信號?；陬l率法的索力測量方法一般只能得到全域頻率分布，無法得到當(dāng)前實(shí)時振動頻率。利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理的方法可以由采集到的振動時程曲線得到時頻分布，但是同樣屬于事后分析，不能給出隨著振動過程的變化，索力發(fā)生的實(shí)時變化。文獻(xiàn)[6]利用光纖光柵振動傳感器拾取振動，然后從全域頻率分布中搜索基頻，進(jìn)而得到索力。其本質(zhì)上仍然不能得到實(shí)時索力。文獻(xiàn)[7]為了得到時變索力，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法跟蹤實(shí)時索力，但是該方法需要觀測大量的全局信息，計算復(fù)雜，且在有限觀測條件下，識別精度較差。文獻(xiàn)[8]將特制光纖光柵傳感器預(yù)埋到纜索內(nèi)，利用Bragg光柵反射波長的移動來感應(yīng)外界纜索索力的實(shí)時變化，但是該方法需要預(yù)埋工藝、制作及施工成本以及后期維護(hù)成本極高，傳感器一旦有故障，則無法維修。在橋梁的實(shí)際運(yùn)營過程中，基本不存在靜載的測試環(huán)境，車輛、行人以及時刻變化的氣候環(huán)境，都導(dǎo)致索力發(fā)生變化。因此，快速、可靠地對拉索索力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測顯得尤為重要。

另一方面，傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)中一般基于有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而在現(xiàn)代橋梁尤其在一些超大跨度橋梁的巡檢和中長期在線監(jiān)測中，數(shù)據(jù)通信帶來的成本與可靠性問題日益突出。傳統(tǒng)利用WiFi，ZigBee等無線數(shù)據(jù)通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組網(wǎng)傳輸，但是WiFi的通信距離有限，而ZigBee需要單獨(dú)設(shè)計網(wǎng)關(guān)[9?12]，不利于在超大跨度結(jié)構(gòu)中組網(wǎng)通信。本文提出基于時域信號的實(shí)時振動頻率測量和實(shí)時索力的測量方法及其硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并利用基于6LoWPAN的分布式監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時傳輸，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時索力監(jiān)測。

1? 頻率法測量索力的基本原理及其缺陷

頻率法測量索力的基本原理[1?3]是利用拉索自由振動時其內(nèi)部應(yīng)力與頻率之間的關(guān)系進(jìn)行間接測量。對于一根自由振動的拉索，其自由振動方程如下：

式中：[t]，[x]分別表示振動時間坐標(biāo)、沿索軸向的位置坐標(biāo);[y=y（x，t）]表示在[t]時刻振動點(diǎn)垂直于索軸向的位移。系統(tǒng)的邊界條件假設(shè)為兩端鉸支，對方程（1）求解。拉索內(nèi)部軸向應(yīng)力F與振動頻率[fn]的關(guān)系為：

式中：F為內(nèi)部非時變應(yīng)力;m為單位長度拉索質(zhì)量（假設(shè)質(zhì)量均勻）;l為拉索的自由長度;EI為抗彎剛度;n為振動譜分布的階數(shù)。式（2）在假設(shè)條件下與很多應(yīng)用有不符合情況，進(jìn)而存在誤差。另外，由于拉索垂度的影響，也導(dǎo)致拉索在自由空間的3個維度上的振動譜分布具有不同的表現(xiàn)。所以，該理論只能用作索力值的大致估算。文獻(xiàn)[2]考慮了垂度的影響，引入垂度無量綱常數(shù)λ，利用最小二乘擬合索力實(shí)用計算公式。其中，[λ2=8mlF2·EI·lFLe，Le=l+l88mlF2]。當(dāng)[λ2≤0.17]或者[λ2≥4π2]時，索力公式退回式（2）;當(dāng)[0.17<λ2<4π2]，索力修正公式為：

從計算過程看，利用頻率法間接得到橋梁拉索索力的步驟如下：

1） 對拉索結(jié)構(gòu)靜態(tài)加載;

2） 對目標(biāo)索進(jìn)行一段時間長度為T的振動檢測，并假設(shè)T時間內(nèi)拉索的拉力不發(fā)生變化，獲得該時間內(nèi)的振動數(shù)據(jù)，采樣率為[FS];

3） 計算該段數(shù)據(jù)的自功率譜;

4） 根據(jù)譜線分布，求得待檢測索的振動基頻;

5） 根據(jù)振動基頻進(jìn)行索力求解。

然而在實(shí)際運(yùn)營過程中，拉索理想的靜態(tài)載荷并不存在，拉索的振動均為時變激勵，比如快速通過的載重卡車引起的索力也在快速變化。而傳統(tǒng)的功率譜的計算方法是一種全域的譜計算方法，可以得到全域的譜分布信息，但是無法得到準(zhǔn)確的時頻信息。

