基于振弦传感器的桥梁应力监测系统设计

基于振弦传感器的桥梁应力监测系统设计

姓名：韩涛申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：廖传书

20090501

武汉理ｒ大学硕十学位论文摘要随着经济的飞速发展，我国桥梁建设取得了令人瞩目的巨大成就。但是由于外界环境等因素的影响，桥梁结构不可避免地出现损伤积累和抗力衰减。如何及时、准确地检测桥梁的健康状况，越来越引起人们的关注。桥梁结构健康监测的作用是通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁在特殊气候、特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号，分析评估桥梁的使用寿命，并为桥梁的养护、维修与管理决策提供科学的依据。本文首先介绍了桥梁应力监测的研究背景和国内外的发展现状，指出了与传统的监测方法相比本方法所具有的优点。然后对振弦传感器的特性进行了深入的研究，分析了振弘传感器的工作原理和温度特性，进而为振弦的温度补偿原理提供了理论依据。接着通过分析系统功能需求和比较各种采集方式的优缺点，提出了一种分散采集集中管理的系统结构，该结构包括现场数据采集子系统、远程传输子系统和监控中心予系统三部分。最后根据振弦传感器的工作原理完成整个系统的硬件电路和软件的设计，并重点设计了振弦式传感器的激振电路、测频电路和温度调理电路，传感器的激振采用软件扫频激振技术，传感器的测频采用等精度测频方法。另外考虑到温度对振弦的影响，采用比值采样法和电压频率转换实现温度的测量，从而实现温度的补偿。整个系统在上位机端和下位机端分别设计了ＲＳ．４８５总线接口，通过ＲＳ。４８５／ＲＳ一２３２转换电路，实现了ＰＣ机与单片机之间的远程数据采集和控制。在硬件设计的基础上，对系统进行了软件设计，软件部分包括下位机单片机程序的设计、上位机监控软件的设计以及上位机与下位机通讯程序的设计。纵观全文，本文针对桥梁结构健康监测现状，以实时性、长期性和精确性为目标，设计了一种以振弦式传感器为检测组件，又充分运用微处理器技术、现代通信技术、计算机技术，实现了对监测信号的多点采集、数据可靠传输、综合处理及监测过程的控制，进而对桥梁结构的健康状态做出正确的评估，这对许多工程的施工建设与安全监测维护具有理论意义及实际指导意义。关键词：桥梁；振弦传感器；监测；数据采集子系统ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｏｕｒｉｎｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｃｏｎｏｍｙ，ｔｈｅｒｅｉｓｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｄａｍａｇｅｄａｎｄｉｔｓｃｏｕｎｔｒｙｂｒｉｄｇｅｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ，ｔｈｅｂｒｉｄｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗａｓａｔｔｅｎｕａｔｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｄｅｓｔｒｏｙｅｆｆｅｃｔｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｈｏｗｔｏｍｅａｓｕｒｅａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｈｅａｌｔｈｏｆｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｅｏｐｌｅｃｏｎｃｅｒｎｅｄｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｂｒｉｄｇｅｈｅａｌｔｈｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓｔａｔｅｗｈｅｎｔｈｅｂｒｉｄｇｅｉｓｕｎｄｅｒｓｐｅｃｉａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｓｅｎｄｏｕｔｐｒｅ－ａｌｅｒｔｓｉｇｎａｌｏｆｒｕｎｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄｃｌｉｍａｔｅ，ｓｐｅｃｉａｌｔｒａｆｆｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｅｒｉｏｕｓｅｘｃｅｐｔｉｏｎｓｉｔａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｅｖａｌｕａｔｅｓｔｈｅｂｒｉｄｇｅｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｏｌｉｃｙ．Ａｔｆｉｒｓｔｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｔｕｄｙｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｌｉｆｅａｎｄｓｕｐｐｌｉｅｓｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｅｖｉｄｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｉｅｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅｓｔｒａｉｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｐｏｉｎｔｉｎｇｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｐａｐｅｒｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒｈａｓｍｏｒｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｔｈａｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｎｍａｋｅｓａｄｅｅｐｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｌｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｅｎｓｏｒｓ．ａｎｄｔｈｕｓｐｒｏｖｉｄｉｎｇａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍＤｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇ．Ｔｈｅｎｗｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓａｃｑｍｓｍｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｋｉｎｄｏｆｄｉｓｐｅｒｓｅｓｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ’ＳｓｙｓｔｅｍＩＳｇｗｅｎ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓ３ｐａｒｔｓ，ｔｈａｔｉｓｆｉｅｌｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｕｂｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｍｏｔｅｔｏｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｕｂｓｙｓｔｅｍａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒｓｕｂｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓｗｅｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｙｓｔｅｍ。ｓｏｎｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅｔｈｅｓｉｓｅｍｐｈａｓｉｚｅｓｅｘｃｉｔｉｎｇｃｏｉｌａｎｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｉｒｃｕｉｔｔｏｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｔｒａｉｎＴｈｅｅｘｃｉｔｉｎｇｃｏｉｌｅｘｃｉｔｅｃｏｉｌ，ｔｈｅｏｆｓｅｎｓｏｒｕｓｅｓｓｅｎｓｏｒａｎｄｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐＩｅ·ｔｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈａｒｄｗａｒｅｓｗｅｅｐｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｓｅｓａｅｑｕａｌｌｙａｃｃｕｒａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｒａｔｉｏｉｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｆｏｒｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｖｏｌｔａｇｅｔｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＴｗｏＲＳ一４８５ｂｕｓｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｒｎｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅＰＣ—ｓｉｄｅａｎｄＭＣＵ－ｓｉｄｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｒｏｕｇｈｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｃｉｒｃｕｉｔｏｆＲＳ．４８５／ＲＳ．２３２，ＰＣｄａｔａａｃａｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｎａｃｈｉｅｖｅｍｕｌｔｉｐｌｅ—ａｃｃｅｓｓｒｅｍｏｔｅａｎｄｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒ０１．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅ，ｗｅｈａｖｅｆｉｎｉｓｈｅｄｔｈｅｄｅｓｉ２ｎｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｌａｖｅｄｅｖｉｃｅＭＣＵｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｍａｓｔｅｒＰＣＳＯｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＭＣＵａｎｄｔｈｅＰＣ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｉｍｓａｔｒｅａｌ．