无线双核应变应力测量装置

陈得民 / 北京必创科技股份有限公司



无线双核应变应力测量装置

陈得民 / 北京必创科技股份有限公司

摘要设计了一种无线双核应力测试装置，从硬件技术上解决了无线网络的同步性问题。设备主要有三部分组成：测量电路，数据处理单元和无线射频单元。无线射频单元采用独立的数据处理模块，和外部的数据处理模块构成一个双核系统。在进行同步数据采集时，直接由射频单元内的时钟发送脉冲信号来控制采集电路，从而大大降低了时间延误，提高了数据采集的同步准确度。设备在闸门支臂启闭过程中进行了应力测试。结果显示，该设备满足工程测试要求，系统性能稳定、可靠。

关键词无线传感器；应变测试；应力测试；双核

0　引言

应变测量是很多机械工程、水利工程、岩土工程等领域中一项最基本的测试内容。但在这些工程测试领域，其现场环境比较复杂，很多处于高空位置，如果采用传统的有线测量方式，一则工程量巨大，施工难度极高；二则，有线方式易受到外部环境的干扰；三则，对于部分移动设备，将无法完成测量。

无线传感器网络技术的发展为解决传统有线应力应变数据采集系统所面临的问题提供了契机。无线传感器网络技术是涉及传感器、无线网络、微机电系统以及数据处理等诸多技术领域的一门交叉学科。虽然，基于该技术，目前很多企事业单位也研制出很多无线应变应力测试系统，可以解决有线系统所面临的上述诸多问题，但是，在很多特殊的应力应变测试工况中，需要多传感器多测点同步测试，而这些设备有的只能进行静态加载试验，有的只能进行定采样率动态独立测试，其单设备内通道间及设备与设备间同步性都比较差，例如大型起重机械的动载试验，水闸门启闭过程中支臂应力测试等。这些动态过程测试中，需要同时对整个结构上的多个测点进行同步测试，以便掌握设备整体动态受力特性。而市场上常见的这些无线应变检测系统，虽然也可以实现多测点同步测试，但其同步技术都是通过网络协议中同步算法实现，其同步准确度不高。基于上述诸因素的考虑，本文研究设计一种无线双核应力测试装置，从硬件架构上解决无线网络的同步性问题。同时，本文结合一典型的工程应用实例，对该设备的应用做了详细描述。事实证明，该设备使用方便、功能齐全、性能稳定，不仅可以用于结构静态应变应力测试，亦可用于结构动态多测点同步应变应力测试。

1　无线应变测试系统结构

本文所涉及的无线应变测试系统是一个典型的无线传感器网络[1]。系统采用无线应变传感器采集应变数据，每个无线应变传感器独立工作，分布式布置，将采集的数据发送到无线网关，无线网关接收本网络内多个无线应变传感器的数据，并通过各种有线或无线接口转发至监控主机。监控主机安装有数据采集与处理软件，对接收的数据进行采集、存储、显示和分析等。

2　应变应力测试原理

材料在受外力作用时，将产生机械变形，机械变形会产生阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为应变效应。用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象的表面。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化[2]，其存在如下关系式：

k —— 灵敏系数；

ε —— 应变值

图1　惠斯登电桥

式中：δ —— 试件的应力；

E —— 试件材料的弹性模量；

k —— 一般在1.7~3.6之间

3　无线应变传感器

无线应变测量系统主要由数据采集电路、数据处理模块、无线通信模块及电源管理模块组成。数据采集电路主要是通过激励源给外部应变片提供恒压或恒流源，然后将外部应变片与内部高精度电阻组成测量桥路，再通过放大、滤波及A/D采集芯片等实现应变信号的采集；数据处理模块主要是控制数据的采集和处理，并与无线通信模块进行数据的传输；无线通信模块主要是实现数据的无线收发；电池管理模块主要给该设备供电部分提供电源[3,4]。