2? 基于時域信號的振動頻率實(shí)時測量

為了觀測拉索實(shí)時索力，必須得到拉索振動的實(shí)時頻率。在此選擇從時域信號中尋找振動頻率信息。

2.1? 實(shí)時頻率測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1? 全域頻率分布檢測電路設(shè)計

為了得到待檢測拉索的振動譜分布，首先需要進(jìn)行拉索振動信號的時程曲線采集并進(jìn)行譜分析。通常拉索在安靜的時候振動極弱，而在有車輛及其他荷載存在的時候，振動信號又變得比較強(qiáng)。因此，拉索的低頻振動特性對加速度傳感器的低頻特性、靈敏度和量程，以及對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率和動態(tài)范圍都有較高的要求。本文采用1通道差分輸入24位轉(zhuǎn)換器ADS1255作為A/D轉(zhuǎn)換器，其最高采樣率為30 KSPS，ADS1255和CPU之間采用標(biāo)準(zhǔn)4線SPI通信接口。加速度傳感器采用ST公司的MEMS加速度傳感芯片LIS344。本文取樣長度2 048點(diǎn)，采樣率為25 SPS，選擇Blackman窗進(jìn)行全域譜分析。全域譜分析負(fù)責(zé)對待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動譜分布做總體評估，一般只執(zhí)行一次。

2.1.2? 實(shí)時頻率測量系統(tǒng)設(shè)計

該部分系統(tǒng)對振動結(jié)構(gòu)的某階頻率進(jìn)行實(shí)時跟蹤監(jiān)測，從而獲得實(shí)時振動頻率。拉索振動信號屬于低頻、超低頻弱信號，同時其振動譜具有一定的梳狀結(jié)構(gòu)特性，如果能夠設(shè)計一種窄帶低頻帶通濾波器，讓待觀測目標(biāo)頻率通過，同時快速有效地濾除待觀測頻率之外的其他階頻率，那么在時域就可以快速得到待觀測頻率信號的頻率變化。

如果利用數(shù)字帶通濾波器對拉索振動譜進(jìn)行選擇，濾波器通常需要很高的階數(shù)才能抑制其他階的譜峰。同時也帶來巨大的時延，使得監(jiān)測系統(tǒng)無法迅速觀測到由于外界荷載的變化導(dǎo)致的拉索振動頻率的改變。因此，針對拉索低頻振動信號，本文放棄數(shù)字濾波器，選擇模擬帶通濾波器。

MAX260是美信公司的雙二階通用開關(guān)有源濾波器，其由外部微控制器精確控制模擬濾波器的濾波參數(shù)。通過程序設(shè)置就可以靈活構(gòu)成各種參數(shù)的模擬帶通濾波器。時鐘頻率[fclk]與6位設(shè)置碼一起決定濾波器的[f0]和[Q]值，且兩者獨(dú)立編程互不影響。內(nèi)部濾波器均具有獨(dú)立時鐘。本文通過32 bit微控制器PIC32MX795控制MAX260實(shí)現(xiàn)超窄帶通濾波。

本文選擇模式1，MAX260的外部控制MCU選擇32 bit控制器PIC32MX795。頻率控制方式如下：[fclkf0=π（64+NF）2]，[Q=64（128-NQ）]。其中，[fclk]為外部32 bit控制器PIC32MX795的輸出比較引腳輸出的50%占空比的PWM時鐘。該時鐘利用控制器內(nèi)部的32位Timer與內(nèi)部比較器比較，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，同時利用[NF]的可編程值，一起達(dá)到精確設(shè)置帶通濾波器中心頻率[f0]的目的。一般情況下，拉索振動頻率（單位：Hz）范圍[f0∈[0.1，25]]，本文系統(tǒng)產(chǎn)生的[fclk∈[137，5 688]]。另外，為了提高待觀測頻率的通過性，同時最大程度地衰減其他階頻率，本文設(shè)計將Q值設(shè)置到最高64。模擬濾波器設(shè)置過程如下：

Step1：確定模擬帶通濾波器的中心頻率[f0]。利用本文第2.2.1節(jié)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對拉索振動信號采集一段數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)頻域法得到較長時間內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)的頻率分布，確定需要觀察的振動頻譜第[n]階中心頻率[f0]，從而確定譜線分布間隔[W≈f0n]。