ｔｉｍｅ．１０ｎｇ．ｔｉｍｅａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎｓａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｕｓｅｓａｒｅａｌ－ｔｉｍｅｂｒｉｄｇｅｓｔｒａｉｎｄａｔａｓｅｎｓｏｒａｓｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ａｎｄｍａｋｅｓｆｕｌｌｏｆａｄｖａｎｃｅｄｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｏｄｅｒｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏａｃｈｉｅｖｅｍｕｌｔｉ。ｐｏｉｎｔａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔａｃａｂｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｃｔｅｄｓｉｇｎａｌ．Ａｎｄｔｈｕｓｍａｋｅａｃｏｒｒｅｃｔａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｈｅａｌｔｈｓｔａｔｅａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｖｌｉｆｅｏｆｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｓｏｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｍｏｍｔｏｒｍｇ·ｐｒａｃｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｍａｎｙｂｕｉｌｄｉｎｇ’ＳＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ；ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｕｂ‘ｓｙｓｔｅｍＩＩＩ独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致ｉ身｝的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生（签名）：盔整ｉ羞日期五血拿：ｓ：生．关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的固家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：垄曼遗导师（签名）：２冬堕日期丝翌２：兰：以武汉理工人学硕士学位论文第１章１．１研究背景绪论随着经济的飞速发展，我国桥梁建设取得了令人瞩目的巨大成就。但是由于外界环境等因素的影响，桥梁结构不可避免地出现损伤积累和抗力衰减。如何及时、准确地检测桥梁的健康状况，越来越引起人们的关注。桥梁结构健康监测的作用是通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁在特殊气候、特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号，分析评估桥梁的使用寿命，并为桥梁的养护、维修与管理决策提供科学的依据。所以桥梁健康监测测试技术不仅是从根本上保证工程勘察、设计、治理、监理的精确性、可靠性以及经济合理性的重要手段，也是保证施工与工程建设安全的有效方法。在桥梁、大坝、边坡等大型工程中，对载荷压力、应力、应变、位移、沉降等性能参量的监测显得更为重要与迫切，这就对相应的测试技术手段与仪器仪表的选取、升级改进都提出了较高的要求。在工程领域，振弦式传感器广泛应用于水利、水电、铁道、交通、矿山、石油、土木建筑物及地基内结构中。振弦式传感器的测量原理源于２０世＝纪３０年代，是基于钢弦频率随钢丝张力变化的原理而工作，适用于应变测量系统。振弦传感器输出的是频率信号，抗干扰能力强，有利于远程传输和测量，因此可获得非常理想的测量效果。振弦传感器的这些技术特点非常适用于桥梁这种工作环境恶劣而技术要求又很高的安全监测环境。本文针对桥梁结构健康监测现状，以实时性、长期性和精确性为目标，设计了一种以振弦式传感器为检测组件，又充分运用先进的微处理器技术、计算机技术、现代通信技术，实现了对检测信号的多点采集、数据有线传输、综合处理及检测过程的控制，进而对桥梁结构的健康状态和安全寿命做出正确的评估，这对许多工程的施工建设与安全监测维护具有理论意义及实际指导意义。武汉理ｊ【大学硕士学位论文１．２桥梁健康监测的发展概况桥梁结构健康监测及数据采集相关技术很早就受到了人们的重视，不过长期以来一直以人工方法为主，人们定期对桥梁进行检查，或者在出现紧急情况时进行检测评估。此时桥梁往往已经出现较大损伤，评估和维修费用显著增加。早期检测手段的落后极大地限制了桥梁结构健康监测的实施。随着传感器技术、数据传输技术、信号处理技术、计算机技术等的飞速发展，人们开始研究自动的、实时的桥梁结构健康监测数据采集系统【ｌ。２Ｊ。总的来说，桥梁健康监测经历了人工监测、半自动化监测、自动化的发展过程。（１）人工监测。桥梁健康监测始于上个世纪５０年代，由于当时不断发生桥梁的失效和坍塌事故，考虑到桥梁的修复和检测，美国和其他一些国家建立了桥梁检测的一些标准。第一代桥梁监测以人工技术为基础，它的特点是，人工检测需要预先确定损伤发生的大概位置，不易发现某些重要结构的内部损伤，无法检查人员和设备难以到达的部位。而且检查结果需要专业人员解释判断，带有很大主观性。此外检测方法费时费力、定期检测的滞后性等都是其不可克服的缺陷ｌｊＪ。（２）半自动化监测模式。７０年代以后，各种新的监测和诊断方法不断发展，对人工监测的方法进行优化后形成半自动化监测模式，此种监测模式虽在速度、精度上有一定改善，但仍不能满足工业现场运行的需要；２０世纪８０年代世界科学技术的快速发展，桥梁监测技术也有了很大的进步，主要表现在监测方法的现代化和自动化。（３）自动化监测。从２０世纪６０年代起计算机技术、通信技术等的飞速发展使得自动、精确、可靠、实时、经济的新一代桥梁健康监测系统的实现成为可能。２０世纪８０年代后期，各种规模的健康监测系统陆续建立。丹麦曾对总长１７２６米的Ｆａｒｏｅ跨海大桥进行施工阶段及通车首年的监测，另外他们在主跨１６２４米的ＧｒｅａｔＢｅｌｔＥａｓｔ悬索桥上已经尝试把极端记录与正常汜录分开处理的技术来减少数据存储量１４Ｊ。墨西哥对总长为１５４３米的Ｔａｍｐｉｃｏ斜拉桥进行了动力特性测试并比较了环境激振和传统振动试验的效果。英国在总长５２２米的Ｆｏｙｌｅ桥上布设传感器，监测运营桥梁的振动、挠度、应变等参数，同时监测环境风和结构温度场。该系统监测项目较全，并初步实现了实时监测、实时分析和数据网络共享，是最早较为完整的监测系统之一。从丹麦、墨西哥、英国等２武汉理．Ｌ人学硕十学何论文工业发达国家实现自动化的情况来看，有的起始于资料管理自动化，有的则起始于采集自动化。纵观监测自动化的发展过程可以看出，尽管各国所走的自动化发展道路不同，但随着技术的发展，监测仪器有了一个慢慢提高自动化水平的过程。早期的做法是采用大规模集成电路及微处理器组成的便携式测读仪装置，对监测仪器进行监测，其结果用数字显示，也可存储打印。第二阶段研制出集控和选数功能的装置，对仪器进行集中式数据采集，且测读的数据可输入到计算机上或上一级计算中心进行处理。８０年代中期，随着微电子技术和计算机的发展，各国又发展了分布式监控数据采集系统，即在观测现场设置多台小型化测量控制装置，分别对监控区域内的仪器进行自动监测，测量数据转换为数字量，通过数据总线直接传送到监测中心的计算机进行处理。我困从２０世纪９０年代开始，在一些大型桥梁上安装了不同规模的结构健康监测系统。虎门大桥在施工阶段已经丌始安装传感设备，用来在运营期间进行实时监测。徐浦大桥结构状态监测系统的监测内容包括车辆荷载、温度、挠度、应变、主梁振动、斜拉索振动六个部分Ｉ５１。江阴长江大桥上部结构安全监测系统由一台工作站不ｒＩＪｔ．台远程外站通过局域网连接而成，工作站可以对外站发出指令并对数据进行表格显示和图形显示。香港三桥上安装了一个复杂的监测系统，该系统包括传感系统、数据采集系统、数据处理分析系统和控制中心四个子系统。其中传感系统采用七类共七百多个传感器。钱江四桥和涧扬长江大桥也正在进行结构健康监测系统的安装【６Ｊ。１．３桥梁健康监测系统的现状分析目自ｉ『，测量振弦式传感器产生的频率主要采用以下三种方法：图像识别法（李沙育图形法），频率计法及单片机加前后台系统法１７Ｊ。李沙育图形法和频率计法虽然操作简单，但由于测量精度太低，远远不能满足当今测量学的要求。国外一些专家学者对健康监测系统的研究取得了显著的成果。他们研制的新型测频智能模块技术比较成熟，可以根据不同的需求配胃不同的模块，国外公司产品通道数的选择也比较多，还可以配置连接不同类型的传感器，现在我们使用较多的都是国外厂家研制的数据采集器１８】。而国内生产厂家研制的数据采集器仍然存在一些不足：比如测量精度还不够高，测量值波动比较大，没有配置温度调理模块；编程软件可移植性较差；常常是通道数较少，Ｉ：ＬＴ！Ｕ只有一武汉理ｊ【：人学硕士学位论文路采集通道，不能满足工程现场应用；系统的通用性和兼容性需要改善：有些国内传感器数据采集器没有远程数据采集功能，只能进行现场读取数据。这些不足造成系统的数据采集单元个数增多，系统费用高，可靠性降低【９ｌ。为了克服以上不足，有必要研制出一种远程多通道传感器数据采集系统，其主要通过增加测量通道数降低系统费用，同时又具有一定的独立使用功能。传统激励振弦振动的方式采用间歇激振方式【ｌ０１，但这种间歇激振电路较为复杂，并且要使用电磁继电器，电磁继电器的体积大，功耗大，机械触点工作可靠性欠佳，振荡器的振荡频率调节范围不大，并且调节不能在线自动实现，从而使振弦起振有时较困难。为了解决这些问题，许多学者提出了传感器的激振采用硬件扫频激振技术【ｌ¨，采用硬件扫频激振技术比起应用固定频率激励振弦得出的测量值更加精确。但是硬件扫频激振技术采用Ｄ／Ａ转换芯片、运算电路和标准函数信号发生器电路组成，这样虽然解决用电磁继电器激振所出现的问题，但这使应力采集器的成本增高，而且模拟电路越多，干扰越大，会影响测量精度。最早的多功能智能检测仪采用的是双线圈振弦式传感器Ｉｌ２１，但是双线圈型振弦传感器不利于传感器的小型化，且双线圈易产生倍频干扰。后来又提出了应用电流激励型振弦式传感器Ｉｌ３｜，而电流激励型振弦式传感器的主要缺点是：激发放人Ｉ乜路的输出与输入接成了闭环，而弦的电阻不为零，实验证实极易Ｊ忙生高频电磁干扰振荡，使弦不能工作。所以为了克服上面两种传感器的缺点采用了单线圈振弦式传感器【ｌ４１，它的感应输入电压与激发输出电流完全分开，互不影响，有效地消除了电磁干扰振荡，而且单线圈有利于传感器的小型化。因此，考虑到现在结构健康监测数据采集系统的不足，本系统采用分布式监控数据采集系统，采用单线圈振弦式传感器并且利用软件扫频激振技术采集多路振弦传感器信号。１．４本文所作的主要工作本论文的主要研究对象是对应用于健康监测中的振弦式传感器进行远程自动数据采集，研究重点是减小和消除传感器误差，提高振弦式传感器的测量精度。本文所做的主要工作如下：（１）对振弦传感器的工作原理进行了深入研究，随后分析了振弦传感器的４武汉理Ｔ大学硕士学１『｛７＝论文温度特性，分析了温度变化对系统的影响，从而采取温度补偿技术来完善整个系统。