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传感器与微系统（Transducer and MicrosystemTechnologies）
2017年第36卷第12期
D0I:10. 13873/J.10009787 (2017)12006808
桥梁无线传感系统设计与分析
李嘉波，叶敏，李四维，郭
健
（长安大学工程机械国家重点实验室，陕西西安710064）
要：为满足桥梁监测的要求，对采集的数据实现无线传输，设计了数据无线采集传输系统。以STM 摘
微处理器和振弦式传感器为核心元件，对桥梁应变进行监测分析。分析了振弦式传感器的工作原理，对比分析了两种传统的激振原理，并结合两种激报方式的优缺点，提出了对低压扫频激振原理的改进方法，对激振电路进行了优化设计，同时设计了基于NRF905无线传感网络，完成了数据采集的无线发送和接收。实验结果表明：改进后的激振电路测量精度小于0.1%，系统工作稳定，无线传输功能满足桥梁监测要求。关键调：报弦式传感器；激报电路；无线传输：信号处理
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2017)12-0068-03
Designand analysis of wirelesssensingsystemforbridge
LI Jia-bo, YE Min, LI Si-wei, GUO Jian
(State Key Laboratory of Engineering Machinery,Chang' an University,Xi'an 710064,China)
Abstract: In order to meet the requirements of bridge monitoring, wireless transmission of the collected data is realized,and data wireless acquisition and transmission system is designed. The STM microprocessor and the vibrating wire sensor are used as the core components to monitor and analyze the bridge strain, Working principle of vibrating wire sensor is analyzed,and two kinds of traditional excitation principle are compared and analyzed. The advantages and disadvantages of two kinds of excitation modes are discussed, and improved method of low voltage frequency swept excitation principle is put forward, and excitation circuit is designed and optimized. Wireless sensor networks based on NRF905 are designed and wireless transmission and reception are achieved. The experimental results show that presion of measurement based on improved excitation principle is less than
0. 1 % ,the system is stable and the wireless transmission function meets requirements of bridge monitoring Key words: vibrating wire sensor; excitation circuit; wireless transmission; signal processing
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言
为了实时掌握桥梁结构的应变变化，需对不同位置进
行监测，面目前大多数的监测系统采用有线模式完成数据的采集、传输，虽然其传输效率和传输精度均很高，但是实际测量中布线复杂，成本较高。将无线模式引人到监测系统中，可更好地解决有线传输可能出现的间题以及缺陷"。因此，设计了以无线传输模块NRF905为主的传输系统，搭载微处理器STM32，对数据进行采集、传输，对桥渠
结构应变进行实时监测。系统硬件设计
数据采集传输总体框架如图1所示。系统主要由 STM32F103处理器，激振电路，拾振电路和无线收发模块组成。工作流程如下：1)STM处理器向传感器发出激振信号，使振弦式传感器的钢弦振动；2)将传感器输出的信号通过拾振电路进行滤波放大等信号处理;3)将处理后的信
收稿日期：201710-19
号通过无线的方式，发送至PC端，可通过窗口对数据进行分析。
禁法式传多器
怡票电路
STM32微
家限
处理器
围1
传统激振原理
采集系统总体结构
无线模块
将一可调节的频率信号对传感器的线图进行激振，当激振频率接近钢弦的固有频率时，达到共振，此时线圈产生的频率激振频率(2]。报弦式传感器有两种激振方式：
1）高压拨弦激振：将输人的脉冲信号进行放大，放大后的信号需要经过变压器输人到整流电路中，通过对电路电容的充电时间：控制，当电压达到预先设定值后，加载到振弦式传感器的线圈两端，即有电流产生，并产生磁场，钢弦受迫振动，当线圈上的电流消失，钢弦做有阻尼的衰减振荡，此时钢弦的固有频率即为振荡频率[3]。