韦炳机

（柳州市智能制造科技服务中心柳州市自动化科学研究所，广西 柳州 545001）

0 引言

随着我国基础交通建设的快速发展，拉（吊）索类的桥梁建设方式被广泛使用在公路桥梁、跨江桥梁及跨海桥梁的建设中。然而，作为桥梁主要受力构件之一的拉索长期处于高强度应力状态下工作；另一方面，由于风振、雨振等原因，进一步加大拉索的正应力及侧张力，长此以往而导致桥梁拉索应力构件产生疲软、损坏，严重者甚至导致桥梁发生重大事故。由此可见，拉索的应力工作状态俨然已经成为桥梁是否处于安全状态的重要判断依据之一。目前，在大体量的预应力检测应用环境下，现如今在桥梁的预应力测量应用中每年因磁通量传感器故障而导致磁通量检测设备烧毁的事件时有发生，所以一种桥梁磁通量传感器故障的智能检测装置对桥梁预应力测量工作具有重要的意义。

本项研究目的是建立基于CAN总线的桥梁磁通量传感器故障的智能检测应用装置，以STC16F40K128微处理器单片机为控制核心，利用CAN总线通信设计实现传感器通道与磁通量传感器总线的切换，利用多功能切换电路的设计辅以电阻测量电路、短断路测量电路实现磁通量传感器特性的检测，最后以检测的结果为主要依据判断磁通量传感器是否存在故障。以期望该装置能为桥梁预应力的检测提供一种安全的测量技术保障。

1 磁通量传感器

磁通量传感器作为应力传感的敏感器件被广泛应用于桥梁拉（吊）索的内部应力监测。磁通量传感器的本质是基于铁磁性材料的磁弹效应原理制成的磁通量传感器件[1]，它主要由初级绕组线圈、次级绕组线圈、NTC温敏元件及空心绝缘套、金属外壳构成；拉索内部的磁性钢绞线束从传感器内部穿心而过，当预应力检测设备向初级绕组线圈发出脉冲信号能量后，在电磁转化的作用下使得钢绞线束的磁化强度（磁导率）发生变化[2]，通过测量次级绕组线圈输出的变比电压值就可以间接测量拉索的应力情况。NTC温敏元件则是起到预应力算法中的温度补偿运算，进一步降低外界温度对预应力测量的干扰，提高测量的准确性。

2 系统硬件设计

如图1系统结构框架图所示利用嵌入式单片机控制核心模块，多通道ADC测量电路、两路高精度的0～100欧量程电阻测量电路、一路0～10K欧量程电阻测量电路、短断路测量电路、磁弹仪测量输出接口电路、多功能通道切换电路和地址译码器控制电路构成的智能测量、切换的功能模块，系统参数存储和测量记录的EEPROM/SD存储电路模块，系统电源和隔离电源构成的装置供电模块，低功耗IOT/GPRS无线物联电路和HMI交互屏构成的人机交互输出模块以及由9芯地址总线控制电路和PCA82C251接口电路、光隔离电路构成的CAN通信总线两种总线通信控制输出模块设计而成的具有通信控制、磁通量传感器故障检测功能的装置。

图1 系统结构框架图

2.1 CAN总线接口电路设计

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的简称，是目前国际上应用最为广泛的一种现场总线之一。系统中选择PCA82C251芯片作为CAN协议控制器和物理总线之间的接口芯片，利用它向总线提供差动的发送能力和向CAN控制器提供差动的接收能力。为了进一步提高CAN总线通信的可靠性与稳定性，CAN总线通信接口电路采用光耦隔离、电源隔离及防雷电路技术共同设计。如图2所示为CAN通信总线传输速率为100Kbit/S，传输距离为400 m的高可靠通信设计，图中电路采用斜率控制模式，斜率电阻R3取47K设计以提高总线通信的抗射频干扰能力，总线通信采用高速的HCPL0600光耦设计为通信节点做电气隔离，而防雷管B3D090L及双向抑制管的电路设计为CAN通信总线提供安全的感应电压泄放回路。

图2 CAN总线接口电路图

2.2 微处理器

本设计是采用宏晶公司新出的STC16F40K128嵌入式微处理器作为主控芯片，其主频高达40 MHz，是一款超强抗干扰/高速/低功耗的16位8051内核的高性能微处理器。STC16F40K128具有4路UART、15通道的12位高速ADC、CAN协议控制器、USB2.0控制器及LIN控制器等丰富的外设接口，能满足系统的设计需求。

3 系统软件设计

系统软件分上位机软件编程和微处理器单片机的软件编程，上位机软件编程包括触摸屏的HMI界面编程和远程PC机的控制软件程序，它们的功能主要是为用户提供CAN总线输出控制的指令发送以及系统参数配置的人机交互界面。微处理器单片机的软件编程主要实现的是将人机交互部分发送出的控制指令转化发送及执行控制指令功能。微处理器单片机的软件功能主要由以下几个部分构成：系统初始化；操作控制指令的执行，磁通量传感器故障的测量工作；系统参数更改的写入操作。具体工作流程如图3所示。

图3 软件工作流程图

4 结语

文章主要介绍了桥梁磁通量传感器故障智能检测的硬件构成、电路设计及软件设计方法。其主要包括CAN总线接口电路设计，磁通量传感器特征检测电路设计及软件实现方法的控制流程设计；该设计具有CAN总线服务、自动识别磁通量传感器故障、智能使能磁通量安全测量工作等功能，这些功能为解决桥梁预应力检测工作中存在的检测设备使用安全隐患提供了技术支持。目前该装置已经被应用于多座拉（吊）索大桥的拉索预应力检测工程及“中国天眼”射电天文望远镜的主索索力预应力监测工程，应用结果表明该系统能够保障预应力检测设备不受磁通量传感器故障的影响，具有较高的市场推广价值。