通过比较选择了单线圈型振弦传感器这种精度高、性能稳定、经济性好的振弦传感器。（２）研究了振弦式传感器的激振方法。采用了一种把扫频激振技术应用于传感器的激振方法，该方法具有硬件电路简单，软件设计也较容易，并月．起振可靠，完全具有工程适用价值。（３）研究了微弱电信号频率的拾取方法。对振弦被起振后产生的微弱电动势，采用有源低通滤波电路和采用迟滞比较器的信号整形电路进行波形变换，输出相对稳定的方波，以便单片机测量。（４）由于振弦式传感器的测量精度容易受到环境温度方面的影响，设计了一种基于比值采样的电阻测量方法。利用该方法可以对传感器的频率、电压进行补偿，提高系统的测量精度。（５）设计了完善的系统通讯接口，上位机与下位机通过ＲＳ一４８５总线实现数据的远程传输，抗干扰能力强。（６）采用结构模块化编程思想编制软件，使得软件整体结构清晰；采用Ｃ５１编制软件，使得软件易于维护、扩充和移植性强；人机交互界面友好，显示信息直观，用户操作简单。武汉理．Ｊ：大学硕十学位论文第２章振弦传感器的研究振弦式传感器是基于铡弦频率随钢丝张力变化的原理而工作，适用于应力测量系统。振弦式传感器输出的是频率信号，抗干扰能力强、对电缆要求低，适合于远距离传输，因此，可荻得很理想的测量效果ｊ由于桥梁的安全监测系统工作环境复杂，而且对技术要求又很高，所以振弦传感器的这些技术特点非常适用于桥梁监测系统。因为制造工艺水平的局限性和测量技术的不完善，使振弦式传感器在工程上的推广应用经历了一个较为漫长的过程。直到上世纪７０年代，随着现代测量技术、材料及制造工艺的发展，振弦式传感器技术才得以完善并真正日Ｐ－匕Ｉ－＇，７、４阴４－足工程应用的要求。目前，性能完善的弦式仪器已成为新一代工程仪器的潮流。２．１振弦式传感器的特性２．１．１振弦传感器的特点振弦式传感器输出的信号为频率信号，而频率信号是能获得很高测量精度的信号，适合于远距离传输，且不会降低它的精度，这是其显著的特点之一。其次，从结构来看，振弦式传感器没有活动元件，所以它的工作可靠性及稳定性都非常高，因此能设计出很高精度的传感器。在它的众多优点中，最重要的一个特点是振子的阻尼小，谐振Ⅱ向应曲线十分窄，如图２．１所示【１５１。ＡＦ图２．１振子的谐振曲线６武汉理Ｌ：人学硕士学位论文振子在振动时，它的结构内部具有一定的阻尼，所以需要消耗能量，因而需要外部施加激振力。振子的阻尼越小，振动时所消耗的能量就越少，频率的选择性越好（所谓频率选择性是指传感器从不同的频率信号中选出所需要的频率信号的能力），传感器的精度越高。总的来说，振弦传感器具有如下的特点：（１）输出信号稳定性高；（２）长期工作可靠性高；（３）适合长距离传输；（４）适应在恶劣环境下工作。２．１．２振弦传感器的工作特性要让振子产生振动，需外加作用力（激振元件），要测量振子的振动频率则要拾振元件，它们之ｆｕＪ的关系如图２．２所示【１６Ｊ。由激振元件激发振子振动，由拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信号经放大后输送到激振元件中形成闭环系统。频率输出图２—２振弦传感器工作原理框图随着加在其内部振弦两端的作用力不同，振弦的谐振频率也会发生相应的变化。通过一组不同频率的脉冲来激励振弦振动，引起振弦的共振，测得其其振频率，就可计算出传感器的受力情况及工程值。振弦式传感器以其结构简单、坚固耐用、长期稳定性好、精度和分辨率高著称，振弦经过热处理之后其蠕变极小，零点稳定输出为频率信号，可接长电缆，便于远距离传输，可与微机直接接口。在实际应用中，将传感器与钢筋一起捆绑在混凝土骨架中的指定位置，浇筑后埋于混凝土中。当混凝土因为外力作用产生变化时，连接钢筋及外壳与混凝土的粘结作用将带动外壳产生一致的形变，从而改变钢弦的自振频率，再通过激振拾取电路加上外围电路读取这一自振频率数据。每一个传感器在出厂之前，均经过试验机精心标定，这样在现场测试时就可以根据测得的频率对照标定值，获取传感器所在位置结构构件的受力情况。７武汉理丁大学硕士学位论文２．１．３振弦传感器的温度特性在温度恒定时，振弦的张力与应变有着确定的关系，当应变产生时，振弦的张力会发生相应变化。但当无应变产生而温度存在变化时，也会使弦的张力产生变化。温度升高，张力降低，温度降低，张力升高。这时我们就无法分辨频率变化是由外界温度变化还是由外界形变（应变）引起的。所以就需要考虑振弦热膨胀和应变同时存在的情况，公式（２．１）即为在这种情况下振弦应变传感器的基本运算公式【１８】：占：罢ｆ２＋ＡＴａ：ｋｉｆ２＋ＡＴｏｔ￡Ａ（２．１）其中：ｍ为铡弦单位长度的质量；Ｅ为钢弦的弹性模量；Ａ为钢弦的截面积；口为振弦金属材料的热膨胀系数；△丁为温度变化。振弦式应变传感器在出厂时一般都已经过标定，同一型号的传感器系数ｋｌ相同。从理论上讲，当混凝土内部预应力没有变化时，输出应基本保持为零。所以必须根据实际情况对公式（２．１）进行温度修正，除了计算振弦本身的热膨胀外，还应考虑被测物体自身的热膨胀，由此得到温度修正公式【１９】：占＝ｋｉｆ２＋ＡＴａ—Ａｒ，，ａ（２－２）其中：∥为混凝土的膨胀系数；△丁为传感器本身的温度变化；△正为混凝土表面的温度变化。△丁与△Ｚ往往不相等。一般的传感器产品说明书都给出公式（２．１），但当传感器实际安装时，则应按公式（２。２）进行计算，但困难的是混凝土的实际热膨胀系数蜀相当难确定。最好的办法是，在无荷载的情况下进行读数，此时公式（２－２）的左边值应为零㈣。∥：—ｋｌｆｚ＋—ＡＴａ△７：（２．３）对公式（２－２）和（２．３）的计算是一项重要的工作，尤其当传感器安装在混凝土表面时，由于环境温度变化较大，会给测试造成很大影响，所以温度修正显得更为重要，如Ｂ不能进行准确确定，则会产生很大的误差。２．２振弦传感器的数学建模根据动力学原理，任一机械振动系统的谐振频率可根据下式计算：武汉理Ｔ大学硕＋学位论文ｆ＝Ｋｔ遗Ｅ％（２－４）式（２－４）中，Ｅ为凿振元件材料的弹性模量；ｍ为谐振元件的质量；Ｋ为材料的刚度；Ｋ’与量纲有关的常数：ｆ为谐振元件的频率。振弦式传感器的谐振元件是一根张紧的金属丝，在电流激励下，振弦在磁场中按其固有频率振动。改变振弦的张紧力Ｔ可得到不同的振动频率．厂。在磁场中的载流振弦受到电磁力Ｆ的作用，电磁力大小为：鼻＝Ｂｌｉ（２—５）式（２．５）中，Ｂ为磁感应强度；，为振弦的有效长度；ｆ为通过振弦的电流。Ｆ的一部分用于克服振弦质量ｍ的惯性，使之获得一定的速度ｖ。其值为：ｖ：Ｉ‰ｅ（２－６）ｍ式（２－６）中，ｆ，．是克服振弦惯性所需的电流。当振弦以速度ｖ运动时便切割磁力线，产生感应电势ｅ，其值为：ｅ：Ｂｌｖ：盟㈣（２－７）将式（２－７）与电容器充电公式ｇ＝石１』ｔ砒加以比较，可以看出，在磁场中运动的振弦质量ｍ的作用相当一只电容，因而可用等效电容Ｃ来表示：Ｃ＝ｍ／（Ｂ１）２（２－８）质量为ｍ的振弦一方面作为惯性体被加速，从而吸收了一部分电磁力曩，使之达到速度为ｖ的运动；另一方面，振弦又作为具有横向刚度的弹簧在起作用，因此电磁力又要用于克服弹簧反作用力Ｅ。设在时｜、白Ｊｔ＝ｔ．时，振弦偏离初始平衡位置的距离为万，则其弹性反作用力ｅ为：Ｃ＝Ｋ６（２－９）式（２．９）中，Ｋ为振弦的横向刚度系数。由于Ｖ＝警，ｅ＝Ｂｌｖ，ｅ＝Ｂ，屯，则反电势为：９武汉理．［大学硕十学位论文弘８／ａ＿≯鱼８筚ｉｅｉｅ（２－１ｄｌＫｄｌｄ，０）式（２．１０）与电感反电势公式Ｐ：一三拿相比较可以看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动，其作用相当于感性阻抗，其等效电感为：￡：—（Ｂ芦１）２（２－１１）Ｋ因此，位于磁场中一根张紧的振弦的运动如同一个ＬＣ并联振荡电路。因而振荡频率可按ＬＣ回路的计算方法得到，即：ＣＯｏ＝１１４Ｌｃ将等效电容和等效电感代入式（２．１２）中，得：ＣＯｏ＝√Ｋ／ｍ（２－１３）（２—１２）将Ｋ＝Ｔ哆７，ｍ＝ｓｐ，代入式（２—１３）中，整理得：‰＝手历或石＝寺历（２－１４）式（２．１４）中，丁为振弦的张紧力：Ｓ为振弦的横截面积；Ｐ为振弦金属材料的密度；，为振弦的有效长度。式（２—１４）建立了振弦的固有频率石上的等幅振荡。当振弦受到拉力时，其振荡频率将偏离固有频率石，接收该频率并按数学公式计算就可得出对应的压力值。另外可以看出，当传感器制造成功之后，所用的振弦材料和振弦的直径有效长度均为不变量。振弦的白振频率只与振弦所受的张力有关。因此，张力可用频率／的关系式来表示：Ｆ＝Ｋ（ｒ一名）＋Ａ（２．１５）式（２—１５）中，Ｆ为振弦张力；Ｋ为传感器灵敏系数；六为张力变化后的振弦自振频率；五为传感器振弦初始频率；Ａ为修正常数。１０武汉理Ｔ大学硕七学位论文２．３单线圈型振弦传感器单线圈型振弦式传感器，它的工作原理如图２．３所示１２２ｌ。由图２．３可以看出，单线圈型振弦式传感器只有一个线圈放在磁性弦的中部，因此最短弦长可以达到ｌＯｍｍ，可以实现振弦传感器的小型化：同时，作用力施加于磁性弦的中部，有利于基频起振，没有倍频干扰。图２．３单线圈振弦传感器上作原理图单线圈振弦式传感器是一种比较理想的振弦传感器。在桥梁应力监测系统中，所需测点多、分布广，单线圈的小型化和远距离传输等特点更能满足要求。单线圈振弦传感器激振和接收共用一组线圈，具有简单的结构。当激发脉冲传送到磁芯线圈上，磁芯产生一个脉动磁场使振弦振动，振弦振动后产生一个衰减振荡，切割磁芯的磁力线在磁芯输出端产生衰减的正弦波。拾振电路测出此波的频率即为振弦此刻的自振频率。本桥梁监测系统便是采用单线圈振弦传感器。２．４本章小节分析了振弦式传感器的工作特性和温度特性，研究了温度这一因素对振弦传感器测量的影响，从而提出了振弦传感器的温度修在整个桥梁应力监测系统中的重要性。然后对振弦传感器从动力学的角度进行了物理分析，给出了它的数学模型。最后讨论了单线圈型型振弦式传感器的优点，给出了选用单线圈型振弦传感器的原因。武汉理＿Ｌ：人学硕士学位论文第３章桥梁应力监测系统的总体方案桥梁应力监测系统是一项融设计、丌发、安装、观测和数据处理等多项任务为一体的工作，而自动化监测更是集自动控制、计算机、通信、电力电子等专业为一体的综合性学科。因此，一个桥梁监测系统的成功与否除了与系统的软硬件资源有密切关系外，更重要的是系统总体方案的设计。系统的总体结构设计是保证在特定布置方式下系统的硬件和软件的结构系统以及基本功能的设计，它在一定程度上决定了系统的合理性与可靠性，同时也是决定系统投资成本的一个重要因素。３．１系统需求分析随着控制技术及计算机技术的迅速发展，同时考虑Ｆ１后电力电子技术的不断发展，桥梁应力监测系统应能完成无人值守功能。现场数据采集系统和监控中心控制系统不问断地在线监测，确保及时发现随机出现的结构异常及报警，所以桥梁应力监测系统主要功能包括【２４】：（１）在监控中心（上位机）的管理下，监控系统中各区域数据采集站（ＭＣＵ单元）按指定的检测方式和一定的测频次数自动采集数据。（２）系统应具有可靠完善的通讯功能和接口，通过ＲＳ．２３２和ＲＳ．４８５串行通信实现数据远距离传输，保证了上位机能准确无误的得到工程的有关监测数据，以便上级管理部门和有关单位及时了解桥梁的运行状态。（３）将重要部位的测量数据与监控指标的警戒值进行比较，判断桥梁重要部位的工作状态，发现险情实施报警。（４）操作维护方便。在软件方面，要求人机界面友好，操作简便；在硬件方面，要求维护检修方便。３．２系统采集方式分布式采集方式是将数据采集单元（ＭＣＵ）分散布置在靠近传感器的地方，１２武汉理］二大学硕十学位论文ＭＣＵ完成所辖测点传感器的激励、测量、数据暂存以及与上位机进行数据通讯等功能，这样减少了模拟量的传输距离，提高了系统的抗外界干扰能力。另外，由于每个ＭＣＵ均具有一定的独立工作能力，这也提高了系统的稳定性和安全性。分布式采集系统适用于工程规模大、测点多且分御广的监测系统。