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1、桥梁健康桥梁健康信息信息监测自动化采集系统监测自动化采集系统 陈红波陈红波 在桥梁健康监测工作中， 数据自动化采集与传输是整个监测系统中最重要的 一个环节， 根据桥梁监测内容的不同， 需要对不同的桥梁位置安放相应的传感器， 只有及时有效地把传感器采集到的数据正确汇总到上位机， 才能将各个数据进行 融合，进行桥梁的结构状态分析，根据状态评估对桥梁做出相应的处理。桥梁数 据自动化采集与传输目前经历以下几种方式，最初采用集中式采集，即传感器星 型连接，将各个传感器分别用电缆连接到中央采集站，由中央采集站将所有数据 汇总打包，然后发送到上位机，这种方式布设传感器困难，硬件投入多，而且由 于传输距离太远
2、，对于桥梁监测中的应变小电压信号会造成数据失真，集中式采 集根本无能为力，最近几年发展到分布式采集方式，即采用总线结构，这样各个 传感器的输出信号可以用很短的电缆连接到智能调理器中，经过处理后，智能调 理器将数据发送到总线上，这样构成的系统线缆上传输的基本都是数字信号，其 抗干扰性，稳定性均远远优越于模拟量构成的系统。 自动化数据采集系统建立的目的是实现对力学指标的自动、连续监测、对结 构进行实时状态监测，为健康安全综合评估提供数据。根据系统总体设计定义， 桥梁健康信息监测自动化采集系统主要包括了以下内容： 1) 传感器子系统 传感器选型 传感器自身安全性 2) 数据采集与传输子系统 传感器信
3、号的分类及信号调理的方法 分布式采集方案 采集控制及采集同步 智能调理器模块 3) 数据处理与控制子系统 结构状态的特征参数确定及其提取方案 数字滤波及其有效数据抽取 数据管理、显示和控制方案 在自动化数据采集的系统建立中的主要工作包括： 系统设计， 硬件选型研究， 关键器件研发，软件研发，系统中相应元器件、设备、线路等的外场安装和调试 等工作。 1 1 传感器子系统传感器子系统 传感器模块完成应变、结构温度、索力、环境参数、几何变形等参数的信息 采集工作。传感器系统的选择依照以下原则进行： 1)1) 选择合适的传感器精度选择合适的传感器精度 根据对桥梁监测的数据指标选择合适的传感器， 传感器
4、的精度和器价格是矛 盾的，因此在传感器的选择上不能一味追求高精度，应在适合的前提下选择精度 合适的传感器。 2)2) 选择满足长期稳定性与可更换性要求的传感器选择满足长期稳定性与可更换性要求的传感器 传感器在桥梁正常运营的工作环境下能够长期稳定工作，其必须具备温漂 小、 时漂小、 可靠性高的特点。 由于桥梁设计年限远远高于传感器类的光电产品， 因此在桥梁的生命周期内，传感器必然面临更换的问题，所以传感器的可更换性 也是极其重要的。 3)3) 选择满足采样频率或者时间系数选择满足采样频率或者时间系数要求的传感器要求的传感器 桥梁结构状态始终处在不断的变化中，因此，对桥梁结构进行指定时间的实 时监
5、测时必要的。通过实时监测可以获得桥梁结构在变化荷载作用下的响应，这 对于分析桥梁各个时期结构刚度状态、 记录桥梁的加载变换历程从而进行疲劳寿 命分析有重要作用。 传感器系统具有较高的采样频率的另外一个好处就在于便于 实现全桥传感器系统采样数据的同步， 否则各传感器数据不同步将导致较大的分 析误差。 4)4) 选择方便采集的传感器类型选择方便采集的传感器类型 对某种参数的监测可以选择不同的传感器，这些传感器都能够满足上述要 求，这是，应尽量选择便于采集的传感器。这样可以大大简化采集系统的设计， 并且具有更高的可靠性。一般而言，按照监测内容要求，选择输出电压、电流或 者数字信号的传感器较为容易。
