便携式无线索力测试系统研发及应用.pdf

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1、世界桥梁２０１７年第４５卷第３期（总第１８７期）７５便携式无线索力测试系统研发及应用１，２３高阳，杜怀德（１．中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉４３００３４；２．桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉４３００３４；３．浙江远大公路水运工程咨询事务所，浙江杭州３１００００）摘要：为提高桥梁拉索索力的检测精度及效率，基于振动频率法开发了一种以智能手机为现场终端的高精度便携式无线索力测试系统。该系统将高性能微机电（MEMS）加速度芯片、信号调理模块、数模转换模块、无线wifi电子模块集成开发为信号采集器，频谱分析、索力计算及数据存储由智能手机上的索力测试APP完成，信号采集器与智能手机之间采用

2、无线wifi通信。该系统提高了拉索振动信号的采集质量与信噪比，频率识别精度达到０．１％，具有实时频谱分析、拉索固有频率自动识别等特点，可完全满足桥梁拉索索力测量的工程技术要求，并通过工程应用证实了系统良好的高效性和实用性。关键词：桥梁；拉索；索力测试；微机电芯片；无线wifi；实时频谱中图分类号：U４４３．３８；U４４６．３文献标志码：A文章编号：１６７１－７７６７（２０１７）０３－００７５－０４1引言器，采用ZigBee无线通信协议。从工程应用角度来桥梁拉索是缆索桥梁结构中重要的传力与受力看，仍存在一些问题：ZigBee协议的传输距离较短［１‐２］构件，一般包括斜拉桥的斜拉索、悬索桥和中下且

3、实时性不好，在传输过程中容易丢失数据包，在某承式拱桥的吊索或吊杆。拉索索力通常是用来评估些恶劣情况下测试，丢包率达到１０％以上；信号转拉索是否正常工作、桥梁运营状态是否正常合理的换模块容易丢失等。一项关键参数，因此在桥梁建设期和正常运营期，拉基于此，本文开发了一种更加适合工程人员使索索力的准确测量非常重要。目前，用于测量拉索用、符合现场实际需求、不需要额外配置信号转换模索力的技术手段很多，在国内外桥梁工程界普遍使块、高精度的便携式无线智能索力仪。鉴于智能手用的有油压表（液压千斤顶）测定法、压力传感器法、机（多以安卓系统为操作系统）在国内已经基本成为［３］振动频率法、磁通量法、光纤光栅法等。其中

4、振动了人们日常使用的必需品，则将智能手机作为现场［４‐６］频率法测量索力方便快捷，测量仪器可以重复使检测的处理分析终端，这将使工程现场的拉索检测用，适用范围较广，因此在工程上得到广泛的应用，工作得以高效进行的同时，也利用了当前的社会公而基于频率法的索力测量仪器或设备在桥梁行业市共资源从而大幅降低索力检测成本。场前景广阔。在基于频率法的索力测试系统开发上，２００５年2索力测试系统［７］吴康雄等研发了一种索力测量系统，该系统以单振动频率法是利用加速度传感器拾取拉索在激片机为仪器核心进行，具有电荷放大器、信号分析仪励下的振动信号，经过信号调理、数模转换和频谱分和计算器等相关功能，且使用DP型传感器采

5、集拉析，然后根据频谱分析结果得到拉索固有频率，最后［４‐５］索振动信号。该系统设计模式受限于当时电子、通根据拉索固有频率与索力的关系计算索力值。信等技术状况，因此不免有些缺陷：设备笨重，运算本文系统将加速度传感器、信号调理模块、数模转换速度慢，不能较快地进行改进和二次开发；信号传输模块、无线wifi电子模块集成开发为信号采集器，使用有线传输，给拉索检测带来不便，限制了现场的频谱分析、索力计算及数据存储由智能手机上的索工作效率；信号采集电路设计采用传统的方法，其采力测试APP完成，信号采集器与智能手机之间采用［８‐９］集噪声较大且测试精度偏低。张志君等以有无线wifi通信。图１所示为索力测试系统

6、，图１（a）USB端口的Android平板电脑为现场终端，信号采为信号采集器，几何尺寸约为８０mm×８０mm×７０集模块集成压电探头式SY‐１型低频加速度传感mm，重６００g，采用锂电池供电，持续工作时间为收稿日期：２０１７－０２－２２作者简介：高阳（１９７８－），男，高级工程师，２００１年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士（E‐mail：７２７７６０５＠qq．com）。７６世界桥梁２０１７，４５（３）［１０］１０～１２h，无线通信距离在１００～２００m；图１（b）为现大动态弱信号数据采集。大动态弱信号数据基于智能手机安卓系统开发的索力测试APP界面。采集技术是指传感器以超高频率采集到原

7、始信号，信号采集器底面为双圆弧曲面，在桥梁拉索上可以之后不做信号高增益放大、低通滤波等工作，而是不稳定绑扎固定以精确采集拉索振动信号。做处理或进行简单的低增益放大，然后直接进行高速AD转换，转换成数字信号之后进行高速数字信号处理（如FIR低通滤波器噪声整形技术），以提高信号测量分辨率和测量系统峰值信噪比。该技术具有系统噪声低、测量分辨率高、动态范围大、系统温度漂移小以及量产个体之间差异性小等优点。