孟德龍

（國投大同能源有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

鋼結(jié)構(gòu)磁性應(yīng)力無線測量系統(tǒng)的開發(fā)

孟德龍

（國投大同能源有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

針對現(xiàn)在常用鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力測定技術(shù)存在較明顯的缺陷，采用磁性應(yīng)力測量的方法，建立硬件測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)時(shí)、連續(xù)的測量。同時(shí)考慮到某些測量點(diǎn)的特殊性，工作人員無法長時(shí)間守點(diǎn)檢測，基于ZigBee協(xié)議開發(fā)了配套的無線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。系統(tǒng)采用VB中的MSCommon控件作為串口數(shù)據(jù)的接收端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)室檢測和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)性能的可靠，對遠(yuǎn)程、自動(dòng)化檢測鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向有很好的示范作用。

鋼結(jié)構(gòu) 磁應(yīng)力 系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)軟件 ZigBee無線協(xié)議

0 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)在高架橋、斜拉橋、鋼架建筑等工業(yè)及生活中的大量應(yīng)用，建立完善的失效監(jiān)測系統(tǒng)是必不可少的。而通過研究可知，這些鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效的原因大部分是由應(yīng)力集中引起的，所以監(jiān)測系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的監(jiān)測。

現(xiàn)在比較成熟的監(jiān)測方法有X射線法和應(yīng)變片法。這兩種方法都有其不可避免的缺陷。如X射線法，需要大型的設(shè)備，這對于在環(huán)境多變的施工現(xiàn)場就不能順利完成測量工作。該方法在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。而應(yīng)變片法必須對被測對象表面進(jìn)行處理，存在破壞被測實(shí)驗(yàn)體表面的缺點(diǎn)，對于環(huán)境多變的施工現(xiàn)場亦不適用。

本文應(yīng)用的磁性應(yīng)力測量技術(shù)是在原應(yīng)力測量技術(shù)上，利用可磁化物質(zhì)磁性各項(xiàng)異性的原理興起的一項(xiàng)無損測量技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用了無線數(shù)據(jù)傳輸，這為一些測量環(huán)境與數(shù)據(jù)處理環(huán)境不能保證在同一個(gè)地點(diǎn)的測量提供了很大的方便。

1 磁性應(yīng)力測量原理

磁性應(yīng)力測量法能測量的材料是鐵磁性材料，利用的是可磁化物質(zhì)磁性各項(xiàng)異性的原理。即當(dāng)鐵磁性材料內(nèi)部殘留有殘余應(yīng)力時(shí)，它的磁性會(huì)因殘余應(yīng)力而發(fā)生改變，所以只要根據(jù)其磁性的變化就可以知道其殘余應(yīng)力的大小［1－3］。磁性應(yīng)力測量原理框圖如圖1［4］所示。

圖1 磁性應(yīng)力測量原理圖Fig.1 Schematic diagram ofmagnetic stressmeasurement

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能有：磁應(yīng)力測量的采集、磁應(yīng)力測量的無線傳輸、磁應(yīng)力測量的分析處理。

無線采集系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)部分：①采集系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)，②采集系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。其中硬件的實(shí)現(xiàn)又包括：就地采集硬件部分的采集和無線傳輸部分硬件的實(shí)現(xiàn)。

2.1 采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

采集系統(tǒng)的硬件包括采集硬件和無線傳輸硬件。采集部分包括信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)放大器、勵(lì)磁線圈、采集線圈、信號(hào)檢測電路以及信號(hào)傳輸模塊。

2.1.1 信號(hào)發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器使用的是ICL8038。該發(fā)生器是一種具有多種波形輸出的新密振蕩集成電路，調(diào)整個(gè)別的外部元件就可能產(chǎn)生從0.000 1 Hz～300 kHz低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外，該芯片具有調(diào)頻信號(hào)輸入端，可以用來對低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。而本設(shè)計(jì)用到的信號(hào)為正弦信號(hào)，所以該芯片可以滿足要求。ICL8038正弦信號(hào)產(chǎn)生電路如圖 2所示。

圖2 ICL8038正弦信號(hào)產(chǎn)生電路Fig.2 Sinusoidal signal generating circuit

2.1.2 信號(hào)放大

用于信號(hào)放大的芯片是LM358。LM358內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，既適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。LM358的使用范圍包括：傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。LM358信號(hào)放大電路如圖3所示。該電路將上一級產(chǎn)生的信號(hào)放大約6倍。

圖3 LM358電路圖Fig.3 LM358 circuit

2.1.3 采集電路

設(shè)計(jì)用到的交流信號(hào)處理芯片是TL074。TL074是高速的JFET輸入單運(yùn)算放大器。這些JFET輸入運(yùn)算放大器都集成了很好的配置，在每一個(gè)單片集成電路中都有高電壓JFET和雙極性晶體管。該芯片具有高轉(zhuǎn)化率、低輸入偏置和失調(diào)電流、低失調(diào)電壓系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采集的信號(hào)是高頻率的交流信號(hào)作用在磁性材料所激發(fā)的小信號(hào)，所以為了在高頻下采集到小信號(hào)，采用了交流信號(hào)處理芯片TL074。TL074采集電路如圖4所示。

圖4 TL074電路圖Fig.4 TL074 circuit

2.1.4 無線模塊

本設(shè)計(jì)要求做無線采集系統(tǒng)，因此采集卡采用無線采集卡，傳輸協(xié)議采用ZigBee無線傳輸技術(shù)［5］。在設(shè)計(jì)中，無線模塊實(shí)現(xiàn)的功能是采集16路信號(hào)，然后對這16路信號(hào)同時(shí)加以處理。