6、5)5) 传感器自身安全性的识别及对策传感器自身安全性的识别及对策 传感器在使用过程中可能会面对各种故障。这些故障包括：无法工作，受到 强电场的干扰，温度漂浮过大，时间漂移过大等等。因此，健康监测系统应能够 对上述情况进行识别并发出传感器故障报警， 并在传感器选型及安装过程中避免 上述故障的发生。 传感器无法工作通常由于传感器本身质量，安装工艺部不过关，人为破坏或 遭遇雷击或其他强电脉冲。 解决这个问题的主要办法是选择质量可靠的传感器生 产厂家，严格按照规定的安装工艺施工，安装传感器的机械保护装置及防雷设备 等。 某些传感器输出微弱信号容易受到强电场干扰， 应对这些传感器加装屏蔽保 护装置。
7、在选择传感器的时候同时应重复注意传感器的温度漂移及时间漂移， 并应采 购传感器样品进行上述两项测试。 另外，在数据采集子系统、数据处理子系统中利用传感器的统计信息以及各 传感器的相关信息能够分析得到传感器的部分故障情况。 2 2 数据采集与传输系统数据采集与传输系统 数据采集与传输系统负责传感器信号的采集、调理、预处理、传输等。具体 功能要求如下： （1）系统应既能在无人职守条件下 724 小时连续采样，又可在报警状态 下(如台风、地震、船撞等)进行特殊采样和人工干预采样。 （2）数据采集软件应具有高效、可靠数据采集与传输的功能，并能对现场 数据进行基本的预处理,并能实时报告当前节点的工作工况
8、； （3）每个传感器信号均可在线预览、滤波、变换和同步统计处理，以便根 据实际传感器信号的时域、频域性质合理设置采样参数； （4）数据可供远程传输，传输和采样参数可远程在线设置，网络节点可以 方便的增加和减小； （5）系统管理员可以通过友好的人机界面对模拟、数字和视频等所有信号 的采样频率、触发阈值、时间间隔等参数进行调整并在线更新； （6）系统软件操作权限分为多级，只有系统管理员具有配置中心数据库、 编辑配置文件、修改传感器的校准数据等在内的操作权限，而一般的普通管理员 不应被赋予上述操作权限，以保证系统安全； （7）系统具有实时自诊断功能，能够识别传感器失效、信号异常、子系统 功能失效或系
9、统异常等。出现故障时，系统应能立即自动地将故障信息上传至数 据处理与控制服务器，并激活警报信息，与此同时，隔离故障传感器或子系统以 保障其余部分正常工作； （8）当系统的一个或多个部分暂时断电时，系统的各个部分应无需人为干 涉即可自动重新启动、同步校准和继续正确运行； （9）光纤数据传输网络应基于 TCP/IP 标准，以与其它基于 TCP/IP 的设备 和网络相协调； （10）光纤数据传输网络的设计和构造要考虑将来的扩展，且扩展无需中断 系统操作和影响现有的用户。在各站之间的数据交换应符合 ISO 或 CCITT 标准。 1)1) 采集采集与传输与传输系统总体原则系统总体原则 可靠性的原则 选
10、择误码率低、传输过程抗干扰能力强、具备一定故障自愈能力的采集与传 输方案。 易维护的原则 选择后期维护尽量简化的方案， 应尽量采用避免大规模不同类型线缆的布线 工作。 标准化的原则 尽量选择符合国际标准协议及标准安装程序的方案。 快速、实时的原则 在不增加成本的前提下尽量选择传输率高，实时性好的方案，当实时性无法 充分保证的同时应确保同步性良好。 2)2) 各类信号采集、处理方法方案各类信号采集、处理方法方案 桥梁数据自动化采集系统采用了多种传感器， 这些传感器输出信号种类也多 种多样，大大增加了采集系统构筑的难度。 智能调理器的前端设计在智能调理器中或者说在整个数据自动化采集系统 中占有重要
11、地位，传感器输出的模拟电压或电流经过智能调理器的前端处理后， 转变为数字信号，以串行或并行的方式传送给微处理器，因为传感器的众多，输 出参数也不尽相同，考虑到桥梁上安装，调试的方便，尽可能的做到智能调理器 的前端设计能满足多种传感器的输出，因此首先就是总结各种传感器的输出，以 及希望采集后的技术指标，并且还要考虑未来增加传感器有可能的输出方式。 根据以上所有传感器的输出参数，将其分为三类，一类是 mV 级的微弱电压 信号，主要是惠斯登电桥的输出；一类是电压和电流信号，范围在-5V+5V dc 之间，因为 AD 转换的高阻抗输入，420mA 的电流信号通过串接 250 欧姆的精 密电阻变为 15