由于分布式采集系统是一种分散采集、集中管理的系统，其布局灵活、扩展方便，可适用于各种工程规模的桥梁监测系统中。随着电子技术的发展和电子元器件的规模化生产，为分前ｉ式系统提供了技术支持和可接受的价格基础。分布式采集系统在桥梁监测系统中已占主导地位。因此本系统采用分布式采集方式束设计整个系统。３．３系统整体结构桥梁结构空问跨度较大，约束点较多，结构形变复杂，属于超静定结构ｆ２州。监测系统必须能够连接安装在桥梁不同重要部位的多个传感器，所以要在传感器比较集中的地方设置数据采集站，通过通道选择模块对每个数据采集站所辖的多个传感器加以选通，这样可以减少传感器信号的传输距离，以便对采集的多种信息进行实时处理，得到反映整个桥梁健康状态的特征参数，同时提高了系统的抗外界干扰能力。因为传感器之Ｉ＇ｎＪ形成相距较远的空间分布网络，所以监测系统必须具有一定的远距离信号发送和接收能力，以便随时获得传感器的准确测量结果。另外监测系统应具有一定的智能处理能力，能够根据预设的周期或触发条件控制各传感器自动采集状态数据，进行一定的预处理、存储与初步判断，实现实时、长期在线自动监测。同时监测系统应该能够通过某种传输图３．１监测系统整体结构图武汉理＿『ｊ大学硕士学位论文方式将状态参数和报警信号远程传送到指定的中央监控室，便于进行必要的后续数据处理与分析，实现桥梁远程状态自动诊断。为满足上述目标和要求，系统总体结构设计如图３．１所示。因为整个系统测点多且分布范围较广，所以采用分散采集方式，即先将分散的传感器信号通过现场数据采集站转换成数字信号，预处理后再通过ＲＳ．４８５总线传输到远程的监控中心的上位机，以减少因传输线路太长而产生的信号衰减和噪声干扰，确保所采集信号的准确性１２７１。这是－－＿；ｆ，ｐ丌放型分布式网络结构，该结构是一种多主机网络拓扑结构，具有微处理器的远程数据采集站（ＭＣＵ）挂在现场。可及时处理或加工现场的多种信号，监控中心上位机则通过分布式网络对各远程数据采集站进行统一控制。这种结构与采用单主机的集中式结构相比，具有可靠性高、通用性强、网络容量大、信号传输距离远、扩展维护容易等优点，非常适合桥梁安全监测的需要。整个系统分为现场数据采集子系统、远程传输子系统和监控中心子系统３部分，数据采集子系统通过远程传输子系统与监控中心子系统连接成一个完整的桥梁监测系统【２引。各子系统的具体功能如下：（１）现场数据采集子系统。包括传感器和远程数据采集单元（ＭＣＵ）。数据采集单元分布在传感器比较集中的地方，每个数据采集单元控制所辖范围的传感器进行自动信息采集，并经一定距离将采集到的桥梁状态信息传输到数据采集子系统进行预处理，然后将相关数据远程传输到监控中心的计算机系统中。（２）远程传输子系统。主要由信号转换器、网络中继器以及通讯电缆组成。（３）监控中心子系统。由工控机及其他附属设备组成。主要负责对ＭＣＵ的遥测，数据的分析处理，信息管理及事故报警。３．４本章小结系统总体方案的设计关系到整个系统是否可以稳定而又高效运行的关键一步，因此本章从整个系统的整体出发，在系统设计满足现行标准的前提下，通过分析现代桥梁监测系统的需求和对比各种系统数据采集方式的优缺点，设计了一种适合于桥梁安全监测的系统。该系统采用分布式网络结构，保证系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣的环境下长期工作，非常适合现代桥梁安全监测的需要。１４武汉理：Ｉ＝大学硕十学位论文第４章桥梁应力监测系统硬件的设计上一章本文确定了整个桥梁应力监测系统的总体方案，知道了一个完整的桥梁监测系统是由现场数据采集子系统、远程传输子系统和监控中心子系统３部分构成。其中监控中心子系统的核心是一套主计算机工控机，它主要负责对数据采集子系统的远程控制，数据的分析处理，信息管理及事故报警。这主要通过上位机的软件系统来实现，所以对桥梁应力监测系统硬件的设计主要就足对现场数据采集子系统和远程传输子系统的硬件设计，这一章我们将分别详细地对这两部分进行硬件上的设计。４．１现场数据采集子系统桥梁应力监测系统的关键是现场数据采集子系统的设计，它是由若干个数据采集单元组成。所以数据采集单元的设计是本系统的核心。本系统主要对振弦式传感器的频率、温度进行在线监测。对桥梁应力的监测是一个长期的过程，用户通过监控中心的上位机与数据采集站进行通讯，根据具体情况按照巡回测量、定点测量或设置时间等方式进行测量。由于数据采集单元多在恶劣的环境下工作，因此对数据采集单元的硬件长期运行的稳定性有较高的要求，但系统并不要求有很高的处理速度【２圳。根据以上数据采集单元所需完成的功能和特点，本监测系统选用ＡＴ８９Ｃ５５单片机作为数据采集单元的核心。数据采集单元主要分为６个部分，‘分别为通道选择模块、激振模块、拾振模块（包括信号调理电路和测量电路）、串行通信模块、温度调理模块以及单片机模块。数据采集单元的结构如图４．１所示。数据采集单元的工作流程为：单片机向激振模块发出激振命令后，激振电路对已被通道选择模块选通的振弦式传感器进行激励，获得的传感器信号经过信号调理模块和温度调理模块进入单片机，通过单片机对振弦频率信号进行计数，同时获取振弦的温度信号，以便对振弦传感器的频率信号进行温度修正，并且经过计算程序后，把处理后的数据经串行通信模块传送到上位机显示。下面分别对这几部分进行分析。武汉理．－【＝大学硕士学位论文图４．１数据采集单元结构图４．１．１激振模块电路设计测量应力的基本原理是：在位于混凝土内的两块钢板上拉紧一根钢弦，混凝土受力会变形（也即应力的变化），使得两端的钢板互相挤压，这样就改变了钢弦的张力。如果用电磁线圈激振钢弦，通过测量钢弦的共振频率就可以测出振弦张力。激振电路采用扫频激振技术１３¨，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，如果信号的频率与振弦的固有频率相接近，振弦就能迅速达到共振状念。由于激励信号的频率是容易用软件方便控制的，所以只要知道振弦固有频率的大致范围（一般来说，每种传感器的固有频率的大致范围是确定的），就用这个频率附近的激励信号去激励它，就能使弦很快起振。单片机Ｉ／Ｏ口按照一定的频率（这个频率可以是传感器固有频率的初始值，也可以是上一次的测量值）产生激振信号，通过高频变压器１：２０，产生高压脉冲激励振弦，使振弦振动，激励电流流过激振线圈，激励电流产生的交变磁场激励振弦振动。激振电路如图４．２所示，脉冲信号经过该激振电路后产生高压脉冲激励振弦使之振动。图４．２中，Ｐ１．１控制三极管Ｑ１的截止和导通，导通时，Ｐ１．Ｏ输出的方波去激励振弦传感器。二极管Ｄ１要求选用快速导通二级管，其作用是吸收三极管Ｑｌ导通和截止瞬Ｉ旬所产生的尖峰脉冲。此尖峰脉冲若不消除，会对感应电１６武汉理【：人学硕十学位论文激励脉冲幽４－２激振电路原理图路（模拟电路部分）产生严重的干扰。稳压管Ｄ５２和Ｄ５３起到了稳定电压的作用，保证了电路工作的稳定性。４．１．２拾振模块电路设计振弦可靠起振后，撤去扫频激振信号，此时由于惯性振弦仍然将维持自由振动（实际上因为空气阻尼的存在，最终将停止振动），振弦的振动会在线圈中产生感应电势。从前面的介绍可以知道，感应电势的频率就是振弦的固有频率。所以，对振弦频率的拾取就是对线圈中感应电势的频率拾取。当然振弦被激振起来后，它只能维持一段时间的振动，这就要求在一段有限的时间内拾取线圈中感应电势的频率，虽然线圈中感应电势的幅度是不断衰减的，但是感应电势幅度的减小不会对频率的测量产生大的影响。由于振弦的共振频率范围为４００～４５００Ｈｚ，此频率信号的稳定持续时ｆｕＪ足有限的，必须在共振信号衰减到不至于影响测频日｛『完成测量任务，因而，必须找到一种适当的测频方法。本系统采用等精度测频法来实现。所谓等精度测频技术【３引，就是使用两组计数器，其中一组用以计数标准频率Ｆ（由处理器中的标准频率源产生）的信号计数值Ｎ。另一组（利用处理器内部一个１６位计数器）用以记录被测频率ｆ的信号计数值ｎ。通过软件控制两武汉理１．：人学硕十学位论文组计数器同时开始，同时结束计数。利用等精度测频公式ｆ＝门州Ｎ。由此公式可准确的得到被测频率的值ｆｏ图４—３即为利用等精度法测频率的原理图。单片机图４．３等精度测频原理从图４．３可知，拾振线圈中感应电势的频率检测电路由两部分组成，一是滤波放大电路，采用ＬＭ３２４组成的有源低通滤波电路；二是整形变换电路，采用过零比较法，从比较器的输出端得到周期性的方法，方波的频率即为待测频率。图４．４为本系统的频率测量电路。下面分别对这两部分电路加以说明。ＡＶＣＣ图４－４频率测量电路原理图１８武汉理Ｔ大学硕七学位论文（１）滤波放大部分由于输出的正弦电压信号是毫伏级信号，所以需要放大后再进行测量和处理，同时它的频率范围为４００Ｈｚ一４５００Ｈｚ，信号放大后需要进行滤波。本系统采用有源低通滤波电路来实现信号的滤波放大。有源滤波电路一般由集成运放和ＲＣ网络组成，由集成运算放大器和ＲＣ网络组成的有源滤波电路有许多优点。比如，有源滤波电路中的集成运放可以加入电压串联负反馈，使输入阻抗高，输出阻抗低，输入与输出之间具有很好的隔离，因此只需将几个滤波电路串接起来，这样就得到了高阶滤波电路。另外除了起滤波作用外，运放还可以将信号放大，而且放大倍数方便调节【３３ｌ。低通滤波器的作用是让从零到某一截止频率的低频信号通过，而对大于该频率的所有频率完全哀减。所以我们在设计这种滤波器的时候，必须根据所要求的幅频和相频响应，寻找可以实现且符合实际条件的滤波器。本系统采用ＬＭ３２４芯片进行低通滤波。ＬＭ３２４四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点，因此被广泛应用于工业仪器、自动控制等电路中。可利用它构成测量放大电路。（２）信号整形部分等精度测量模块输入的待测信号必须为脉冲信号，而滤波放大后的信号为Ｊ下弦波信号，所以信号需要进行整形调理。在本系统中采用迟滞比较器，其目的是为了提高抗干扰能力。迟滞比较器可理解为加『Ｆ反馈的单限比较器【３５１。在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的抖动（起伏），不管这种微小变化使来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点，迟滞比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就是具有一定的抗干扰能力。图４．５ａ给出了一个迟滞比较器，它是ＬＭ３２４中的一组运放来实现的。人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图４．５ｂ为迟滞比较器的传输特性。１９武汉理工大学硕七学位论文ＵｉｌｌＵｒｕＯＬＲ２０Ｕ下限Ｕ上限（ａ）迟滞比较器（ｂ）传输特性图４．５迟滞比较器及其传输特性不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过△Ｕ之值，输出电压的值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小于△Ｕ的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。图４．３等精度测频原理图中的脉冲计数控制器在等精度测量法电路中的作用主要是控制两个计数器同时丌始计数且同时结束计数的动作。其硬件结构如图４．６所示。ｃ复位端ＱＤ悬发＃，●≯Ｔ１ＩＮＴ０Ｔ０待Ｉ，ＣＰ器单片机幽４—６脉冲控制计数器结构图系统上电以后，首先通过单片机的Ｐ１．６口置低电平使Ｄ触发器清零复位，这时输出端Ｑ＝ｏ，使两个与门处于截止。然后给复位端置高电平，使Ｄ触发器处于正常工作状态。当被测频率来到时，通过始终给Ｄ端高电平，使输出的Ｑ端也处于高电平，这时通过与门使待测频率与标准频率同时到达单片机的外部脉冲计数端，微处理器丌始计数。