毛幸全，刘 航，喻 言*，尚伟昌，王开宇，张传杰

(1．大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连116024;2．中国人民解放军63961部队北京特种机电技术研究院;3．海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

斜拉索是斜拉桥最重要的构件，直接承担着桥梁荷载，并控制着整个桥面系的内力分布和线型。通常斜拉索在锚固区的高度应力集中、腐蚀、疲劳及风雨作用下容易引起振动，导致斜拉桥索力的改变，索力是斜拉桥健康状态评估的重要指标[1]。因此，对斜拉桥的拉索进行索力检测和状态评估至关重要。

振动法测索力是目前确定斜拉桥索力最广泛使用的一种方法[2－3]，但是传统的振动数据采集是基于有线通信技术进行的。这种方法成本较高，而且随着网络规模的扩大，在一些大跨度的桥梁环境中，进行有线布置的困难日益突出。

基于此，本文提出基于无线传感器网络的索力识别系统。该系统可以实现在不同环境下对桥梁振动状况的实时监控，并进行斜拉索的振动基频识别，同时，利用振动法原理将基频转换为索力大小。相比较传统的有线检测，在保证测试系统稳定性、可靠性的同时，为快速方便地检测索力提供了有效的解决方案。

1 振动法测索力原理

振动法测索力广泛应用于拉索结构的施工控制和健康监测中，其原理是基于“弦振动理论”:索拉力与自振频率之间存在简单的关系，即

其中，T是索的拉力，m是索的线密度，l是索的计算长度，fn是索的第n阶固有频率。可以由实测的自振频率计算得到索力。但弦振动理论没有考虑拉索的垂度等影响，在很多实际应用中将带来很大的误差，所以，该理论可用做索力值的大致估算[4－5]。

任伟新等[6]采用索振动的一阶位型，用能量法推导出考虑拉索垂度等影响时拉索基频与索力之间的关系，同时利用最小二乘法进行曲线拟合来建立通过拉索的基频计算索力的公式。引入代表垂度等影响的无量纲常数λ2，得到考虑索垂度和弹性影响的索力实用公式如下:

式中f为由振动测试所得的索的基频，T为所求索力，l为索长，A为横截面积，m为索的线密度，E为弹性模量，I为截面惯性矩。使用上述公式时，先算出量纲参数的大致范围，然后再将基频值代入相应的公式计算。其中

2 基于无线传感器网络的索力测试系统

2．1 无线传感系统的网络拓扑结构概述

无线传感器网络是一种无中心节点的全分布式系统，通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域[7－8]。

无线传感器网络的拓扑结构通常分为星型拓扑、网状拓扑和混合型拓扑等[9]。由于星型拓扑结构便于集中控制，同时网络延迟时间较小，传输误差较低，所以本文选用星型网络拓扑结构进行无线传感系统的研制，拓扑结构如图1所示。

图1 无线传感系统的网络拓扑结构

在星型网络拓扑结构中，网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点上，由该中央节点向目的节点传送信息。中央节点执行集中式通信控制策略，在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。

2．2 无线传感器网络索力测试系统

无线传感器网络索力测试系统结构如图2所示。

图2 无线传感测试系统结构

所设计的系统由一个无线控制中心和8个无线采集节点组成。整个系统有64个采集通道，即每一个无线采集节点有8个20 bit A/D通道。采样数据在2．4 GHz无线信道进行传输，负责数据传输的每一个数据信道都在一个稳定的频带。而无线控制中心和每一个无线采集节点具有相同的，稳定的命令频段以便快速进行命令、数据的传递。

采集节点利用现有的微机电(MEMS)技术和嵌入式处理(MCU)技术进行器件集成，并采用模块化方式进行设计[10－11]。该节点由低频加速度传感器、接口单元、微处理器、无线通信模块、存储器、电源管理模块等部分组成。采集节点结构如图3所示。

图3 采集节点结构

超低频振动信号检测属于弱信号检测范畴，对加速度传感器的低频特性、灵敏度等要求较高，所以选用具有动态范围大、测量精度高等特点的力平衡加速度传感器。微处理单元(MCU)选用TI高性能16 bit微处理器MSP430F5438，具有良好的低功耗特性，可满足无线传感节点低功耗和快速数据处理的设计要求。