12、V dc；一类数字温度传感器，用来监测各个传感器的温度 本系统利用自行研发的智能调理器能够很好的解决这个问题。 根据上面所述共研究开发了两种智能调理器，一种是处理应变电桥的输出， 一种是处理5V 或者 420mA 电流信号。两种调理器在处理模拟量输入时都可 以同时处理一路数字温度信号。调理器采用总线供电和总线传输数据，供电和数 据传输均做了防雷处理。 3)3) 基于基于 RS485RS485 总线的总线的分布式分布式采集系统采集系统 数据采集和控制系统主要有两种分布形式： 基于基于分布式的数据采集与控 制系统和基于板卡的集中式数据采集与控制系统。 基于分布式的数据采集与控制系统。 基本方式是采
13、用基于现场总线的数据采 集智能模块，流行的现场总线如 RS-485(非严格)、CAN BUS、Profibus 等。基本 做法是通过现场总线将智能模块引入计算机， 上位机通过定制的软件和智能模块 通讯。优点是易维护、布线简单、可靠性高，缺点是采样速度低、成本较高。 基于板卡的集中式数据采集与控制系统。 基本方式是采用数据采集卡进行数 据采集。主要做法是将一块基于 IAS 或 PCI 的板卡插入工业计算机或商用机(非 严格场合)上，将外部信号通过导线引至计算机的端子上然后接入数据采集卡， 通过定制的软件就可以进行采集。 优点是成本较低， 速度快， 缺点是可靠性一般， 同时布线费用高。 本系统我们
14、采用分布式的数据采集与控制系统，采用 RS485 总线，具有很高 的易维护性，布线简单，可靠性高，系统具有实时自诊断功能，可以报告和定位 任何一个节点(包括网络通讯节点和间隔层设备节点)的工作情况， 大大提高了系 统的可维护性能。 基于 RS485 总线的大型桥梁健康监测数据自动化采集系统的设计中， 智能调 理器后端设计为 RS485 总线方式，以 RS485 的差分数据信号输出到总线，最远可 以传输 1200m，用来汇总各个智能调理器数据的工业控制计算机选用了 MOXA 公 司性能强大的嵌入式智能通讯服务器 UC-7420，UC-7420 是专为嵌入式应用而设 计的智能通讯服务器，具备 8
15、个 RS232/422/485 串口，双 10/100Mbps 以太网网 络端口，PCMCIA 作无线通讯，以及扩充用的 CompactFlash 接口。通过 UC-7420 的网络端口外接网络转光纤模块，使数据最终达到远程监测站的上位机，上位机 是基于 VC+编程的大桥综合管理系统，包括了用户界面及中心数据库子系统。 针对基于分布式的数据采集与控制系统的采样速度低的缺点， 对采样点采集 的软件使用较为底层的 C 语言进行开发，提高了应用程序的运行性能，使用实时 的 Linux 操作系统，并多方面针对数据采集做了大量的软件优化，最终使单口单 设备数据采集能力达到 100Hz 以上， 桥梁健康监
16、测中数据采集要求采集速度一 般在 10Hz 以下，故完全能够满足现场使用的要求。 本分布式系统具有如下显著特点： 1) 采用分布式测控技术并结合集中式数据采集的优势，在智能调理器上采 用了数据缓冲技术解决了分布式采集速度慢的问题。 2) 每个传感器均与智能调理器连接，将传感器型号调理成符合国际标准协 议的数字型号。 3) 调理器的组网方式采用总线的方式，由于安装了智能调理器，实际上将 各个传感器转换成了智能传感器，那么采集站对每个传感器采集的信号 就变成了统一的数字信号，这样可以采用相同的命令格式向不同的传感 器发送采集或者传感器维护命令，这大大地降低了采集站配置的难度， 同时也大大降低了采集系统的费用。 4) 由于智能化调理器和传感器具有一一对应的特点，因此，调理器和传感 器安装距离非常近，调理器到传感器的模拟电缆非常短，这很大程度降 低了模拟电缆抗电磁保护的难度，最大程度减少了线缆使模拟信号的衰 减失真，有智能调理器构成的整个自动化采集系统基本都成了数字信 号，大大提高了抗干扰能力。