3.1应变采集电路的设计

应变采集电路是该设备最前端信号获取部分，也是本设备最关键电路部分之一，直接关系到采集到的应变数据的稳定性及准确度。该采集电路如图2所示，主要由五部分组成：激励电路、配桥电路、电桥调平电路、放大滤波电路以及A/D采集芯片。激励电路主要是利用运算放大器，通过电阻R2 和V_REF的配比计算产生一个恒定电压或电流，为桥路提供工作所需要的恒定激励源。桥路电路由四个高精度桥臂电阻（R5- R8）和一个多路开关芯片组成，可通过控制多路开关芯片的通断来切换内部桥臂电阻的连接方式，从而可以对全桥、半桥、四分之一桥等不同桥路进行选择，大大增加了系统架设的灵活性。由于受环境变化、应变片电阻不一致性等因素影响，电桥电路将发生零偏。电桥调平电路由两个桥路调平辅助电阻R9、R10和一个可调电位计构成。通过控制可调电位计的阻值大小完成电桥电路的零偏校正。放大滤波电路是由仪表放大器和与之匹配的电阻（R11-R15）、电容（C1、C2）组成，用于放大、调理因桥路微小应变产生的应变电压信号。合理的放大倍数和滤波频率能够最大程度地还原真实值，反应桥路的变化情况。A/D采集芯片负责将已经放大、滤波后的电压信号转换成数字信号，并通过spi、串口等其他数字接口传输给主控芯片MCU。

图2　采集电路图

3.2双核数据处理硬件架构

传统无线数据采集装置如图3所示，其包括一个微控制单元MCU，以及与微控制单元连接的无线射频单元和数据采集单元。其中，数据采集单元用于在微控制单元控制下进行数据采集，微控制单元对采集到的数据进行数据处理；无线射频单元用于在控制单元控制下发送数据处理结果。但是，由于现有的无线数据采集装置中仅具备单微控制单元，因此，其采集能力、数据处理能力、数据的传输能力以及系统的扩展能力都很有限。

图3　双核硬件原理

本文设计的无线双核数据采集装置，由于分别在无线射频部分和数据处理部分设置了单独的微控制单元，因此可以提高无线数据采集装置的采集、数据处理、数据传输以及扩展等能力。同时，由于无线射频部分微控制单元中的时钟电路模块向数据处理部分中的采集电路提供时钟信号，由此实现了同步采集。该双核采集装置主要由数据处理部分和无线射频部分组成。其中，无线射频部分由射频芯片和数据处理模块组成，数据处理模块由数据处理电路及时钟电路组成。数据处理部分由数据采集电路、时钟电路及数据处理电路组成。基本结构如图3所示。其中，无线射频部分包括第一微控制单元MCU1和射频芯片。MCU1包括第一时钟电路模块和第一数据处理电路模块。数据处理部分包括第二微控制单元MCU2。MCU2包括第二时钟电路模块、第二数据处理电路模块和采集电路模块。第一时钟电路模块用于向第一数据处理电路模块提供第一时钟信号，并在采集时间点向采集电路提供第一时钟信号。采集电路根据第一时钟信号在采集时间点进行数据采样，并将得到的采样数据发送至第二数据处理电路模块。第二时钟电路模块用于向第二数据处理电路模块提供第二时钟信号。第二数据处理电路模块根据第二时钟信号对采样数据进行运算，并将运算结果发送至第一数据处理电路模块。第一数据处理电路模块通过射频芯片接收包括采集时间点的采集指令，并于采集启动时间点控制第一时钟电路模块向采集电路模块提供第一时钟信号，以及用于根据第一时钟信号和预置的网络协议对运算结果进行调制形成数据包，并通过射频芯片发送数据包。

本文所设计的无线应变采集装置中，无线射频部分中的射频芯片采用低功耗射频芯片MC13192 zigbee，第一微控制单元采用带时钟的低功耗单片机MC9S08GB60A。数据处理部分中的第二微控制单元采用带A/D采集电路及内部时钟的单片机MSP430。由于MC9S08GB60A中的时钟信号提供给MSP430中的A/D采集电路，由此实现了同步采集。