Step2：確定模擬帶通濾波器的帶寬[B]。該帶寬[B]的確定需要滿足以下兩點(diǎn)：

1） 帶寬范圍需要包含基準(zhǔn)頻率隨著外荷載作用引起的頻率變化范圍，[B≤W]，通常該條件都可以滿足。

2） 當(dāng)前時刻，該帶通濾波器能且僅輸出待觀察中心頻率[f0]附近帶寬足夠小的窄帶模擬帶通信號，保證從模擬帶通濾波器輸出的時程曲線不含其他階振動頻率。考慮到實(shí)際拉索力的變化范圍，該帶通濾波器的帶寬為基準(zhǔn)頻率的±20%，因此模擬帶通濾波器的帶寬[B=0.4W]，因此[Q=f00.4W]。參數(shù)[Q]可根據(jù)不同拉索的最優(yōu)帶寬值[B]單獨(dú)優(yōu)化，[B]越小，能夠觀察的頻率變化范圍就越小，測量精度就越高。

Step3：利用地址口[A3..0]和數(shù)據(jù)口[D1..0]設(shè)置模擬程控濾波器MAX260。

Step4：經(jīng)過窄帶模擬帶通濾波器輸出的振動時程曲線送入高速模擬電壓過零比較器，經(jīng)過整形之后得到方波信號，該方波信號的每相鄰兩個邊沿之間的時間間隔Δt對應(yīng)0.5個周期，即每0.5個周期內(nèi)該頻率值更新一次，頻率測試的實(shí)時性與半周期有關(guān)。

Step5：開啟CPU的輸入捕捉模塊，并捕捉方波邊沿中斷的內(nèi)部時鐘計數(shù)。做如下設(shè)置：設(shè)置為上升下降沿捕捉（即捕捉半周期方波）;設(shè)置捕捉時鐘Timer時間分辨率為0.1 μs;設(shè)置中斷為完成一次上升沿和一次下降沿。

針對Step3中得到的方波信號，一次完整的捕捉得到上升沿時刻的Timer中斷計數(shù)N1和下降沿時刻Timer中斷計數(shù)N2。最終每半周期時間更新一次測量頻率（單位：Hz）：[f=5×106（N2-N1）]。

2.2? 基于6LoWPAN的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

2.2.1? 基于6LoWPAN的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6LoWPAN技術(shù)以精簡IPv6 協(xié)議棧為核心，低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠使用 IPv6 技術(shù)快速連接到Internet。傳感器節(jié)點(diǎn)的主芯片選用TI 公司CC2538SF53，其內(nèi)部集成了符合開放頻段2.4 GHz 標(biāo)準(zhǔn)RF 收發(fā)器。在低功耗外部中斷模式下，芯片待機(jī)功耗僅為1.3 μW。系統(tǒng)外擴(kuò)CC2592以增加收發(fā)距離，輕微樹木障礙環(huán)境下實(shí)測點(diǎn)對點(diǎn)收發(fā)可以達(dá)400～600 m，CC2538利用PC4，PC5與PC6三個端口，實(shí)現(xiàn)對CC2592的收發(fā)控制。

拉索索力監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過基于6LoWPAN組建的MESH網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端數(shù)據(jù)中心。實(shí)時索力監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為3層：第1層為加速度傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌MQTT協(xié)議;第2層為6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)中的Router節(jié)點(diǎn);第3層為云端服務(wù)器，本文利用阿里云提供的IoT服務(wù)作為云端的數(shù)據(jù)管理中心。

傳感器節(jié)點(diǎn)和阿里云對接的過程如下：

1） 注冊阿里云的IoT賬號，申請并獲取傳感器的三元組：ProductKey，DeviceSecret及DeviceName;

2） 將三元組固化在傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)，使得傳感器節(jié)點(diǎn)可以利用MQTT協(xié)議和阿里云IoT對接。

2.2.2? 實(shí)時頻率測量流程與數(shù)據(jù)傳輸策略

基于6LoWPAN的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1所示，分兩種情況：實(shí)時頻率數(shù)據(jù)傳輸與完整頻譜傳輸。

1） 實(shí)時頻率數(shù)據(jù)傳輸

頻率測量的實(shí)時程度和待測信號本身有關(guān)。待觀測索某階振動譜中心頻率為[f0]，則實(shí)時頻率移動范圍為[f∈[f0-0.2B，f0+0.2B]]。因此，頻率測量數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)上傳至云端的時間間隔為：[T∈12f0+0.2B，12f0-0.2B]。對于振動頻譜分布處于0.5～10 Hz的長索，數(shù)據(jù)上傳的時間間隔最短為0.042 s。最大程度上實(shí)現(xiàn)了頻率的實(shí)時觀測。

2） 完整頻譜傳輸

有時候需要對拉索振動頻率分布進(jìn)行校正，需要上傳一段完整頻譜，但是較大的數(shù)據(jù)量使得網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)擁堵，因此有必要對完整頻譜進(jìn)行壓縮，從而降低傳輸數(shù)據(jù)量，延長節(jié)點(diǎn)存活時間。規(guī)則如下：