等到ＴＯ计数达到预定值以后，产生中断，通过Ｉ／Ｏ口控制Ｄ触发器复位，使与门截止同时结束计数。这时Ｑ端产生下降沿２０武汉理“［大学硕十学位论文跳变，单片机的外部中断ＩＮＴ０响应，在中端子程序中读出待测频率与标准频率的计数值，利用等精度测频公式ｆ＝珂州Ⅳ求出待测频率。４．１．３温度调理模块电路设计由振弦式传感器的工作原理可知，通常情况下，振弦的质量、长度、横截面积、体密度及弹性模量皆为常数。因此，弦长的增量与弦的固有频率存在确定的关系。但当周幽环境温度发生改变时，振弦的长度也会产生相应的变化，从而影响传感器输出值。因此，需用温度信号进行修Ｊ下。在振弦传感器激振线圈旁设置有能测量温度的热敏电阻，这样就能测出由于温度对振弦频率的影响，从而对测量误差提出修正。国际公认的振弦式传感器的数学模型为【３６Ｊ：Ｆ＝Ｇ（∥一ｆ。）＋Ｋ（ｒ。一髫）（４一１）式（４．１）中，Ｇ为振弦式传感器的线性系数，Ｋ为其温度系数，五为传感器初始频率，ｒｏ为传感器的初始温度，ｒ为环境温度。经过老化已达到稳定的传感器，认为Ｇ，Ｋ不变。式（４．３）的７个量中，前４个可由传感器供应商提供。因此只要在测频率的同时也测出传感器的温度，就能很方便地利用式（４．１）对其进行温度补偿。温度补偿原理足在传感器中封装一个热敏电阻，其温度与电阻的关系ｆ３４】在一定温度范围内为：Ｔ＝ｇ（Ｒ）一２７３．２（４—２）式（４—２）中ｒ表示温度；ｇ（ｅ）表示电阻Ｒ的函数关系式。所以，要测出温度，只要测量出热敏电阻的阻值即可。考虑到另一个待测量是频率，故测温的基本思想也是应把对电阻的测量转化成对频率的测量。在本系统中采用恒流源加在电阻两端，将其两端电压经过电压／频率变换电路。考虑到在实际应用中恒流源的非线性误差比较大，以及电压／频率变换器件ＬＭ３３１的输出频率与周围电路的电阻、电容等参数有关，而这些器件又在测温过程中容易发生温漂和时移。因此，本系统采用一种用比值采样原理测量电阻，很大地减少了测量中的一些非线性误差，提高了测量的精度。所谓比值采样ｆ３７１，就足在一次测量中采样某几个特定的点，找出它们之间的比值关系表示待测量，来代替采样某一个点，得到待测量的确定表达式，从武汉理Ｔ大学硕十学位论文而使电路参数的变化对被测值的影响降低到最小。图４．７为基于比值采样法的电阻测量原理图。恒流源电路—（二卜待测电阻—（二卜标准电阻信号切换电路电压信号电压频塞转换图４．７比值采样法测量电阻原理图温度调理模块分为三个部分：第一部分是恒流源电路部分，其目的是为了得到待测电阻上的电压；第二部分为信号切换电路部分，模拟开关依次把“地电位”、待测电阻、标准电阻上的电压通过同一通道阻抗隔离、差分放大后送入Ｕ／Ｆ转换电路部分。下面对恒流源电路和电压频率转换电路做详细的说明。（１）恒流源电路恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用运放构成的，也有用性能稳定的芯片构成的。本系统采用国家半导体公司的ＬＭ３３４芯片为核心来构成恒流源电路，根据以往的经验，这种方法构成的恒流电路的恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路如图４．８所示１３９１。２３４图４．８恒流源产生电路图４．８中，ｌ端、２端分别接入传感器的被测电阻，两端电压为被测电阻的电压；３端、４端电压为标准电阻的电压，二者经过信号切换电路，分别被转换成频率。（２）信号切换电路信号切换电路中的主要芯片采用国家半导体公司的ＣＤ４０５２。芯片ＣＤ４０２５２２武汉理Ｔ大学硕士学位论文为四选一模拟开关，通常工作电压为５Ｖ。信号切换电路的原理图如图４－９所示。ＣＤ４０５２ＶＤＤＶＳＳＸＹＶＳＳ—ＩＮ＋ＩＮＲＧ０＋ＮＣＯＵＴＶＣＣＲＧｌ＋５ｖ—ＧＮＤＧ：ＮＤＰｏ·ＰＯ·ＶＢＥＥＡＩＮＨＹ１ＸｌＹ０ＸＯＰｏ．１２３４Ｙ２Ｘ２Ｙ３Ｘ３ｒ＿Ｌ，Ｕ５０－５Ｋ图４－９信号切换电路原理图图４．９中的１、２脚与图４．８中的１、２脚相连，传输的是被测电阻两端的电压；３、４脚与图４．８中的３、４脚相连，’传输的是标准电阻两端的电压。通过与单片机Ｉ／Ｏ口相连的地址选通端Ｐ０．０、Ｐ０．１和ＰＯ．３控制，把这两个电压分时传输到电压／频率转换电路中，其中ＡＤ６２０的作用是把从ＣＤ４０５２输出的小信号放大，达到Ｕ／Ｆ转换芯片ＬＭ３３１的输入要求，经放大的信号从ＡＤ６２０的第６脚输出Ｖｉｎ作为Ｕ／Ｆ转换电路的输入信号。（３）电压／频率转换电路电压／频率转换电路主要使用芯片为ＬＭ３３１。ＬＭ３３１是一种精密的电压频率转换器，非常适用于用作模／数转换器。其外围电路简单、价格低、测量精度高、编程简单等优点，并且不易受环境温度的干扰，因而被广泛应用在各种工业控制领域【４０１。ＬＭ３３１是一利，简单廉价的集成电路，十分适于用作电压频率转换，其输出电压为频率精确的正比于输入电压的脉冲串，它具备电压转换计数的所有优点。它由１．９Ｖ基准电压、电流开关、比较器、双稳态多谐振荡器等构成。Ｕ／Ｆ转换电路图如图４．１０所利４¨。武汉理［火学硕士学位论文图４．１０Ｕ／Ｆ转换电路原理图图４．１０电路为精密电压／频率转换电路，它把送入的电压转换为频率（１０Ｈｚ～１０ｋＨｚ），被测电压由Ｖｉｎ输入，经Ｕ／Ｆ转换后从ＦｏＵＴ端输出。ＦＯＯＴ端输出的频率信号送到单片机的计数／定时端口，单片机对频率信号进行采集、处理、存储，从而实现模拟信号到数字信号的转换。Ｕ／Ｆ转换的输出频率为：南×焘ＯＵＴ＝Ｆｏ志×彘（４－３，’由式（４－３）可知，输出的频率与Ｒ５、Ｖｉｎ、Ｒ１２和Ｃ３有关，考虑到Ｖｉ。还与恒流源的大小和差动放大器的增益有关，它们也是影ｎ向测量精度的因素。在测量的温度范围内，要保证上述量的稳定基本上是不可能的，特别是电容的稳定性一般较差，恒流源的精度较低，运放的放大倍数在所测量的整个温度范围内要保持不变也是很难的。要消除这些参数的影响，可以采用比值采样法。由上面可知，因为Ｕ／Ｆ转换这种线性关系，输出频率与输入电压成正比关系。利用比值采样方法，分别采样待测电压（即加在传感器电阻尺，两端的电压）Ｕ。，此电压经过Ｕ／Ｆ转换后，由单片机测得频率为．疋，对应周期为Ｚ；采样精密电阻‰上的电压Ｕ，此电压经过Ｕ／Ｆ转换后，由单片机测得频率为石，对应周期为石；采样地电位∽，经过Ｕ／Ｆ转换后，由单片机测得频率为．厶，对应周期为正。根据Ｕ／Ｆ的线性关系知：２４武汉理．１：人学硕十学位论文旦＆：生些｛、一｛ｘ（４－４）｛、一人把ｔ、互、正代入式（４—４）中得ｕ，：丝互二竺！互＋墨互（竺２二坠２×一１（４．５）疋一五正一五Ｃ每次测量时，令Ｕ：＝０，而Ｕ。＝ｉｘＲ。，，其中ｉ为恒流源产生的电流，Ｒ。，为精密电阻。化简上式得驴Ｕ，ｘＲｒｓＩＸ粼（４－６）由上式知，被测电阻只与三次采样后经Ｕ／Ｆ转换的输出频率对应的周期有关，而与运放的增益、恒流源的大小以及电路中其他外围器件无关。这就在很大程度Ｅ避免了由于电．路器件对测量精度的影响，极大地提高了测量的精度。４．１．４通道选择模块设计通道选择模块主要负责把多路传感器的信号分时传输，以便微处理器进行处理。其主要由传感器接线端、继电器Ａ５Ｗ－Ｋ、８路模拟开关ＨＣＦ４０５１、继电器驱动器ＵＬＮ２００８以及抗雷管组成。其硬件电路图如图４．１ｌ所示。通道选择模块的设计思想为：把最多８路传感器分时测量，通过模拟开关以及继电器控制。图４．１１中，儿、Ｊ２、……Ｊ８表示接入传感器的接口，白线、绿线、红线、黑线表示接入传感器的信号线，最后以总线的形式接入到单片机测量电路。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４表示电路中防止干扰用的抗雷击管（八个通道接法相同）。下面对图中所用的器件说明如下：（１）振弦传感器本系统所使用的传感器为白、绿、红、黑四线接头，其中白线与绿线代表所测热敏电阻接线端，红线与黑线代表振弦的两端。（２）继电器Ａ５Ｗ－Ｋ继电器Ａ５Ｗ－Ｋ的主要参数为：Ｊ下常工作电压５Ｖ，开启电压３．７５Ｖ，释放电压Ｏ．５Ｖ，线圈间电阻约１７８ｎ，最大功耗１４０ｍＷ。继电器Ａ５Ｗ－Ｋ工作原理相当于由电压控制的一单刀双掷开关，当线圈两端所加电压大于它的丌启电压时，开关切换；当所加电压小于释放电压时，丌关保持原来不上电状态。２５武汉理１：大学硕＋学位论文．继电器驱动自线绿线红线黑线图４．１１通道选择模块硬件结构图（３）八通道模拟开关ＨＣＦ４０５１芯片ＨＣＦ４０５１是通过三个地址选通端Ａ、Ｂ、Ｃ来控制选择通道，类似于一个三线八线译码器，在某一时刻把输入端从某一路输出（双向导通），此时这路通道开关相当于处于闭合状态。它的工作电压范围为３～１５Ｖ，通常工作电压为５Ｖ。（４）继电器驱动芯片ＵＬＮ２００８ＵＬＮ２００８内部结构为高电压大电流达林顿阵列，专门用来驱动继电器。它的输出端允许通过的电流为５００ｍＡ，饱和压降约１Ｖ左右，耐压约为３６Ｖ。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。它采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器等外接控制器件。武汉理Ｔ大学硕十学位论文４．１．５电源模块电路设计本系统专门设计了电源模块，可将市电２２０Ｖ经变压器变换为１５Ｖ再经三端稳压器转换成５Ｖ。电源入口处串接自恢复保险丝和一个防止电源反接的二极管对电源起短路保护。同时还并联一个瞬态二级抑制管对电源起过压保护作用。用ＬＣ组成的交流低通滤波器，有效的抑制了高频干扰。共模线圈可有效抑制电网中共模信号的干扰。为保证在无市电的情况下仍能连续工作７天，配有５０００ｍＡＨ的充电电池。当有市电的情况下，对蓄电池进行充电。一旦系统断电，蓄电池投入工作，确保系统连续工作。电源结构如图４．１２所示。图４一１２电源结构原理图４．１．６复位模块电路设计因为数据采集子系统可能由于某些异常原因，会导致程序发生死循环或者程序跑飞，所以需要设计复位电路来防止这种情况的发生。如图４．１３为数据采集子系统的复位电路图。Ｕ１３ＶＣＣＶＣＣ图４．１３数据采集子系统复位电路２７武汉理－Ｌ大学硕士学位论文图４．１３中采用看门狗芯片ＤＳｌ２３ｌ，上电后，ＡＴ８９Ｃ５５即可复位，同时还可以通过手动开关强制复位：软件复位主要是由看门狗（ＤＳｌ２３２）进行控制，ＡＴ８９Ｃ５５的Ｐ１．５脚输出脉冲，由ＤＳｌ２３２计数检测，当软件运行出现死循环时，看门狗发送复位信号，ＲＳＴ输出的是高电平复位信号，供给单片机ＡＴ８９Ｃ５５的复位端从而可以保证软件的ＩｌｉＯＮ运行，这样设计便于调试和处理整体运行时出现的问题。４．２远程传输子系统本桥梁监测系统中由于采集的是桥梁的各种应力数据，并且这些应力数据关系到桥梁运行的安全和整个桥梁整体结构受力状态的合理与否，所以对数据传输的稳定性和正确性要求很高。ＰＣ机串行口为标准的ＲＳ．２３２口，根据标准规定：ＲＳ．２３２采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于２０ｍ以内的通信。而对于大多数分布式控制系统，通信距离为几十米到几千米不等，因此，ＲＳ．２３２接口不能满足系统的要求，目前广泛采用的是ＲＳ。４８５总线１４２｜。ＲＳ．４８５总线可抑制共模干扰，数据可靠性高，硬件设计简单，控制方便，成本较低，具有比较好的稳定性，能满足实时数据采集系统的要求，并且ＲＳ．４８５总线能够传输最远１２００多米，能满足现在大跨度桥梁的现场控制传输距离要求，故设计中采用ＲＳ．４８５总线进行数据传输。而如何有效可靠地实现ＲＳ．２３２与ＲＳ．４８５之｜’日Ｊ的转换足系统通信实现的前提。如图４．１４为系统的远程传输子系统网络结构图。图４．１４远程传输子系统的网络结构图４．２．１ＲＳ一４８５在本系统中的处理办法ＲＳ．４８５数据信号采用差分传输方式，它使用一对双绞线，将其中一线定义２８武汉理工大学硕十学位论文为Ａ，另一线定义为Ｂ，如图４．