牟春霖

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)

引言

近年來(lái),隨著鋼筋計(jì)、軸力計(jì)、應(yīng)力(變)計(jì)等傳感器精度不斷提高,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較快,配套相應(yīng)的采集模塊,可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云端服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。 然而,市場(chǎng)上各大傳感器生產(chǎn)廠家配套的采集模塊各異,一般只能滿足本廠生產(chǎn)的振弦式傳感器的數(shù)據(jù)采集及上傳;另外,在進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳時(shí),不同采集模塊的數(shù)據(jù)上傳協(xié)議均由各廠家自定義,(一般為16 進(jìn)制),數(shù)據(jù)串較為復(fù)雜,數(shù)據(jù)解析比較困難。 為了滿足項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用,需要使采集儀兼容市場(chǎng)上絕大部分廠家傳感器,并能簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)上傳協(xié)議的格式,統(tǒng)一數(shù)據(jù)上傳標(biāo)準(zhǔn)。

目前,振弦式傳感器主要應(yīng)用于橋梁、基坑、高層建筑等大型建(構(gòu))物等的施工、運(yùn)營(yíng)中,并有學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究。 車鐵成等針對(duì)橋梁施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)精度低等問(wèn)題,在傳感智能性與檢測(cè)精確性上進(jìn)行了很大的提升[1];田一鳴等對(duì)基于振弦式傳感器的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),使之能夠同時(shí)滿足在線監(jiān)測(cè)和離線檢測(cè)[2];張吉圭等采用振弦式傳感器的橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸精確性與可靠性[3];賈鵬輝等基于STM32F103VCT6 核心,解決了隧道、礦山、橋梁監(jiān)測(cè)中存在的采集系統(tǒng)精度不高、相互通訊困難等問(wèn)題[4];解有福等對(duì)振弦式傳感器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹,并對(duì)應(yīng)力(變)計(jì)、軸力計(jì)、位移計(jì)等傳感器進(jìn)行公式推導(dǎo)[5];李濱等利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)振弦式傳感器的4 種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析[6];劉建軍利用鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)寧波某地鐵的基坑混凝土支撐軸力進(jìn)行試驗(yàn)分析,并對(duì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]。

以下借鑒前人研究成果,在詳細(xì)研究振弦式傳感器工作原理、通信技術(shù)等的基礎(chǔ)上,通過(guò)激振、拾振技術(shù),利用RS485 接口[8-10]、Modbus 協(xié)議[11-12]實(shí)現(xiàn)振弦式傳感器與采集模塊之間的數(shù)據(jù)通訊;采用JSON 格式將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及上傳。 研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)采集儀能夠兼容市場(chǎng)上大部分廠家的振弦式傳感器,采用JSON 格式大幅簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)上傳時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)串的解析困難程度。 將研制的智能監(jiān)測(cè)采集儀應(yīng)用到某城市軌道交通工程基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中,與傳統(tǒng)的手持讀數(shù)儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)智能監(jiān)測(cè)采集儀的項(xiàng)目應(yīng)用效果進(jìn)行研究。

1 振弦式傳感器工作原理

振弦式傳感器一般采用特定材質(zhì)、固定尺寸的鋼弦作為敏感元件的諧振式傳感器[13-14]。 它的工作原理是在鋼弦的四周分布有磁感線圈,在金屬弦受到外力作用后發(fā)生形變,鋼弦本身振動(dòng)頻率發(fā)生變化,會(huì)向磁感應(yīng)線圈發(fā)射脈沖電流,鋼弦會(huì)在電磁感應(yīng)的作用下離開(kāi)平衡位置,開(kāi)始振動(dòng)。 當(dāng)鋼弦的長(zhǎng)度是一個(gè)固定值,鋼弦的振動(dòng)頻率的變化量就可以反映鋼弦所受的外力作用[15]。 鋼弦的振動(dòng)頻率與應(yīng)力的關(guān)系為