1） 將采集到的數(shù)據(jù)[x={x（n），n=0，1，2，…，N-1}]進(jìn)行FFT計算，得到功率譜[X={X（k），k=0，1，2，…，N-1}];

2） 將[X={X（k），k=0，1，2，…，N-1}]從大到小排列，取前[N]對譜峰[Y={k，Yk}]，其中[k=0，1，2，…，N-1]，將[2N]個數(shù)據(jù)[Y]發(fā)送至阿里IoT數(shù)據(jù)管理中心。

3? 實(shí)驗結(jié)果

3.1? 傳感器性能測試

將MEMS傳感芯片和目前常用的電磁式941型傳感器進(jìn)行對比測試，測試平臺為振動臺、標(biāo)準(zhǔn)傳感器BK?8305以及NI數(shù)據(jù)采集卡USB?6008。LIS344AH的靈敏度為660 mV/g，優(yōu)于941型電磁式靈敏度：300 mV/g。結(jié)果表明LIS344AH的靈敏度滿足工程振動頻譜測試要求。

3.2? 武漢江漢六橋?qū)嶋H拉索測試

3.2.1? 拉索振動頻率分布測試

測試對象為武漢江漢六橋拉索，把節(jié)點(diǎn)布置在索上。圖2、圖3分別為節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部測量電路系統(tǒng)和實(shí)際拉索測試的照片，圖4為MEMS節(jié)點(diǎn)的功率譜分布。

3.2.2? 實(shí)時頻率監(jiān)測

從第3.2.1節(jié)拉索振動譜分布實(shí)驗中看出，實(shí)際拉索振動基頻0.995 Hz，針對第4階振動譜3.986 Hz，本文設(shè)計模擬濾波器中心頻率[f0=3.986 Hz]，模擬程控濾波器MAX260工作在模式1，[NF=63]，[NQ=127]，則濾波器[Q=64]。

為了使32 bit控制器PIC32MX795輸出比較引腳能產(chǎn)生[fclk=f0·π64+NF2=795.172 Hz]的時鐘，具體設(shè)置步驟如下：

1） 設(shè)置控制器系統(tǒng)時鐘SYSCLK=80 MHz。

2） 設(shè)置Timer時鐘分辨率為0.2 μs。設(shè)置控制器系統(tǒng)外設(shè)時鐘為20 MHz，即SYSCLK的4分頻，PBDIV=0x02;設(shè)置控制器A類Timer的預(yù)分頻比為8分頻，TCKPS=0x02。最終得到Timer的工作頻率為2.5 MHz，時間分辨率為0.4 μs。

3） 設(shè)置控制器的輸出比較模塊OC1R=0x0624，使得比較器匹配數(shù)據(jù)為1 572個時鐘匹配一次。

4） 設(shè)置輸出比較模塊OCxCON<2：0>=0x03，使其工作在單比較模式，比較匹配事件使OC1引腳電平翻轉(zhuǎn)，并且該翻轉(zhuǎn)事件是連續(xù)的。此時，OC1端口輸出795.165 Hz的時鐘，誤差為0.000 8%。

讓一輛荷載車以基本勻速40 km/h，從一側(cè)上橋至另一側(cè)下橋，橋全長1.28 km，耗時約110 s，大約在45 s左右經(jīng)過待檢測拉索位置，記錄下整個過程的拉索頻率變化，如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著荷載車駛近待測拉索，拉索振動頻率逐漸變高，在45 s左右荷載車駛至待測拉索位置，拉索頻率增大至最大值，隨著荷載車的逐漸遠(yuǎn)離，拉索振動頻率逐漸恢復(fù)至設(shè)計頻率。在最高振動頻率處，振動頻率增加0.081 Hz，大約變化2%，索力增加約8.2 t，實(shí)時索力和壓力環(huán)的測量值相比，誤差在1%以內(nèi)。

4結(jié)? 論

為了得到拉索的實(shí)時索力，本文利用模擬濾波器跟蹤拉索振動譜中的某階譜，得到拉索振動的實(shí)時頻率，從而得到拉索實(shí)時索力。最后利用基于6LoWPAN的MESH網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了索力測量局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的無縫對接，實(shí)現(xiàn)了拉索索力的實(shí)時監(jiān)測。實(shí)驗結(jié)果表明，利用模擬濾波器對MEMS加速度傳感器的振動譜進(jìn)行實(shí)時跟蹤，并結(jié)合基于6LoWWPAN的物聯(lián)網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時索力監(jiān)測，其數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠，是傳統(tǒng)基于振動法測量索力的有效補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式實(shí)時索力監(jiān)測。

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