基于WIFI的无线桥梁应变采集系统

岳鹏程，周晓旭，郭晓澎

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

应变是表征桥梁工程结构安全状态的重要指标，结构应变过大，会导致桥梁结构产生裂纹与损伤，进一步发展会产生断裂甚至结构破坏。因此，桥梁运营中的应变监测对保障桥梁结构的安全运营具有重要意义[1-2]。

传统的桥梁结构检测多采用有线联结方式，施工周期长、测试效率低，对人力、物力、财力的消耗极大，此外还存在操作过程繁琐以及容易接错线等诸多缺陷[3]。有线的桥梁结构检测技术已经越来越不能满足桥梁结构安全运营的需求，开发一个可靠性好、准确性高、兼容性好、适于远距离对桥梁进行实时监测的系统十分必要。

对比分析几种常用的无线通信方案，见表1。

表1 几种常用的无线通信技术对比分析

可以看出WIFI无线通信技术具有传输效率高、覆盖范围广、可容纳节点数量多、组网方便、成本低等综合优势，能够满足桥梁结构监测数据无线通信的要求[4-6]。

1 桥梁无线应变采集系统概况

桥梁无线应变采集系统是一套专门针对桥梁应变监测与分析的系统，图1为无线应变采集系统组成示意图。

图1 无线应变采集系统组成示意图

该系统主要由应变采集电路、数据传输网络和上位机应变采集软件组成。应变采集电路实现被测桥梁结构应变从物理信号到模拟电压信号再到数字信号的转换，主要由惠斯通电桥电路、信号调理电路以及最小单片机系统组成；数据传输网络将采集的现场数据传输给上位机，组网方案如图2，在现场应变采集设备中集成了WIFI模块，经由路由器转发完成与上位机的无线数据通信；上位机监测软件实现控制指令发送、数据接收以及对接收数据的处理、显示、分析和报表等功能。

图2 无线通信配置及组网结构

2 应变采集电路关键电路设计

应变采集电路主要由应变桥式电路、信号调理电路、AD转换模块、单片机系统、WIFI无线通信模块和供电模块组成[7]，其组成框图如图3。

图3 无线数据采集设备组成框图

2.1 应变桥式电路设计

由于电桥线性好、灵敏度高、测量范围宽、易于实现温度补偿[8]，系统采用惠斯通电桥电路作为信号转换电路，把监测点的应变信号转换成电压信号。

但是，如图4所示，实际桥梁应变测量中应变片在桥上的贴片位置与设备的放置位置至少有10 m的距离，即电桥电路中连接应变片的桥臂除应变片阻值外还会接入10 m导线的线阻，约为0.4 Ω，会引起0.33%的测量误差。系统设计的惠斯通电桥电路如图5，应用负反馈的方法，将桥路输出正端CH_+IN与运算放大器LM301的CH_+S相连构成电压跟随器，有效消除了桥路导线电阻引起的压降，提高系统测量的准确性。

图4 设备在桥面上布置的示意图

此外，桥梁应变检测中惠斯通电桥输出电压仅为mV级，因此需要在模数转换之前先将电桥电路的输出电压进行放大，达到V级，以提高系统测量精度[9]。系统设计时将电桥的输出电压输入到运算放大器INA118，放大100倍后输出到单片机的A/D采集通道。

图5 惠斯通电桥电路

2.2 单片机系统电路设计

应变采集装置的单片机系统是以ADI公司的高性能数据采集与处理系统ADuC845芯片为核心的，该芯片集成了AD数据转换器、闪存和可编程微控制器，其24位的高分辨率和Δ-∑转换技术保证了数据采集的精度[10]。

2.3 WIFI无线数据传输模块

现场无线应变采集装置中集成了WIFI无线数据传输模块，实现系统的无线数据通信功能。图6为无线数据传输电路，由于单片机与WIFI模块的电平不一致，需要通过TXB0104D实现5 V到3.3 V电平转化才能保证正常通讯。

3 系统测试试验

基于山西省交通科学研究院桥梁所的等截面纯弯曲梁试验系统，对比分析以有线方式传输数据的应变仪和以无线通信方式传输数据的无线应变采集系统的多组试验数据，验证无线应变采集系统在实际应用中的可靠性。

3.1 标定无线应变采集系统

在对比试验之前首先采用电标定的方法对系统进行静态标定。使用分辨率为1με、量程范围0～100000με的LANCE MEASUREMENTTECHNOLOGIES CO.LTD公司的LC1501标准应变模拟仪产生标准电信号，用这种电信号模拟标准应变信号，在保证实验室温度恒定的前提下，调节标准应变仪的输入应变值，涵盖了不同数量级，不同精度变化的应变输入，记录系统输出的测量数据。无线测试系统标定结果如图7。

图6 无线数据传输电路

图7 无线测试系统标定结果

从图7中可以看出，系统输出曲线线性好，与标准输出曲线y=x几乎重合，经计算系统输出曲线拟合函数的斜率为0.99221，与标准输出曲线斜率1的误差仅为0.779%，可见标定后的无线应变采集系统的输出结果与输入的标准应变数值相一致，测量准确。

3.2 对比试验测试分析

对比试验基于山西省交通科学研究院桥梁所的等截面纯弯曲梁试验系统，试验装置示意图如图8a，梁的静态加载通过架梁和液压千斤顶实现。标准等截面纯弯梁的尺寸及应变片贴片位置如图8b，3号、4号应变片贴于梁的跨中位置，且3号应变片靠近梁的上顶面，1号、2号应变片粘贴位置距离梁的跨中靠左侧位置处，且1号应变片靠近梁的上顶面。选用东京测器的TDS-530高速静态数据采集仪作为有线试验对比对象，其最高分辨率可达到0.1με，较自行开发的无线应变采集系统精度高一个数量级。

试验时，采用单点跨中集中加载，载荷分6级单次逐级递加，分别为 15 kN、30 kN、45 kN、60 kN、75 kN、90 kN，分别记录每片应变片TDS-530有线测试设备和无线应变采集系统在各级荷载作用下的应变输出，两台设备输出比较结果和误差分析见表2。

图8 等截面纯弯曲梁试验系统（单位：mm）

表2 试验荷载作用下实测应变和误差

由表2数据分析后得知，无线应变采集系统的测量值和有线仪器的测量值非常接近，两者相对误差最大为9.38%，最小为0.67%，满足桥梁静态载荷误差小于10%[11]的要求。根据材料力学理论推导

由公式（1）可以看出当等截面纯弯曲梁尺寸、材料、载荷加载位置和贴片位置一定时，应变ε是关于载荷F的一元一次函数。4片应变片的试验曲线如图9可以看出测试结果线性好，且梁的同一横截面处斜率近似相等，各曲线拟合函数斜率见表3，即1号应变片和2号应变片试验曲线平行、3号应变片和4号应变片试验曲线平行，与理论推导结果相一致，认为系统在实际应用中性能稳定，测试准确。

图94片应变片的试验对比曲线

表34片应变片拟合曲线斜率

4 结语

桥梁无线应变采集系统实现了桥梁结构应变的远程采集和无线通信，且经过试验测试对比分析，可知系统采集数据准确可靠。系统具有测试效率高、采集控制灵活方便、稳定性好、成本低等优点，是解决现有大型桥梁工程检测中布线及数据处理困难的有效途径，且连续采集功能能够为桥梁健康评估提供可靠的数据支持，具有一定的现实意义。该系统亦可应用于其他工程领域的应变测量，应用前景广阔。