式中,f為鋼弦的振動(dòng)頻率;L為鋼弦的有效長(zhǎng)度;ρ為鋼弦的線密度;σ為鋼弦受到的應(yīng)力。

將式(1)進(jìn)行形式變換后,有

應(yīng)力及應(yīng)變的關(guān)系為

式中,E為鋼弦的彈性模量,不同材質(zhì)的鋼弦各異;ε為鋼弦應(yīng)變。

將式(2)代入式(3),可得

式中,鋼弦長(zhǎng)度L、密度ρ和彈性模量E均為固有特性,所以分子式為一個(gè)常量。鋼弦的應(yīng)變量可以通過(guò)鋼弦振動(dòng)頻率的變化量來(lái)計(jì)算,可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量?jī)x器對(duì)振弦式傳感器進(jìn)行標(biāo)定,得到一個(gè)關(guān)于頻率f和應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系曲線。

振弦式讀數(shù)儀的工作原理:由振弦式傳感器測(cè)量出頻率f或者周期N后,根據(jù)公式(4),計(jì)算出鋼弦應(yīng)變?chǔ)?再通過(guò)鋼弦應(yīng)變?chǔ)藕托枰玫降奈锢砹筷P(guān)系,結(jié)合傳感器和測(cè)量物體的固定屬性,比如材料、尺寸等參數(shù),顯示出需要的物理量。

振弦式傳感器在出廠前都會(huì)給鋼弦施加一個(gè)初始的應(yīng)力σ0,即賦予一個(gè)初始的鋼弦振動(dòng)頻率f0,當(dāng)傳感器受到外力作用后,鋼弦發(fā)生形變,鋼弦應(yīng)力為σ1,與之相對(duì)的頻率為f1。 由式(4)可得

式中,Δε為鋼弦的應(yīng)變量。

綜上所述,鋼弦的振動(dòng)頻率是振弦式傳感器的最基礎(chǔ)物理量。 研究的振弦式傳感器,無(wú)論待測(cè)物理量是應(yīng)力(應(yīng)變)還是軸力,都需要測(cè)量鋼弦的振動(dòng)頻率。

以基坑監(jiān)測(cè)中混凝土支撐軸力為例,一般而言,如果要得到混凝土支撐的軸力,需要在混凝土支撐內(nèi)部的主鋼筋上布設(shè)4 根鋼筋應(yīng)力計(jì)[16-17],利用4 根鋼筋應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變值來(lái)計(jì)算此混凝土支撐的軸力。

首先,利用獲得的鋼筋應(yīng)力計(jì)鋼弦的振動(dòng)頻率計(jì)算其應(yīng)變值,有

式中,ε為鋼筋應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變值;k為鋼筋應(yīng)力計(jì)的標(biāo)定系數(shù);fi為鋼筋應(yīng)力計(jì)的本次頻率;f0為鋼筋應(yīng)力計(jì)未受力狀態(tài)下的初始頻率;Es為鋼筋彈性模量;Asi為鋼筋應(yīng)力計(jì)的截面積。

利用式(6)計(jì)算得到每根鋼筋應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變值后,取4 根鋼筋應(yīng)力計(jì)應(yīng)變值的平均值,有

根據(jù)4 根鋼筋應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變平均值,可以計(jì)算得到此混凝土支撐的軸力[18],有

式中,N為混凝土支撐的軸力;Ec為混凝土彈性模量;Ac、As分別為混凝土支撐截面積、混凝土支撐中鋼筋的總截面積。

根據(jù)上述推導(dǎo)過(guò)程,混凝土支撐軸力的變化與布設(shè)在其中的鋼筋應(yīng)力計(jì)鋼弦的振動(dòng)頻率相關(guān)性較強(qiáng),研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)采集儀獲取的頻率數(shù)據(jù)精度是決定混凝土支撐軸力計(jì)算正確與否的關(guān)鍵。

2 通信及信息傳輸技術(shù)

2.1 RS485 協(xié)議

目前,多種工業(yè)化智能設(shè)備正在大規(guī)模運(yùn)用RS485 接口進(jìn)行信息傳輸,并且越來(lái)越多的基于RS485 接口的總線橋不斷問(wèn)世。 RS485 接口是基于RS422[19]串口標(biāo)準(zhǔn)上制訂的串口標(biāo)準(zhǔn)。 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)解決了大部分聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題,并且各方面性能都要更優(yōu)于RS232 接口,所以RS485 接口開(kāi)始替換RS232 接口運(yùn)用于各類中小型集散系統(tǒng)中[20]。

表1 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)