１５所示。在通常情况下，发送驱动器Ａ、Ｂ之间的正电平在＋２￣＋６Ｖ，是一个逻辑状态，负电平在…２６Ｖ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地Ｃ。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“１”与“０”的第三态。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一６ＶＴＸＤ－，－２Ｖ０Ｖ－２Ｖ－６Ｖ图４—１５ＲＳ一４８５的传输特性ＲＳ．４８５可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用ＲＳ．４８５串行总线标准。ＲＳ．４８５采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有灵敏度高，能检测低至２００ｍＶ的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。ＲＳ．４８５采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。ＲＳ．４８５需要两个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般３００米以下不需终接电阻。在布置传输网络时，采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。另外在ＲＳ．４８５传输总线中如果遇到阻抗的不连续点就会引起信号的反射造成信号的失真，所以在本系统的应用中严格规定不能使用不同电缆，另外各个数据变送器之间要保持一定的间距。ＲＳ。４８５标准规定了接收器门限为±２００ｍＶ，这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力。但由于笫三态的存在，主机在发送完一个信息数据后将总线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使ＡＢ之间的电压在．２００￣＋２００ｍＶ直至趋于０Ｖ，这带来了一个问题：接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为０Ｖ，网络中从机将把其解释为一个新的启动位，并试图读取武汉理下大学硕士学位论文后续字节，由于永远不会有停止位，产生一个帧错误结果，不再有设备请求总线，网络处于瘫痪状态。除上面所述的总线空闲会造成两线电压差低于２００ｍＶ的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。由于本设计中采用的驱动接口芯片是ＭＡＸｌ４８７芯片，所以采取的措施是在软件上进行调整，在Ｊ下常的数据通信之前，由主机预先将总线驱动设为大于＋２００ｍＶ，并保持一段时间，使所有的接收器产生高电平输出，这样，在发出有效数据时，所有接收器能够『Ｆ确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。发送驱动器输出信号中共模部分需要一个返回通路，如果没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。由于上述原因，ＲＳ．４８５尽管采用差分平衡传输方式，但对整个ＲＳ．４８５网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模电压被短路。这条信号地可以使额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。本设计中是用屏蔽双绞线的屏蔽层连接模拟地来实现的。４．２．２ＲＳ．４８５总线接口部分设计（１）上位机端ＲＳ．４８５总线接口由于监控中心现用的工控ＰＣ机大多都只直接提供ＲＳ．２３２接口，所以为了实现ＲＳ．４８５总线与监控系统的接口，在硬件上，需要设计一个符合ＲＳ．２３２通讯标准的驱动电路来实现与ＰＣ机的接口。如图４．１６为ＲＳ．２３２与ＲＳ．４８５串行接口转换电路图。此电路中，与ＰＣ机接口的芯片为ＭＡＸ２３２。ＭＡＸ２３２功耗低，集成度高，且芯片内部具有升压电路和极性转换电路，在单５Ｖ供电条件下，即可实现ＴＴＬ电平与ＲＳ．２３２电平的相互转换，还省去了１２Ｖ电源。此电路中电源ＶＣＣ由计算机串口提供，当ＲＳ．２３２串口７脚电压升高时，通过二极管Ｃ５迅速充电，稳压管Ｗｌ用于使电压范围稳定在５Ｖ左右。ＲＳ．４８５接口芯片很多，它们可以很方便地实现ＲＳ．４８５串行通讯接口，这些芯片除了一些附加功能不一样外，其主要的收发功能和电路构成基本一致，本方案选用了性能较好的接口芯片ＭＡＸ４８５。ＭＡＸ４８５为８个管脚，１脚Ｒ０为数据接收端；２脚ＲＥ为数据接收允许端，低电平有效：３脚ＤＥ为数据发送允许端，高电平有效；４脚ＤＩ为数据发送端；６、７脚为电流环回路端。ＭＡＸ４８５３０武汉理．【＝人学硕士学位论文把一个三态差分线路驱动器和一个差分线路接收器组合在一起，并共用Ａ、Ｂ两根总线。它的传输方向由ＤＥ和ＲＥ所控制，当ＤＥ＝Ｉ时，驱动器优先，可进行数据发送，此时接收器呈高阻状态；而当ＲＥ＝０时，接收器优先，可进行数据接收，此时驱动器呈高阻状态。幽４—１６ＲＳ一２３２与ＲＳ一４８５串行接口转换电路图（２）数据采集单元端ＲＳ．４８５总线接口由于在使用ＲＳ一４８５总线进行远程传输数据时，如果简单地按照常规方式设计电路，那么在实际工程中可能存在以下两个问题：一足通信数据收发不可靠；二是在多机通信方式下，一个节点的故障（如死机）往往会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给故障的排查带来困难。针对上述问题，对ＲＳ．４８５总线接口的硬件设计采取了有效的改进措施，大大提高了联网系统的可靠性和稳定性。具体的转换电路图如图４．１７所示。在该设计中，使用了ＴＩ公司生产的一种ＲＳ．４８５接口芯片７５ＬＢＣｌ８４，它使用单一电源Ｖｃｃ，电压在＋３～＋５．５Ｖ范围内都能正常工作，能完成ＴＴＬ与ＲＳ．４８５之问的转换。该芯片与普通的ＲＳ．４８５收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内Ａ、Ｂ引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，可以承受峰值为４００Ｗ武汉理ｊ【大学硕十学位论文图４－１７Ｒ－４８５总线接口电路（典型值）的过压瞬变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有丌路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为ＲＳ．４８５标准输入阻抗的２倍（＞２４ＫＱ），故可以在总线上连接６４个收发器。在该设计中，经过单片机处理的信号，经过７５ＬＢＣｌ８４与外围电路形成的ＲＳ．４８５总线接口电路，然后传到远方的ＰＣ机进行实时监控。由于桥梁应力监测系统中主机与数据采集单元相隔较远，通信线路的总长度往往超过１０００ｍ，而数据采集单元上电或复位又常常不在同一个时刻完成。如果此时某个７５ＬＢＣＩ８４的ＤＥ端电位为１，那么它的４８５总线输出将处于发送状态，也就足占用了通信总线，这样其他数据采集单元就无法与主机进行通信。这种情况尤其表现在某个数据采集单元出现异常情况（如死机）下，会使整个系统通信崩溃。因此在电路设计时，应保证系统复位时７５ＬＢＣｌ８４的ＤＥ端电位为０。由于８９Ｃ５５在复位期间，Ｉ／Ｏ口输出高电平，故图４．１７中的接法可有效地解决复位期间数据采集单元“咬”总线的问题。在桥梁监测系统中，要对现场情况进行实时监控及响应，因此通信数据的波特率往往做得较高（本系统中控制器与上位机之问的通信速率在９６００ｂｐｓ）。限制通信波特率提高的“瓶颈”并不是现场的导线（现场施工一般使用非屏蔽的双绞线），而是单片机系统进行信号隔离的光耦电路。此处采用ＴＩＬｌｌ７，电路３２武汉理。１二大学硕十学位论文设计中可以考虑采用高速光耦，如６Ｎ１３７、６Ｎ１３６等芯片；也可以优化普通光耦电路参数的设计，使之工作在最佳状态。例如：电阻Ｒ２、Ｒ３如果选取得较大，则会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如果选取得过小，则退出饱和会很慢。所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻值略有差异，在电路设计中应特别慎重，通常需要通过实验确定。考虑到线路的特殊情况（例如某台数据采集单元的４８５芯片被击穿短路），为防止总线中其他节点单元的通信受到影响，在７５ＬＢＣｌ８４的４８５信号输出端串联了两个２０Ｑ的电阻Ｒｌ１和Ｒ１２。这样本数据采集单元的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。４．３本章小节本章应用单片机技术，开发研制了振弦式传感器智能测量控制单元ＭＣＵ，实现了测量系统的硬件平台，该平台可用于输出信号频率在４００～４５００Ｈｚ的各种振弦式传感器数掘采集、显示和与上位机通讯。此硬件系统还设计温度凋理电路，通过比值采样测温并利用软件对温度进行补偿。本章设计了一种不同于传统电路的串行通信电路，对ＲＳ．４８５总线接口的硬件设计采取了有效的改进措施，大大提高了联网系统的可靠性和稳定性。武汉理１：大学硕十学位论文第５章系统软件设计上一章主要介绍了监测系统的硬件部分，它为监测系统提供了必要的物理环境，但是系统的功能主要取决于系统软件的设计。为了实现系统功能，系统程序设计采用结构化程序设计方法，这样设计出的子程序不但其本身具有模块特性、单入口、单出口，而且其内部也是由若干子模块组成，易于软件调试和维护。整个系统软件设计包括三个部分：上位机软件设计、下位机软件设计以及上位机与下位机通讯程序设计。下位机软件部分完成的主要功能是接收上位机的控制命令，通过判断命令控制字控制执行对象进行数据的采集与预处理，具体讲就是依靠单片机解决测量通道的选择、输出激振方波、测量输出波形频率、串口通讯等功能；上位机完成数据显示、存储和控制等。系统软件功能结构如图５。ｌ所示。图５．１系统软件功能结构图３４武汉理下大学硕十学位论文５．１上位机软件上位机软件选用目前做系统界面常用的编程软件工具Ｄｅｌｐｈｉ７来完成。其工作过程是上位机发送需呼叫的从机的地址，等待接收从机的应答信号，下位机采集完规定采集次数后，向上位机请求上传数据，上位机收到请求报文后，发送同意上传数据报文，下位机收到同意上传数据报文后，向上位机上传数据报文，上位机收到数据报文后，向下位机发送数据传输完毕确认报文。图５．２为上位机程序流程图。图５－２上位机程序流程图上位机软件的功能分为六大模块：（１）采集参数设置模块：由系统管理员对测点、数据采集站、传感器以及武汉理丁大学硕＋学位论文采集方式进行设置，并将设置后的信息保存于参数数据库中。其中采集方式支持手动和自动两种设置方式。（２）采集与通信模块：按照参数数据库中的设置完成与ＲＳ．４８５总线上各个数据采集站的通信功能。将采集的原始数据按照传感器的对应公式换算成具体意义的数据显示到上位机面板上，进而存入测值数据库以备后续处理。（３）测值数据库管理模块：完成测值数据的条件查询、修改更新功能。（４）历史曲线绘制模块：完成对各个测点的历史过程曲线的绘制和显示。其数据来源为测值数据库中的数据。（５）对比曲线绘制模块：将实时采集的一组数据与固定时期内的历史数据绘制在一张表上进行对比，对不合理的数据提出警报。（６）报表生成模块：完成测值的报表形成和输出。５．２下位机软件５．２．