桥梁线形测量系统研究与实现

桥梁线形测量系统研究与实现
何聪;钱国明;韩晓健
【摘要】针对大跨度桥梁健康监测中的桥梁纵断面线形测量需求,设计了一种适合室外工作环境的高精度倾角测量系统.该系统通过倾角传感器对桥梁倾角进行差分
测量,微控制器对倾角信号进行过采样,并对测量数据进行零点校正、温度补偿等处理,对通信接口电路进行抗雷击设计.通过测试比对,该桥梁线形测量系统具有精度高、抗干扰能力强、性价比高等特点,能满足实际桥梁线形测量需求.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】桥梁线形;倾角传感器;过采样;抗干扰
【作者】何聪;钱国明;韩晓健
【作者单位】南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏南京210003;南京邮电大学
电子科学与工程学院,江苏南京210003;南京工业大学土木工程学院,江苏南京210003
【正文语种】中文
【中图分类】TM932
桥梁线形测量是桥梁健康监测的重要组成部分，通过对各控制断面的挠度实时监测，可以拟合出整座桥梁的线形结构，从而获悉桥梁的承载能力、宏观质量状态，避免桥梁隐患因得不到及时的检修而影响行车安全、缩短桥梁服役时间。

基于大跨度桥
梁的跨度大、离地高、桥面变形复杂的特点，一般的挠度测量方法在实际操作中都存在一定的局限性[1]。

鉴于桥梁在活载作用下变形曲线是光滑连续的，可以用倾角仪检测桥梁纵向断面关键测点的倾角值，利用最小二乘法拟合得到桥梁的挠度曲线。

该倾角仪法不需要测量参考点、对环境条件的依赖低，测点布设方便、测量效率高，同时可测静态、动态挠度，具有良好的低频特性、瞬态反应能力。

本系统根据桥梁线形测量的实际应用需求，合理选取倾角仪的设计与实现方案，重点介绍了利用倾角传感器测量桥梁线形的原理，倾角仪各硬件电路模块设计，数据过采样、温度补偿和零点校正的软件实现等组成部分，最后和市场产品进行对比测量试验，验证了本系统的实用性和可靠性。

桥梁线形计算的方法有积分法、叠加法、有限差分法以及有限元法等，本系统主要结合最小二乘法[2]来计算桥梁线形。

假设桥梁分有n跨，第i跨的上合理布设了k 个倾角仪，利用材料的相关理论适当选取该跨挠度曲线yi(x)，选取的挠度曲线满足该跨所有支座的挠度边值约束条件：
式中：A(x) 为满足该跨桥梁支座挠度边值条件的函数；hj(x)为合理选取的k-1维线性空间的一组基；Bj为基函数的常系数。

对式(1)求导可得桥梁的曲线斜率方程如下：
式中分别为函数A(x)、hj(x)对x的一阶导数；θ(xj)为第j个测点的桥梁倾角值。

通过k个方程求解k-1个未知数，不可能存在一组解能够精确满足方程组(2)。

为了求得最佳解(j=1,…,k)，根据倾角仪实际所测倾角值θj(j=1,…,k)可以构造如下目标函数：
对式(3)对进行求导，求得一组最佳解(j=1,…,k)使该目标函数取得最小值，将该组最佳解代入方程(1)中，就得到该跨桥梁的挠度曲线：
采用最小二乘法所得到的挠度曲线和倾角曲线连续光滑，桥梁断面的曲率连续，并且此方法满足桥梁的测量精确需求。

桥梁线形测量系统包括倾角数据采集部分的倾角仪和倾角数据处理部分的上位机，为了对室外桥梁变形状态进行实时监测，倾角仪应具有测量精度高、工作稳定性好、抗干扰能力强、能适应室外大温差、功率消耗低等性能。

如图1所示，倾角仪的
硬件设计选取了倾角传感器SCA103T、微控制器MSP430、串行通信
SN65LBC184以及稳压电源IB1205等主要模块。

分布布设在桥梁各控制断面处的倾角传感器时刻监着桥梁测点处的倾斜状态，并将该倾角信息转换成两路模拟电压差分信号输出，该差分信号经过仪表放大器后输入到低功耗微控制器进行过采样A/D转换，同时控制器通过从倾角传感器的SPI接
口接收温度信号，依据温度漂移二次拟合函数将温度信号换算成相应的修正值并结合该值对当前倾角实施温度补偿。

最后通过RS485总线把倾角信号传输到上位机
进行数据分析和曲线拟合。

2.1 倾角传感器
SCA103T系列倾角传感器采用差动测量原理和机械阻尼设计，并增设了温度补偿模块，因此具有分辨率高、噪声干扰小、抗冲击能力强、温度依赖性低等特点，同时还具有强大的内部、外部电路失效自我诊断功能和外部激活自我测试功能[3]。

