王涔丁 高錚 劉松 陳國(guó)榮 利節(jié)

摘 要：電阻應(yīng)變片在建筑土木領(lǐng)域有重要應(yīng)用，是建筑物受力、形變分析的有利工具?，F(xiàn)有電阻應(yīng)變片的混凝土形變測(cè)量設(shè)備體積龐大，攜帶不便，無(wú)法滿足特殊環(huán)境下實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用的要求。因此，文中設(shè)計(jì)了一款基于STC12單片機(jī)的混凝土形變檢測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析等功能。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便攜帶，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑物的監(jiān)測(cè)與形變分析。

關(guān)鍵詞：混凝土;電阻應(yīng)變片;單片機(jī);數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）01-00-03

0 引 言

在建筑土木工程領(lǐng)域，電阻應(yīng)變片得到了廣泛使用，適用于橋梁、隧道、大壩、建筑等混凝土樁的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，如混凝土的拉伸和壓縮等。現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備前端大多采用惠斯登電橋得到電阻應(yīng)變片的阻值變化，從而分析電阻的變化與電阻應(yīng)變片形變之間的關(guān)系。測(cè)量中將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，在不考慮環(huán)境溫度變化的情況下，當(dāng)被測(cè)試件受力發(fā)生拉伸或壓縮變形時(shí)，纏繞在應(yīng)變片內(nèi)的電阻絲也會(huì)隨之產(chǎn)生變形，導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，根據(jù)電阻的變化以及應(yīng)變片的參數(shù)就可反算得到被測(cè)試件的應(yīng)變[1]。在實(shí)際測(cè)量中由于金屬絲電阻系數(shù)會(huì)改變，通常用橋路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ郎囟茸兓鸬臒彷敵觯没菟沟请姌蛳郎囟妊a(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

當(dāng)前常用方法和設(shè)備有埋入式、表面式等不同種類，該設(shè)備測(cè)量前端設(shè)備體積大，易損壞[2]。雖然當(dāng)前對(duì)電阻應(yīng)變片的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理已有了成熟的方案和設(shè)備，但設(shè)備體積較大，不方便攜帶，無(wú)法滿足小體積、密封混凝土形變測(cè)量的要求。

鑒于此，本文項(xiàng)目提出了一種新型混凝土應(yīng)變測(cè)量裝置。該裝置采集電阻應(yīng)變片形變時(shí)對(duì)應(yīng)電壓的變化，增加SD卡存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。對(duì)數(shù)據(jù)分析后得到與被測(cè)物體形變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到和已有設(shè)備相當(dāng)?shù)男Ч?。該設(shè)備體積小，可以在密閉，并且無(wú)法使用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)的環(huán)境下使用，可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理。

1 系統(tǒng)組成

本文混凝土形變檢測(cè)裝置主要涉及電阻應(yīng)變片的粘貼、電阻應(yīng)變片電壓采集、電壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等方面。將電阻應(yīng)變片粘貼到巖石樣的表面，應(yīng)變片的兩根引線連接到STC12單片機(jī)的電壓采集引腳，同時(shí)SD卡模塊連接到STC12單片機(jī)，用于存儲(chǔ)電壓數(shù)據(jù)。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

該檢測(cè)裝置體積小，硬件連接簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。將電阻應(yīng)變片牢固地粘貼在巖石試樣上，保證二者同步變形、同步工作。將電阻應(yīng)變片引線連接到單片機(jī)的電壓采集引腳，同時(shí)將SD卡存儲(chǔ)模塊連接到單片機(jī)。裝置連接簡(jiǎn)單，可采用電池供電和電源接口供電，SD卡存儲(chǔ)模塊無(wú)需單獨(dú)供電。在特殊環(huán)境下可去掉SD卡存儲(chǔ)模塊，用串口線連接到電腦端，接收單片機(jī)采集到的電壓數(shù)據(jù)。檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 裝置實(shí)現(xiàn)流程

本文實(shí)驗(yàn)采用箔式電阻應(yīng)變片，將應(yīng)變片縱向粘貼，測(cè)量試件的縱向應(yīng)變力。為防止測(cè)量過(guò)程中應(yīng)變片引線與試件接觸對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生影響，將引線與導(dǎo)線焊接，并將焊接處固定在試件上。將焊接后的引線連接到單片機(jī)的電壓采集引腳，同時(shí)將SD卡存儲(chǔ)模塊連接到單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中施加圓柱試件單向力，使圓柱試件在垂直于其底面的方向壓縮。壓縮時(shí)單片機(jī)工作，A/D轉(zhuǎn)換后單片機(jī)采集到試件變化過(guò)程中電阻應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的電阻變化，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SD卡中。

單片機(jī)通過(guò)應(yīng)變片引腳采集模擬電壓信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)據(jù)。單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到SD卡模塊。信息流圖如圖2所示。

2 功能模塊

2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

STC12系列單片機(jī)帶A/D轉(zhuǎn)換的引腳在P1口，擁有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。8路電壓輸入型A/D可進(jìn)行溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。該單片機(jī)采用逐次比較型ADC，從高位開(kāi)始，順序?qū)γ恳惠斎腚妷号c內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入的模擬量值。將粘貼焊接完成的電阻應(yīng)變片其中一個(gè)引線連接到單片機(jī)電壓采集引腳，壓縮混凝土的同時(shí)開(kāi)啟單片機(jī)采集應(yīng)變片電壓。