基于性能、成本等因素考慮,RS485 通信芯片選取了MAX485 芯片, MAX485 引腳及實(shí)物見(jiàn)圖1,MAX485 芯片最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到2.5 Mb/s,并且可以有效減小電磁干擾,并降低終端匹配電纜引起的反射現(xiàn)象,能夠?qū)崿F(xiàn)最高可達(dá)250 kb/s 的數(shù)據(jù)傳輸。 自主研發(fā)智能監(jiān)測(cè)采集儀的RS485 模塊電路見(jiàn)圖2。

圖1 MAX485 引腳及實(shí)物

圖2 RS485 通信模塊電路

2.2 Modbus 仿真軟件

Modbus 網(wǎng)關(guān)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)集線器串行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換設(shè)備,能夠與各種傳感器設(shè)備連接,Modbus 通訊協(xié)議支持多種協(xié)議、網(wǎng)口、串口連接,支持5G、4G、WAN、Wi-Fi 等網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字IO 輸入輸出、串口終端通信等接入,也支持TCP/IP、http、UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 如通過(guò)TCP/IP 協(xié)議,把遠(yuǎn)程的串口設(shè)備,虛擬連接到本地的電腦上,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備管理,2 臺(tái)設(shè)備之間通過(guò)Modbus 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

Modbus 通訊協(xié)議屬于軟件協(xié)議,它包含報(bào)頭包圍的格式,Modbus 是應(yīng)用層的通訊協(xié)議,主要用于傳送和接收文件包的格式。 而RS232、RS485 等是物理層的串行接口,屬于硬件協(xié)議,可以支持幾十種通訊協(xié)議,Modbus 只是其中的一種。

研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)采集儀利用Modbus 協(xié)議以及RS485 串行接口運(yùn)行流程見(jiàn)圖3。

圖3 Modbus 運(yùn)行流程

Modbus 協(xié)議是一種作用在電子控制器上的通用語(yǔ)言。 通過(guò)此協(xié)議,不同品牌的控制器也能夠相互之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng))和其他設(shè)備進(jìn)行信息傳輸。

將Modbus 協(xié)議程序燒錄到STM32 電路板一般有2 種方法:基于USB 串口的ISP 下載和基于仿真器的下載。 研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)采集儀采用了基于USB 串口的ISP 下載這一方式。

3 智能監(jiān)測(cè)采集儀研發(fā)

數(shù)據(jù)采集是指將采集到的模擬量(位移,壓力,溫度等)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,再進(jìn)行處理或儲(chǔ)存。 從基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā),以充分的市場(chǎng)調(diào)研為基礎(chǔ),自主設(shè)計(jì)研發(fā)了智能監(jiān)測(cè)采集儀,可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力(應(yīng)變)計(jì)、鋼筋計(jì)、軸力計(jì)等多種傳感器的數(shù)據(jù)采集和上傳。 主程序流程見(jiàn)圖4。

圖4 智能監(jiān)測(cè)采集儀主程序流程

智能監(jiān)測(cè)采集儀采集模塊硬件原理見(jiàn)圖5。

圖5 智能監(jiān)測(cè)采集儀采集模塊硬件原理

與市場(chǎng)上的采集設(shè)備相比,研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)采集儀具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)智能監(jiān)測(cè)采集儀可以兼容不同廠家的振弦式傳感器,并且可以自適應(yīng)不同種類型的振弦式傳感器信號(hào)輸出激勵(lì)電壓,能夠讓傳感器處于最佳的工作狀態(tài),從而大幅度提高監(jiān)測(cè)效率。

(2)將智能監(jiān)測(cè)采集儀的激勵(lì)信號(hào)與振弦式傳感器之間進(jìn)行物理隔離,大幅提高傳感器的使用壽命。

(3)采用“鋰電池+”交流電供電技術(shù)來(lái)滿足日常使用,并且能夠外接多晶硅太陽(yáng)能電池板,在連續(xù)陰雨天或者光照條件不足時(shí),使得智能監(jiān)測(cè)采集儀能夠在戶外正常工作100 h 以上。

(4)智能監(jiān)測(cè)采集儀內(nèi)部設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,在網(wǎng)絡(luò)條件不好時(shí),能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)滿足要求時(shí),將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至云端服務(wù)器。

(5)智能監(jiān)測(cè)采集儀能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,設(shè)定采樣間隔及休眠時(shí)間。