１单片机主程序下位机软件的主要部分是测量子程序的设计，测量子程序要完成的任务是测出振弦的固有频率和测出传感器所在位置的温度。系统是以ＡＴ８９Ｃ５５为核心进行频率、温度的测量。软件根据不同的测量功能，调用相应的功能模块子程序，完成数据的测量、数据的处理以及数据的传输功能。单片机在初始化后，首先进行各功能部件的初始化，主要包括ＣＰＵ等芯片进行模式和初始状态的设置，即对中断的初始化、串口的初始化、数据存储器等的初始化。单片机主程序完成的功能就是激励振弦、采集数据、存储数据及与上位机通讯，通过判断工作方式控制字完成相应的功能。图５．３为单片机的主程序流程图。如图５．３可知，单片机的核心任务就是完成振弦传感器的激振、拾振以及测温工作，通过判断工作方式命令字来调用相应的功能子程序，下一节我们将分析单片机这三个功能子程序的设计流程。３６武汉理１：大学硕士学位论文开始０系统初始化ｌ激振一ｉ通道选择一州拾振测温数据处理与传输』结束图５．３单片机土程序流程图５．２．２单片机子程序（１）激振子程序在以前的设计中我们是用一个固定的频率去激励振弦，但由于振弦传感器的固有频率是变化的，如果我们用固定的频率激励振弦就不能使振弦达到共振。这样测出的振弦传感器的输出频率就会有很大的误差。所以在本设计中，我们采用变化的频率去激励振弦式传感器的振弦，直到达到振弦传感器的固有频率为止，也就是扫频技术。它与传统的激振方法相比，具有激振可靠、激振频率可控、信号灵敏度高等优点。微机系统产生一个频率可变的信号是比较容易实现的。如用ＡＴ８９Ｃ５５单片机实现扫频程序，充分利用微机系统的内部资源定时／计数器的功能。由Ｉ／Ｏ口输出频率可变的信号。定时计数器工作在定时方式，定时的时间由扫频的某一频率决定，在定时器中断程序中改变Ｉ／Ｏ口的状态，从而Ｉ／Ｏ口得到脉冲信号。这一脉冲信号去激励振弦传感器。设扫频的频率上限为ｆｍ“，下限为氏。ｎ，且扫频的两相邻频率增量为△手，３７武汉理Ｔ大学硕十学位论文由这几个参数决定的扫频程序框图如图５．４所示。图５－４扫频激振科序流程图（２）拾振子程序由于振弦的频率范围为４００～４５００Ｈｚ，此频率信号的稳定时间是有限的，必须在稳定频率信号衰减到不至于影ｎ向测频前完成测量任务，因而，如前面所说，本文采用等精度测频的方法实现频率的拾取。为了避免激振频率的影响，我们在激振频率激励振弦１００ｍｓ后，我们对振弦的输出信号进行采集。将检测电路的输出髭ｕ。送单片机的Ｔ０，利用单片机的Ｔ０、Ｔｌ定时／计时功能，对输出信号进行计数，测量挽ｕｃ。等精度方法测频程序流程图如图５—５所示。３８武汉理工大学硕十学位论文开始上初始化审Ｉ选通并测最热ｌ敏电阻电路Ｊ，Ｉ选通并测最标ｌ准电阻电路上查表上显示结果土结束图５．５等精度法测频程序流科图图５－６测温程序流程图（３）测温子程序由上一章内容可知，本文对振弦传感器温度的测量采用的是比值采样法。在被测信号不变的情况下，由于输入通道各部分的不稳定性，采用常规的直接采样法常造成采样值的变化，从而产生测量误差。用比值采样法能够消除这些可变因素的影响，从而提高仪表测量精度。因为本文采用了Ｕ／Ｆ转换电路，并利用多路模拟转换开关的切换，所以只要对热敏电阻和标准电阻两条不同的通道分别进行测量，然后对两路测值进行比较获得热敏电阻的阻值，从而得到待求的温度。比值采样法测温程序流程图如图５－６所示。３９武汉理１＝大学硕十学位论文５．３上位机与下位机通讯软件设计本系统是由一台ＰＣ机与多个以单片机为核心构成的数据采集单元组成的测量系统。以单片机ＡＴ８９Ｃ５５为核心的测量单元（从机）既能接收来自ＰＣ（主机）发送的各种控制命令完成数据采集，并显示采集结果等任务，又可将数据传送给ＰＣ机。这些功能主要由上位机与下位机的通讯软件来实现。系统采用的是总线型主从式多机系统。上位机与下位机的通讯程序主要通过判断ＰＣ机传送的功能控制字，完成数据的接收和发送。根据８９Ｃ５５单片机的多机通信能力，上位机与下位机通讯可以按照以下协议进行１４３１。（１）首先使所有的从机的ＳＭ２位置ｌ，处于只接收地址帧的状态。（２）主机先发送一帧地址信息。其中前８位为地址，第９位为地址／数据信息的标志位。该位置１表示该帧为地址信息。（３）从机接收到地址帧后，各自将接收的地址与本从机的地址比较。对于地址相符的那个从机，使ＳＭ２为清零，以接收主机随后发来的所有信息；对于地址不符的从机，仍保持ＳＭ２＝１，对主机随后发来的数据不予理睬，直至发送新的地址帧。（４）当从机发送数据结束后，发送一帧校验和，并置第９位（ＴＢ８）为１，作为从机数据传送结束标志。（５）主机接收数据时先判断数据结束标志（ＲＢ８），若ＲＢ８＝Ｉ，则表示数据传送结束，并比较此帧校验和。若校验和正确，则回送正确信号００Ｈ，此信号令该从机复位（即重新等待地址帧）：若校验和出错，则发送０ＦＦＨ，令该从机重发数据。若接收帧的ＲＢ８＝０，则原数据到缓冲区，并准备接收下帧信息。（６）若主机向从机发送数据，则从机在比较地址相符后，从机令ＳＭ２＝０；同时把本站地址发回主机，作为应答之后才能收到主机发送来的数据。其他从机继续监听地址（ＳＭ２＝Ｉ），无法收到数据。（７）主机收到从机的应答地址之后，确认地址是否相等。如果地址不符，则发复位信号（数据帧中ＴＢ８＝Ｉ）；如果地址相符，则清ＴＢ８，开始发送数据。（８）从机收到复位命令后回到监听地址状态（ＳＭ２＝Ｉ），否则开始接收数据和命令。设主机发送的地址联络信号００Ｈ，０ｌＨ，０２Ｈ为从机设备地址，地址ＦＦＨ是命令各从机恢复ＳＭ２为１的状态即复位。下面是主机的命令编码。ＯｌＨ：请求从机接收主机的数据命令；０２Ｈ：请求从机向主机发送数据命令；４０武汉理Ｉ：人学硕十学位论文其他都按从机向主机发送数据命令０２Ｈ对待。从机的状态字节格式为：ＲＲＤＹ＝Ｉ：从机准备好接收主机的数据：ＴＲＤＹ＝Ｉ：从机准备好向主机发送数据；ＥＲＲ＝Ｉ：从机接收到的命令是非法的。通常从机以中断方式与主机进行通信。从机中断服务程序的流程图如图５．７所示。图５．７从机中断程序流程图４１武汉理Ｊ．：人学硕士学位论文５．４本章小节本章设计了系统软件部分，采用结构模块化编程思想编制软件，使得软件整体结构清晰；采用Ｃ５１编制软件，使得软件易于维护、扩充和移植性强。此系统软件包括下位机软件设计和上位机与下位机通信软件设计。下位机软件部分主要是依靠单片机解决数据采样、数据存储和数据传输等功能。本设计采用的软件扫频激振技术与传统采用固定频率去激振线圈相比有很多优点。扫频激振技术具有激振可靠、激振频率可控、信号灵敏度高等优点。４２武汉理Ｉ：人学硕士学位论文第６章总结与展望６．１工作总结本文针对传统桥梁监测手段的缺点与不足，以振弦式传感器为数据采集单元，设计了一种适用于桥梁应力监测需要的振弦式传感器监测系统。该系统具有高可靠性、高精度、适应性强、低成本、扩展方便等诸多优点。任何科研活动必须建立在对基础理论的深刻理解之上。对于应力监测系统来说，就是要解决要测量什么、如何测量、测量结果如何保存、可靠传输、正确处理的问题。基于此，本文主要做了如下的工作：（１）对振弦传感器的工作原理进行了深入研究，随后分析了振弦传感器的温度特性，分析了温度变化对系统的影响，从而采取温度补偿技术来完善整个系统。通过比较选择了单线圈型振弦传感器这种精度高、性能稳定、经济性好的振弦传感器。（２）研究了振弦式传感器的激振方法。采用了一利－把扫频激振技术应用于传感器的激振方法，该方法具有硬件电路简单，软件设计也较容易，并且起振可靠，完全具有工程适用价值。（３）研究了微弱电信号频率的拾取方法。对振弦被起振后产生的微弱电动势，采用ＬＭ３２４组成的有源低通滤波电路和采用迟滞比较器的信号整形电路进行波形变换，输出相对稳定的方波，以便单片机测量。（４）由于振弦式传感器的测量精度容易受到环境温度方面的影响，设计了一种基于比值采样的电阻测量方法。利用该方法可以对传感器的频率、电压进行补偿，提高系统的测量精度。（５）设计了完善的系统通讯接口，上位机与下位机通过ＲＳ．４８５总线串行实现数据的远程传输，抗干扰能力强。（６）采用结构模块化编程思想编制软件，使得软件整体结构清晰；采用Ｃ５ｌ编制软件，使得软件易于维护、扩充和移植性强；人机交互界面友好，显示信息直观，用户操作简单。４３武汉理ｔ大学硕士学位论文６．２问题与展望桥梁结构健康监测有着广阔的研究前景和重大的现实价值，围绕它开展的各项研究必将推动这项技术的极大进步。结合本文研究所取得的进展和存在的不足，后续的研究工作还需要作很多必要的补充和完善：（１）分辨率和精度的提高随着更为先进的数据采集前端和处理器技术的发展与应用，运用更好的信号处理手段，进一步完善硬件各项处理功能，提高分辨率和精度。（２）远程传输Ｉｎｔｅｍｅｔ的实现网络技术尤其是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的飞速发展给远程数据传输提供了方便的途径，它不受距离的限制，几乎可以到达任何地方，这就为实现大范围的集中监测创造了条件。随着网络的速度和可靠性的进一步提高，可以利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络连接桥梁现场和远程监测中心，将采集到的数据在服务器进行编码、打包后通过网络实时传递给远程监测中心。利用系统分析等方法，给出桥梁的运行状况报告，并以图形方式直观的显示出相关参数的变化。（３）ｕＣ／ＯＳ．ＩＩ的引入引入ｕＣ／ＯＳ．ＩＩ操作系统对各模块软件进行管理和调用，使得软件编写更加条理，软件模块移植更加方便。武汉理工大学硕士学位论文参考文献［１】吴明．火跨桥梁监测技术浅析．工程建设与设计，２００８，５３（８）：５３～５５［２】侯林平．现行桥梁检测与加吲的反思［Ｊ】．交通科技，２００７，２２０（１）：４。５［３】ＳｈａｏＳ，ＹｏｓｈｉｓａｄａＭ．Ａｐｐｒｏａｃｈｔｏｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌａｒｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９９９，１４（６）：４４－４６ＥＧｒｅｉｍａｎｎ．Ｈｅａｌｔｈｍｏｎｔｏｒｉｎｇｏｆｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［４】ＢｒｅｎｔＭ．Ｐｈａｒｅｓ，ＴｅｒｒｙＪ．Ｗｉｐｆ，Ｌｏｗｅｌｌａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｕｓｉｎｇｓｍａｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇ：Ｖｏｌｕｍｅｌｃｅｎｔｅｒｆｏｒｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｉｏｗａｓｔａｔｅｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００５，１（６）：３５－－－３８［５】胡顺仁，陈伟民，章鹏．桥梁监测系统多传感器测点之问的并联分析．土木工程学报，２００９，４２（３）：８１－８６【６】张宇峰，徐宏，倪一消．大跨桥梁结构健康监测及安全评价系统研究与应用进展．公路，２００４，５（５）：２４～２６［７１吴卿，侯建军．基于ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ的振弦式传感器测频系统的设计与应用［Ｊ】．北京交通大学学报，２００６，３０（５）：９２～９５［８１ＭａｒｋＴｒｏｄｄｅｎ．ＭｅｔｈｏｄｓｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ［Ｍ］．