2.2 SD卡存儲(chǔ)模塊

SD卡支持SD方式和SPI方式。本文實(shí)驗(yàn)采用SPI方式，使用CS，CLK，DataIn，DataOut進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。使用SPI模式的好處在于單片機(jī)內(nèi)部自帶SPI控制器，開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了開(kāi)發(fā)成本。初始化后，對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)，SD卡每個(gè)扇區(qū)中有512 B，每次扇區(qū)寫(xiě)操作向SD卡的某個(gè)扇區(qū)中寫(xiě)入512 B，讀操作時(shí)將某個(gè)扇區(qū)內(nèi)的512 B全部讀出。先寫(xiě)入命令，得到回應(yīng)后開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)。因?yàn)闆](méi)有采用文件系統(tǒng)，寫(xiě)入SD卡的數(shù)據(jù)無(wú)法在電腦端直接查看，可采用串口連接方式將單片機(jī)連接到電腦端，通過(guò)單片機(jī)讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行查看并分析。SD卡模塊與單片機(jī)連接，方便存儲(chǔ)前端采集數(shù)據(jù)，可在封閉環(huán)境下采集被測(cè)物體的形變數(shù)據(jù)。

2.3 應(yīng)變片

根據(jù)測(cè)試儀器對(duì)應(yīng)變計(jì)電阻值和測(cè)量應(yīng)變儀相匹配的要求，以及測(cè)試條件等，選擇合適的電阻應(yīng)變片。實(shí)驗(yàn)采用基層尺寸為86 mm×6 mm，絲欄尺寸為80 mm×2.5 mm的箔式應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的敏感柵是應(yīng)變片中拔營(yíng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感部分，該部分是用金屬絲或半導(dǎo)體材料制成的單絲或柵狀體。引線是從敏感扇引出電信號(hào)的絲狀或帶狀導(dǎo)線。本文實(shí)驗(yàn)通過(guò)連接引線到單片機(jī)電壓采集引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的電壓采集。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)儀器采用長(zhǎng)沙亞星公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的多物理場(chǎng)耦合作用下巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，主要應(yīng)用該試驗(yàn)機(jī)在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行壓力、變形、位移、溫度計(jì)流量的自動(dòng)采集與試件的加卸載。該儀器最大軸向力為1 000 kN;精度為示值的±1%;軸向控制方式分為力控制、位移控制。試樣巖石為頁(yè)巖，將粘貼完應(yīng)變片的巖石放入儀器的工作腔，開(kāi)啟設(shè)備和單片機(jī)采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，連接完成后的測(cè)量裝置放入巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的工作腔內(nèi)且試樣未壓縮時(shí)，單片機(jī)采集到未知噪音信號(hào)。巖石未壓縮時(shí)采集到的信號(hào)認(rèn)定為噪音，巖石壓縮過(guò)程中采集到的信號(hào)為原始信號(hào)。采集數(shù)據(jù)波形如圖4所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

圖4所顯示的原始信號(hào)有一定的規(guī)律，噪音信號(hào)雜亂無(wú)章。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，電壓數(shù)據(jù)范圍為0～49。轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到范圍為0～1的新數(shù)據(jù);同時(shí)將噪音轉(zhuǎn)換為0～1之間的數(shù)據(jù)。采用LMS自適應(yīng)濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，效果如圖5所示。

從去噪后信號(hào)與原始信號(hào)圖的對(duì)比可以看出，去噪得到的信號(hào)變得更加平緩，更有助于數(shù)據(jù)識(shí)別。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有電阻應(yīng)變片混凝土測(cè)量設(shè)備的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該形變檢測(cè)裝置。通過(guò)單片機(jī)對(duì)電阻應(yīng)變片端電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，由電腦端分析數(shù)據(jù)，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土形變的監(jiān)測(cè)與分析。對(duì)數(shù)據(jù)采用LMS自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行去噪，仿真結(jié)果表明，去噪后信號(hào)變得更加平緩，更有助于數(shù)據(jù)識(shí)別。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王洪鐸，周勇，石凱，等.盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)試中的電阻應(yīng)變片粘貼技術(shù)[J].焊管，2009（3）：35-37.

[2]楊健，沈斐敏，陽(yáng)富強(qiáng).隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2014（5）：158-163.

[3]胡玉梅.應(yīng)變片敏感柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36（12）：21-27.

[4]刑萬(wàn)里，郁銀泉.石家莊站大跨度鋼拱實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（19）：21-25.

[5]張鵬，和真理，鄧于，等.混凝土梁側(cè)嵌貼CFRP-PCPs復(fù)合筋抗剪加固性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].混凝土，2016，12（10）：1-4.

[6]張爭(zhēng)剛，熊剛.基于單片機(jī)的多功能電子秤設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2016，34（11）：58-61.

[7]湯正.基于STC12C5A60S2雙向DC-DC變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技展望，2016，10（17）：126-128.

[8]閆東明.混凝土動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)分析方法研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（4）：622-625.