(6)采用JSON 格式通過(guò)4G 模塊上傳采集的數(shù)據(jù),大幅度降低了數(shù)據(jù)上傳和解析的困難程度。

4 智能監(jiān)測(cè)采集儀數(shù)據(jù)對(duì)比分析

利用激振、拾振技術(shù)對(duì)振弦式傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采用RS485 接口及Modbus 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)采集儀與傳感器之間的通訊,將獲取的數(shù)據(jù)利用JSON 格式通過(guò)4G 模塊實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器中。將研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)采集儀應(yīng)用于某城市軌道交通工程基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中(見(jiàn)圖6),對(duì)混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,智能監(jiān)測(cè)采集儀現(xiàn)場(chǎng)安裝情況見(jiàn)圖7。

圖6 智能監(jiān)測(cè)采集儀安裝現(xiàn)場(chǎng)

圖7 混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)

研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)采集儀包括8 個(gè)通道的數(shù)據(jù)接口,可同時(shí)采集8 個(gè)振弦式傳感器的數(shù)據(jù),將其中4 個(gè)通道分別接入不同混凝土支撐上的鋼筋應(yīng)力計(jì),通過(guò)系統(tǒng)配置,將智能監(jiān)測(cè)采集儀的采集頻率設(shè)置為1 h,連續(xù)獲取混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)的頻率數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè),智能監(jiān)測(cè)采集儀獲取的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

圖8 智能監(jiān)測(cè)采集儀與手持讀數(shù)儀成果對(duì)比

由圖7 可知,智能監(jiān)測(cè)采集儀獲取的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求。

為了進(jìn)一步對(duì)智能監(jiān)測(cè)采集儀采集數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度進(jìn)行分析,利用智能監(jiān)測(cè)采集儀與609 讀數(shù)儀分別在某天10:00、11:00、12:00 時(shí)間節(jié)點(diǎn)采集3 根鋼筋應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù),將智能監(jiān)測(cè)采集儀獲取的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)與人工采用609 讀數(shù)儀獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表2 和圖8。

表2 智能監(jiān)測(cè)采集儀與手持讀數(shù)儀成果對(duì)比_______

由表2 和圖8 可知,智能監(jiān)測(cè)采集儀獲取的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)與手持讀數(shù)儀相比,兩者誤差均小于0.4 Hz,最大值為0.32 Hz,最小值為-0.32 Hz。 不難看出,智能監(jiān)測(cè)采集儀獲取的數(shù)據(jù)精度較高,能夠滿足基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中混凝土支撐軸力的應(yīng)用需求,不同時(shí)間段采集的混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)無(wú)明顯的系統(tǒng)誤差。

與人工方式相比,智能采集儀能夠?qū)崟r(shí)獲取混凝土支撐鋼筋應(yīng)力計(jì)的頻率數(shù)據(jù),并將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器,無(wú)需人工到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,可大幅提高外業(yè)監(jiān)測(cè)工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

在研究振弦式傳感器的工作原理、數(shù)據(jù)通訊等技術(shù)的基礎(chǔ)上,研發(fā)出一款適用于各廠家振弦式傳感器的智能監(jiān)測(cè)采集儀,采用激振、拾振技術(shù)獲取傳感器的數(shù)據(jù),利用RS485 接口、Modbus 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器與采集儀之間的數(shù)據(jù)通訊。 采用JSON 格式通過(guò)4G模塊將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器,大幅度降低數(shù)據(jù)上傳和解析的困難程度,與人工采用手持讀數(shù)儀的方式相比,大幅提高外業(yè)監(jiān)測(cè)工作效率。

將智能監(jiān)測(cè)采集儀獲取的傳感器數(shù)據(jù)與人工采用609 讀數(shù)儀獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,智能監(jiān)測(cè)儀獲取的傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,采集的數(shù)據(jù)誤差均在0.4Hz 以內(nèi),與手持讀數(shù)儀測(cè)量結(jié)果相當(dāng),能夠滿足基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中支撐軸力監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。

智能監(jiān)測(cè)采集儀具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、兼容性高、供電方式靈活多樣、數(shù)據(jù)格式解析簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),利用智能監(jiān)測(cè)采集儀能夠?qū)崟r(shí)獲取被測(cè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),能夠?yàn)榛庸こ淌┕ぬ峁┲笇?dǎo),是未來(lái)智慧工地的發(fā)展方向之一。