图4　通道桥路电路

3.3无线应变采集设备实现

本文设计的无线应变节点是一种基于802.15.4协议的新型双核数据采集系统，其使用非常简单，直接将节点用自带的磁铁吸在被测物上即可。每个设备设计四路独立采集电路，其由电源模块、采集处理模块以及无线通信模块组成。每个数据采集通道内都有内置独立的高精度桥路电阻和放大调理电路，以支持电压激励。同时，该设备可以通过上位机软件，方便地实现四分之一桥、半桥、全桥测量方式的自动切换，兼容了各种类型的桥路传感器。其数据采集通道与外接应变片组成的桥路原理图如图4所示，Sx+、Sx-是通道的正负信号端，AEXC是在全桥时和接地端AGND组成桥路输入端。

该设备采集的数据可以实时存储在节点内，同时也可以实时传输到上位机，从而保证了采集数据的安全性及准确性。节点的无线传输速率可以达到250 kbps，其通信距离可达到1 km。节点内部有电源管理软硬件，在数据连续传输时节点功耗仅几毫安。节点内置可充电电池，充满一次电可连续工作半年以上。节点支持外部I/O触发采集控制模式，通过外部接口接入高电平信号进行控制。节点带有USB接口，用户可以通过USB接口对节点充电，同时可以快速把节点内存储器的数据下载下来[5]。

4　工程应用

该设备在江山碗窑水库露顶弧形工作闸门8 m× 10 m-10 m的闸门支臂上进行了动态应力测试[6]。在无水压力作用下测量启闭闸门过程的动态应力。测试前，在闸门上支臂选择8个测点，每个测点粘贴一单片1/4桥应变片，其中4个测点在左支臂，4个测点在右支臂，每4个测点使用一台四通道的无线应变采集装置，在闸门启闭过程中对支臂动态应力进行实时同步测量。部分测量结果如图5和图6所示。

图5　闸门左支臂测点启闭过程应力曲线

图6　闸门右支臂测点启闭过程应力曲线

动态应力测试结果显示，在无水压力作用下，左支臂上测点在启门过程的实测附加动应力一直保持在较高水平，附加动应力值并没因受力条件改善而降低，受力状态不正常。同时，通过对8条数据曲线分析，通道与通道之间及两采集设备之间的数据同步准确度极高，通道之间同步误差在±0.01 ms之内，设备与设备之间同步误差在±0.1 ms之内。

5　结语

基于无线传感器网络技术的无线测试系统解决了传统有线数据采集系统在工程应用方面所面临的诸多问题。同步采集技术是无线传感器网络最关键的技术之一。本文研制的双核应变应力采集装置从硬件技术架构上解决了无线应变采集系统的时间同步问题，是无线传感器网络同步技术的一次革新。同时，本文研制的无线应变测试系统在实际工程中得到应用。结果显示，本系统稳定、可靠，测量准确度及时间同步准确度极高。

参考文献

[1] 孙利民,李建中.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2] 陈得民 应变传感器的稳定性[M].上海计量测试,2012(03): 20-22.

[3] 陈得民,罗银生, 张俊辉,等.一种应变式无线传感器: CN 102628717 A[P]. 2012.

[4] 陈得民,杨绍普.一种无线双核数据采集装置及采集方法:中国, 104298160A[P]. 2015.

[5] 陈得民,张一辉,李淑娟,等.基于WSNs的吊机应力监测系统机械工程与自动化[J].2012(02):28~30.

[6] 陈得民,沈唯真,代啸宁.一种无线闸门设备状态监测装置:CN 203642964 U[P]. 2014.

A wireless dual-core strain stress measuring device

Chen Demin
（BeiJing BeeTech Inc）

Abstract:A wireless dual-core stress testing device was designed. The synchronization of wireless network in hardware technology has been solved. The device was composed of three components: measuring circuits, data processing unit and wireless communicating module. Wireless communicating module adopted independent data processing module which constituted a dual-core processor with the external CPU. In the synchronous data acquisiting system, the clock signals of wireless communicating module sent pulse signals directly to control the data acquisition circuit. In this way, the time delay was reduced greatly and the synchronous accuracy of data acquisition was improved. The measuring device was applied to stress testing in the process of opening and closing of the gate arm. The testing results show that the system meets the requirements of engineering test, and the system performance is stable and reliable.

Key words:wireless sensor; strain test; stress test; dual-core