参考相关国家通用规范[4]以及大跨度斜拉桥线形测量的实际应用需求，为了获得
更高的测量精度，本系统选用测量范围为±15°的SCA103T-D04。

其模拟输出模
式在10 Hz带宽下，信号分辨力可达到0.001 3°，明显高于数字输出模式下的
0.009°/LSB；同时在-25～+85 ℃的标准温度范围内，传感器能保证角度偏移小于0.002°/℃，灵敏度偏移小于0.013%/℃，和小于0.004°的长期稳定性。

鉴于误差源在SCA103T内部2个传感元件上具有相同的干扰，通过传感器的两路模拟电压输出Vout1和Vout2来进行倾角信息的差分测量，可以显著减小共模噪声以提高产品灵敏度。

用下式可以将模拟输出转换为相应的角度
式中：Os为传感器在倾斜0°时的电压输出值，正常的零点输出是0 V；S为传感
器的灵敏度，SCA103T-D04的灵敏度是15 V/g；Vout为传感器的差分输出电压Vout=Vout1-Vout2。

2.2 数据采集
电路设计中SCA103T的两路差分模拟电压信号经过RC低通滤波器从而有效滤除传感器内部产生的毛刺影响；再利用单芯仪表放大器AD620对两路模拟输出0～
5 V和5～0 V进行接收以获得折合到REF引脚电位的单端输出，同时也消除了信号中夹杂的共模噪声；为了满足徽控制器正极性模拟电压输入的要求，REF引脚需要连接5 V的精密基准电压芯片REF02从而将单端输出电压抬高至0～10 V；利
用运算放大器OP08搭建的电压跟随器电路来隔离前后级电路，避免后级电路因
阻抗匹配问题对前级输出的倾角电压信号产生影响。

系统选用的MSP430微控制器集成有较丰富的片内外设，内部12位ADC模块可选1.5 V或2.5 V的内部参考电压和1.4 V到VAVCC的外部参考电压，鉴于
MSP430内部参考电压的不稳定性，本系统采用可调基准源TL431为控制器提供稳定的2.5 V外部电源参考；由于参考电压的限制，仪表放大器的输出信号需要通过徽调电位器四倍分压后才能输入到控制器A/D模块中进行采样。

2.3 数据通信
分布式设在桥梁各关键控制断面的倾角仪，工作于天气状况和电磁环境比较复杂的室外，在通信过程中很容易受到瞬变电压(如雷电等)、电磁干扰、ESD、总线开路、热故障等各种干扰[5]。

虽然RS485接口采用了差分方式进行发送与接收，具有一定的抗共模干扰能力，但当共模电压超过RS485接收器的极限电压时(大于+12 V 或小于-7 V)，接收器无法正常工作；严重时会导致半导体器件静电击穿，造成永
久性损坏，甚至会烧毁芯片和仪器设备。

为了保证数据通信的可靠性，倾角仪的通信接口电路应进行电气隔离处理。

具有多种故障抑制特性的SN65LBC184常作为RS485通信常见故障的集成解决
方案，其片内A、B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，能承受峰值为400 W(典
型值)的过压瞬变(如雷电、静电放电和交流电故障)，从而显著地提高了器件抗过
压瞬变的可靠性。

同时采用DC-DC隔离电源模块将微控制器系统和RS485收发
器的电源隔离，并且两者电路不共地；使用高速光耦HCLP-2630将通信信号和时钟信号隔离，既消除共模电压的影响也保障了通信速率。

MSP340微控制器需要编写的程序主要有系统初始化程序、倾角信号的过采样
A/D转换程序、通过SPI接口的温度采集程序、数据温度补偿和滤波处理程序以
及通信程序，程序流程图如图2所示。

倾角仪控制程序整体采用中断处理方式，
上电后首先进行系统初始化，包括时钟初始化、SPI接口初始化、ADC12初始化
以及通信接口初始化。

3.1 过采样A/D转换
倾角仪所受噪声可以近似为白噪声，微控制器ADC12模块对倾角信号的12位转
换精度难于满足的需求的倾角测量精度，为此通过软件编程实现对倾角信号过采样将转换精度由12位提升至16位[6]，鉴于试验桥梁固有频率为10 Hz左右以及过采样率OSR公式，ADC12过采样初始化的部分代码如下：
ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0_7+MSC；
∥开ADC12模块，采集定时器分频系数n=128，首次转换由SHT信号上沿触发，而后转换在前一次转换完成后立即进行。

ADC12CTL1=ADC12SSEL_0+ADC12DIV_5；
∥ADC12内部时钟源约4 000 kHz，6倍分频后为666.66 kHz，128倍的采样保持时间后为5.2 kHz，达到过采样的2*44*10 Hz=5.12 kHz的要求。