Ａｍｅｒｉｃａ：ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓＣａｓｅＷｅｓｔｅｒｎＲｅｓｅｒｖｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２３，２００４（３）：６—７［９】李颖，张廉，唐颖栋．桥梁结构无损检测与评估研究进展．中外公路，２００９，２９（１）：１４７～１５２［１Ｏ】Ｊ．Ｌ．ＢＯＲＤＥＳ，Ｐ．Ｊ．Ｄｅｂｒｅｕｉｌｌｅ．Ｓｏｍｅｆａｃｔｓａｂｏｕｔｌｏｎｇｔｅｒｍｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＲｅｃｏｒｄ，１９９５，１２０（１０４）：２０～２５【１１】吕国芳，李尔明，刘希涛．振弦式传感器扫频激振技术［Ｊ】．自动化与仪表，２００６，２４（３）：７９～８ｌ【１２】白泰礼，何羚，－于彩云．基丁．振弦式传感器的多功能智能检测仪【Ｊ】．传感器技术，２００４。２３（３）：６０－－６２［１３１邓铁六，于凤，邓伟．大量程自激振弦式传感器及相关技术［Ｊ】．传感器技术，２００１，２０（９）：４１，－－４３［１４】ＺａｒｏｍｂＳ，ＳｔｅｔｔｅｒａｎＪ．ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｒｒａｙｏｆｂａｓｉｓｆｏｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｖｅｒａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆａｉｒｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓｕｓｉｎｇａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，１ｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｉｎｇｐａｒｔｌｙｌａｐｐｉｎｇｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ９８４，２４（６）：２２５－－－２４３【１５】李惠，周文松，欧进萍等．人型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究．十木Ｔ科学报，２００６，３９（２）：４６～５２４５武汉理！Ｉ：大学硕士学位论文【１６】周文松，李惠，欧进萍等．大型桥梁健康监测系统的数据采集予系统设计方法【Ｊ】．公路交通科技，２００６，２４（３）：８３～８４．［１７】尹福炎．电阻应变计的由来、发展及展望．传感器世界，１９９８，２４（８）：２７～３２［１８】张心斌，纪强，张莉．振弦式应变传感器特性研究［Ｊ】．传感器１廿界，２００３，２４（８）：１９￣２１【１９】苏弧，孙以材，李国玉．压力传感器热零点漂移补偿各种计算方法的比较【Ｊ】．传感技术学报，２００４，９（３）：３７５～３７８【２０】竺长安，张屹，李肚ｔ－＊Ｕ．振弦式传感器非线性补偿设计［Ｊ】．传感器技术，２００１，２０（１１）：２４－２６【２１】Ｅ．Ａｎｄｅｒｓｅｎ，Ｙ．Ｐｅｄｅｒｓｅｎ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅＧｒｅａｔＢｅｌｔＥａｓｔＢｒｉｄｇｅ．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＴｈｉｒｄＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＳｔｒａｉｔＣｒｏｓｓｉｎｇ．Ｒｏｔｒｅｒｄａｍ：Ｂａｌｋｅｍａ，１９９４，２０（２）：５４－－６２【２２】邓铁六，白泰礼等．单线圈电流型振弦式传感器．传感器技术，２０００，１９（４）：２２～２５【２３】涂明．基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统开发．西安：两安理－Ｔ．大学学位论文，２００４．３【２４】毛良明．振弦式传感器在桥梁安全监测系统中的应用．技术与应用，２００１（６）：３０～３２［２５】李东明．基丁．振弦式传感器的智能水位计的研究与开发【Ｄ】．南京：河海大学硕士学位论文，２００６－３【２６］高占风，杜彦良，苏水标．桥梁振动状态远程监测系统研究．北京交通大学学报，２００７。３ｌ（４）：４５～４８【２７】张连振，李惠．桥梁健康监测系统概念设计．辽宁工程技术大学学报，２００８，２７（６）：８６９－８７１【２８】Ｙ．Ｊ．Ｒａｏ．ＲｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ．ＯｐｔｉｃｓａｎｄＬａｓｅｒｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１９９９，３１（２）：２９７～３２４［２９】张卫刚．振弦式传感器测频系统的设计【Ｊ】．传感器技术。２００３，２２（７）：２８～３２［３０】Ｃａｐｅｎｔｅｒ，Ｌ．Ｒ．ＡｕｔｏｍａｔｅｄＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＢｅｈａｖｉｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｆｏｒｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎＣｏｎｃｒｅｔｅＤａｍｓ，ＦｏｕｒｔｈＡｎｎｕａｌＵＳＣＯＬＤＬｅｃｔｕｒｅ，Ｐｈｏｃｎｉｘ，Ａｒｉｚｏｎａ，１９８４【３ｌ】江修．基于扫频激振技术的单线圈振弦式传感器【Ｊ】－传感器技术，２００１，２０（５）：２２～２４【３２】江修，经Ⅱ枝，张焕春．用等精度测频方法实现振弦式传感器频率测量［Ｊ】．传感器技术，２００１，２０（６）：５３～５５［３３】王瑞玲．电阻应变式传感器线损补偿电路设计［Ｊ】．声学与电子工程，２００３，７２（４）：３０～３２［３４】童诗白，华成英．模拟电子技术基础［Ｍ】．北京：高等教育出版社，２０００【３５】何书森．实片ｊ数字电路原理与设计【Ｍ】．福建：福建科学技术出版社，２００２【３６】郑凌蔚，宁康红。吴晨曦．一种基１：振弦式传感器温度补偿新方法及其实现［Ｊ】．杭州电子科技大学学报，２００６，２５（６）：７５～７８４６武汉理ｊ［火学硕＋学位论文【３７】Ｔ．Ｒｏｅｓｓｉｇ，ｅｔａｌ．Ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｒｅｓｏｎａｎｔａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｎｉｎｔｈ—ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｉｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ．１９９７，８５９－８６２【３８】ＰｅｔｅｒＥｎｏｋｓｓｏｎ，ＧｏｒａｎＳｔｅｍｍｅ，ＥｒｉｋＳｔｅｍｍｅ．Ｆｌｕｉｄｄｅｎｓｉｔｙｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ．１９９５．Ａ４６～４７：３２７～３３１［３９】ＢｉｅｎｓｔｍａｎＪ，ＶａｎｄｅｗａｌｌｅＪ，ＰｕｅｒｓＲ．Ｔｈｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｉｍｐａｃｔｒｅｓｏｎａｎｔ：ａｎｅｗｏｐｅｒａｔｉｎｇａｐｒｉｎｃｉｐｌｅｆｏｒｓｉｌｉｃｏｎｒｅｓｏｎａｎｔｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ，１９９８，２４（１０）：４０－４９【４０】ＥｌｗｅｎｓｐｏｅｋＭ，ＷｉｅｇｅｒｉｎｋＲ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ２４（１１）：２４５～２５７【４１】ＭａｓａｙｏｓｈｉＭｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓ［Ｍ］．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００１，Ｅｓａｓｈｉ．ＲｅｓｏｎａｎｔＳｅｎｓｏｒｓｂｙＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ【Ｃ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＡｎｎｕａｌＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｉ９９６，２４（１２）：６０９－６Ｉ４［４２］ＷｅｌｈａｍＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒＪ，ＧａｒｄｎｅｒＪｕｌｉｎＷ，ＧｒｅｅｎｗｏｏｄＪｏｈｎ．ＡＬａｔｅｒａｌｌｙＤｒｉｖｅｎＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＲｅｓｏｎａｎｔＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，１９９６，５２（２３）：８６－９１【４３】马忠梅，籍顺心，张凯等．单片机的Ｃ语言应用程序设计．北京：北京航空航天大学出版社，２００３，１１（６）：２３７－２４５４７武汉理．Ｌ人学硕十学位论文致谢本论文是在廖传书教授的悉心指导下完成的，它承载着恩师对我的学术指导和启迪，同样也凝聚了恩师的心血和学术思想。这三年以来，恩师不仅在学业上对我严格要求、精心指导，在生活上也给了我很大的关心和帮助，让我有了一个优越的学习环境。在学习和科研工作中，恩师一直鼓励我要注重知识的治学态度、精深的学术造诣、实事求是的学术作风、宽广的胸襟气魄和和蔼友善的为人给我留下了深刻的印象，这些都将成为我一生的学习榜样，使我受益感谢我的师兄孙旦均、杨亚克、黄道斌，另外感谢实验室所有一起学习的的研究生生活过得更加充实。感谢我的父母和家人，正是他们不辞劳苦地工作，困难的信心和勇气。我将用行动来报答他们无私的付出！感谢所有关心和帮助最后衷心感嘞在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、教授１４．８积累、理论和方法的总结，要广泛关注各相关领域的理论发展动态，使我能建立一套比较完整的学术研究方法，并使论文的工作得以Ｊｌ顶禾ｌＪ丌展。恩师严谨的终身！在此，我以诚挚的心情向廖老师表示衷心的感谢和深深敬意！在此期间，我还得到了黄涛老师和卢珞先老师在学习和生活上的热情关心和帮助，在此表示我深深的谢意和衷心的祝福！付泰、张培、熊磊、易波、李强和黄波来。他们在生活和学习上给了我许多的关心和帮助，让我度过了快乐的研究生生活。感谢班级体的同学们，他们让我才使我的研究生生活有了经济的保障，同时他们慈祥的爱护让我有了克服所有过我的朋友、同学和老师！武汉理ｔ人学硕十学位论文攻读硕士学位期间发表的论文［１】韩涛，廖传书．一种基于振弦传感器的桥梁应力监测系统的实现．北京：中国科技论文在线．２００９．３．１８．论文编号：２００９０３－６５４．４９基于振弦传感器的桥梁应力监测系统设计

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学位授予单位：被引用次数：

韩涛

武汉理工大学1次

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引用本文格式：韩涛 基于振弦传感器的桥梁应力监测系统设计[学位论文]硕士 2009