選用的16通道ZigBee無線模塊由兩部分組成：采集發(fā)送模塊和接收模塊。采集發(fā)送模塊可采集16通道數(shù)據(jù)，每一通道的采集電壓范圍為－5～5 V，當(dāng)電壓大于5 V時(shí)，則采集到的數(shù)據(jù)為5 V，當(dāng)電壓小于－5 V時(shí)，則采集到的數(shù)據(jù)為－5 V。本設(shè)計(jì)的極值電壓不會(huì)超過5 V，因此，該模塊完全能實(shí)現(xiàn)所需的功能。

2.2 無線采集系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)選用的協(xié)議為ZigBee無線傳輸協(xié)議，并采用串行通信。

2.2.1 協(xié)議分析

對于采集系統(tǒng)軟件的編寫，根據(jù)模塊手冊上得到的信息，經(jīng)過多次試驗(yàn)得到了無線傳輸模塊的傳輸協(xié)議，如下：

11 46 39 12 71 E2 00 08 00 00 01 08 00 00 02 08 00 00 03 08 00 00 04 08 00 00 05 08 00 00 06 08 00 00 07 08 00 00 08 08 00 00 09 08 00 00 0A 08 00 00 0B 08 00 00 0C 08 00 00 0D 08 00 00 0E 08 00 00 0F 08 00 00

2.2.2 MSCommon控件

微軟通信控制（Microsoft communications control，MSComm）是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件。它提供了兩種處理通信問題的方法。

① 事件驅(qū)動(dòng)（event－driven）方法；

② 查詢法［6－7］。

在通過對兩種方法的比較后，結(jié)合本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)量比較大、要求實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的事實(shí)，選用了事件驅(qū)動(dòng)的方法。

2.2.3 無線采集軟件的實(shí)現(xiàn)

本文采用Visual Basic（VB）編寫采集軟件。VB擁有圖形用戶界面（graphic user interface，GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（rapid application development，RAD）系統(tǒng)，可以輕易使用DAO、RDO、ADO連接數(shù)據(jù)庫，或者輕松創(chuàng)建ActiveX控件。程序員可以使用VB提供的組件快速創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用程序［7－10］。

為了使所需參數(shù)在采集界面清晰顯示，采用以下代碼實(shí)現(xiàn)采集功能（核心代碼）。

2.3 采集系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

在上述系統(tǒng)軟硬件基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無線采集。具體的試驗(yàn)步驟如下。

①采用可變電壓源作為信號(hào)源，將電壓信號(hào)調(diào)節(jié)到5 V以內(nèi)。

②將系統(tǒng)測試端定位到待測鋼結(jié)構(gòu)表面，采用本設(shè)計(jì)所編寫的采集界面顯示采集到的信號(hào)。

通過以上步驟的試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了為本設(shè)計(jì)所編寫的16路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。后續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中對硬件的性能也進(jìn)行了全面評估。實(shí)際工程應(yīng)用也證明了該測量系統(tǒng)是可靠、實(shí)用的。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是在磁性應(yīng)力測量的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的無線采集系統(tǒng)。設(shè)計(jì)包括無線協(xié)議的選擇、電路的設(shè)計(jì)、軟件的設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)的完善。在對多種不同協(xié)議的比對以后，選擇了ZigBee協(xié)議，并對其做了數(shù)據(jù)傳輸測試。然后針對這個(gè)協(xié)議做了相應(yīng)的采集軟件的編寫，成功傳輸、接收到了所需數(shù)據(jù)。之后做了采集電路的設(shè)計(jì)，并繪制了PCB板，設(shè)計(jì)了完整的硬件采集電路。軟件方面，不僅完善了以前的采集分析數(shù)據(jù)軟件，并且新增了無線采集軟件。系統(tǒng)硬件與軟件相結(jié)合，構(gòu)成了一套實(shí)用的采集系統(tǒng)，為鋼結(jié)構(gòu)安全測量做出了有益的探索工作。

［1］近角聰信.鐵磁性物理［M］.葛世慧，譯.蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2002.

［2］田明波.磁性材料［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［3］王會(huì)宗.磁性材料以及其應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1989.

［4］宛德福，羅世華.磁性物理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1985.

［5］周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討［J］.自動(dòng)化儀表，2005，26（6）：5－9.

［6］劉文江.基于VB6.0的PC機(jī)與多單片機(jī)串行通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2002，18（8）：44－45.

［7］劉衛(wèi)國.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008.

［8］齊燕杰，仵浩，宋文超.Visual Basic串口通信工程開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

［9］范逸之，陳立元.Visual Basic與RS-232串行通信控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［10］劉鳳聲.基于VB6.0的單片機(jī)與PC通信的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007，17（10）：202－208.

Development of the Wireless Magnetic Stress Measurement System for Steel Structures

At present，obvious defects are existing in commonly used stressmeasuring technologies for steel structures，thus by usingmagnetic stressmeasurementmethod；the hardware test system is built to implement real time and continuous stress measurement for steel structure.Considering the particularity of some of themeasuring points，the working staff is unable to stay long time on-site；the ancillary wireless data receiving system based on ZigBee protocol is also developed.The control of MSCommon in VB is used as the serial port receiving terminal for data acquisition.The laboratory testing and practical application verify the reliability of the system performance；the system possesses demonstration effect for the development direction of remote automatic detection of the steel structures.

Steel structure Magnetic stress System hardware System software ZigBee wireless protocol

TP274+.5

A

修改稿收到日期：2014－01－09。

作者孟德龍（1988－），男，2013年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位；主要從事信息自動(dòng)化方面的工作。