多参数桥梁振动监测系统设计

摘  要：针对远程桥梁振动监测的要求,采用交流偏置电路与双路AD7714模数转换器实现ADXL203的双轴高精度同步振动加速度测量，并实现了温湿度与风速风向测量。使用低功耗便携式计算平台构建CAN总线监测网络，通过GPRS网络将桥梁状态信息发送到监控中心，实现远程多桥梁多参数监测系统。
关键词： 桥梁监测；振动加速度测量；CAN总线；同步ADC采样
   
     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/℃。