ADC12CTL1=+SHP+CONSEQ_2+CSTARTADD_6；
∥使用采样定时器输出做采集/转换信号SAMPCON，单通道多次转换，转换的首地址。

ADC12MCTL6=SREF_2+INCH_6+EOS；
∥ADC12MCTLx，设置外部参考电压为VeREF+,和采样通道A6，最后一个通道需要加EOS。

3.2 温度补偿
通过参考倾角传感器芯片资料和不同温度下的测试数据发现,传感器的偏移温度信赖性曲线随着温度变化没有任何显著倾向,不需要额外的外部补偿,但是平均灵敏度温度依赖性曲线随着温度的相对+20 ℃偏移有逐步减小的趋势,在一定程度上影响了测量精确度,需要对灵敏度进行温度补偿,补偿曲线为三阶多项式,通过温度补偿后灵敏度偏移可以从0.013%/℃降低到0.005%/℃。

T=(temperature-197)/(-1.083)；
∥温度值计算，temperature为控制器通过SPI接口获取到的8位温度测量值。

scorr=-0.0000005*T*T*T-0.00005*T*T+0.0032*T-0.031;
∥平均灵敏度温度依赖性曲线，采用三阶多项式进行补偿。

comp=SENS*(1+scorr/100.0)；
∥补偿后的灵敏度，将comp值代替倾角计算公式的SENS值。

4.1 实物制作
为了进一步降低测量信号所受干扰，PCB布图设计时将电源模块集中一处和其他模块尽量分开布设，在隔离电源和高速光耦芯片底部进行长条形开孔，将通信接口模块与系统完全隔离。

倾角传感器的测量方向布置为板子的长边方向，以提高测量精确度。

双面布设器件和走线，实现倾角仪微型化，PCB板子大小为41.3
mm×114.3 mm。

倾角仪实物图如图3所示。

4.2 测试数据
将本系统和市场上已标定的超高精度倾角仪产品(产品说明书标注精度为0.001°，分辨率为0.000 5°进行对比测试，本系统和该倾角仪产品安装在同一测试台上，
分别对测试台进行水平放置(产品测量倾角值为-0.014°时)和倾斜放置(产品测量倾
角值为-11.930°时)，并多次调整测试台的位置，对其倾斜角度进行重复对比测量。

本系统测量数据结果如图4所示。

通过分析图4中数据发现，在第一组数据中系统在+24 ℃时测量水平放置测试台
的倾角值为-0.0341°～-0.039 5°，系统运行一段时间后温度升高，在+28 ℃时测量水平放置测试台的倾角值为-0.026 8°～-0.031 1°；在第三组数据中系统在+24 ℃测量倾斜放置测试台的倾角值为-11.940 1°～-11.945 1°，系统运行一段时间后温度升高，在+28 ℃测量倾斜测试台的倾角值为-11.933 1°～-11.937 7°。

通过对比4组数据发现，在测试台稳定、温度恒定情况下，倾角测量值的抖动范
围在0.005°内，即系统测量精度可达0.005°；对比第一与第二、第三与第四组数据，在温度提高+4 ℃时，倾角测量值的变化都小于-0.008°，即本系统的温度漂
移小于-0.002°/℃，温度依赖性低。

通过多次对比测试验证，本系统倾角仪设计在保持使用常见器件的情况下，使系统各项测量指标接近同类高精度产品水平，满足了桥梁线形测量的实际需求。

本桥梁线形测量系统设计在不采用昂贵高精度A/D芯片的情况下，有用微控制器
内部A/D模块，结合抗干扰电路设计等技术，以及过采样、温度补偿等数据处理
方法，实现倾角信号高精度采集，在控制开发成本的同时满足了桥梁线形实际测量需求。

本系统倾角仪除可以对桥梁进行线形测量外，还可应用于工业生产检测、建筑施工测量、能源地质勘探等各种需要测量倾斜的场合。

【相关文献】
[1] 杨建春，陈伟民.桥梁结构挠度自动监测技术的现状与发展[J].传感器与微系统，2006，25(9)：
6-8.
[2] 杨学山，侯兴民，廖振，等.桥梁挠度测量的一种新方法[J].土木工程学报，2002，35(2)：92-
96.
[3] 周庆飞，徐明龙.基于MSP430的高精度倾角测量系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表.2011，(1)：40-42.
[4] 倾角仪、水平仪通用规范SJ20873-2003[S].
[5] 薛伟.提高RS_485总线可靠性的研究[J].大众科技，2005(6)：45-47.
[6] GANG H,JIANPING Z.Over sampling and used in temperature compensation for acceleration sensor[J].Electronic Measurement & Instruments,2009.。