控制中心由无线收发基站和具有强大数据处理能力及高运行速度的DSP芯片构成，其中，DSP系统通过串口与基站相连。DSP系统设置有4个按键开关，分别表示设置采样频率，发送时钟信息，开始采集，结束采集等命令，其中采样频率开关可通过连续触动，分别在50 Hz、100 Hz和200 Hz之间进行选择。同时，在DSP内部集成有索力基频识别及索力公式算法[12]，当采集结束后，DSP对Flash内存储的采集数据自动进行分析处理，通过输入桥梁的相关参数，给出索力计算结果。

集成后的采集节点系统和控制中心系统如图4所示。

图4 无线传感器网络索力测试系统设备图

3 索力测试实验

为验证所开发的测试系统及嵌入式索力算法，进行了实验室桥梁模型和实际桥梁索力测试实验。

3．1 桥梁模型实验

测试对象为大连理工大学智能结构试验室里的斜拉索桥模型(图5所示):拉索横截面面积A=0.000 137 4 m2;拉索单位长度的质量 m=1．01 kg/m;拉索长度L=11．3 m;拉索与水平地面的夹角θ=19．47°;弹性模量 E=1．95×1011Pa。

图5 桥梁模型实验

为了验证无线传感器网络测定索力的精确性，通过拉压力传感器进行索力大小的直接读取来进行比对试验。

3．1．1 无线传感器网络测试系统框图

本文采用内置IC放大器的压电加速度传感器作为传感单元，连接到所研制的无线监测系统上，进行斜拉索垂直于拉索方向的加速度测试。所测试的数据经无线传感节点初步处理后以无线通信模式发送到无线传感基站，利用工控机嵌入到索力算法程序，从而完成索力的测试和比对。

图6 无线低频振动检测系统架构图

3．1．2 拉压力传感器对比试验框图

该对比试验采用了RSS02型拉压力传感器(0～20 T)。RSS02系列传感器采用S型剪切结构，具有结构合理、温度特性好、抗过载能力强、工作稳定等特点。

图7 拉压力传感器对比试验框图

3．1．3 试验对比方案图表

通过扳手转动拉索底部的螺栓旋钮，来设定不同的索力大小，其值由拉压力传感器直接读取。

对拉索的索力设定方案见表1。

表1 索力值设定方案

3．1．4 试验结果分析

(1)频谱分析

频谱分析采用现代功率谱估计中的AR模型法[13－14]，此法相对经典功率谱谱分析，其分辨率更高，方差性能更好，可直接由Matlab中的Pburg函数实现[15]。图8为第3次试验测得的功率谱密度。由图8可以看出各阶模态对应的功率谱密度峰值非常明显，而且相邻峰值之间的频率间隔基本相等。同时，该频谱图表明用现代功率谱估计法处理所得到的频谱图分辨率更高，收敛性更好。

图8 第三次测试竖向加速度时程图与功率谱密度图

(2)索力值计算

根据设定索力，由公式推算出反应垂度等影响的常数λ2，确定选用式(3)进行索力计算。

斜拉锁的设定索力和利用该无线传感系统所测得的索力对比，如图9所示。

3．2 实桥测试实验

现场测试对象为大连华录桥(图10)，该桥共有4根斜拉索，分别命名为1#，2#，3#，4#。我们分别在1#和2#索上布设加速度传感器，并间隔性地对拉索进行6次激励。同时为了验证在现场环境下无线传感系统的可靠性，进行了有线对比试验。有线采集系统利用NI多通道采集设备，同时利用LabVIEW语言和DAQ采集模块驱动程序进行数据采集和处理。

图9 斜拉桥设定索力与实测索力对比图

图10 斜拉索位置图

同上述关于桥梁模型的实验原理及数据处理方法，现场对比实验结果的数据分析图谱如图11～图14所示。

图11 1#索的无线测量时程图与频谱图

图12 1#索的有线测量时程图与频谱图

图13 2#索的无线测量时程图与频谱图

图14 2#索的有线测量时程图与频谱图

从图11、图12的时程图可以看出，每次索力的峰值分别是对拉索外加激励的结果，本次现场测试共进行了6次加载，1#和2#的拉索均真实且同步反应出了本次加载情况。通过与有线采集系统测试结果图对比可知，在现场真实环境下，无线传感系统能够可靠准确地测得拉索的振动状况。

无线测得的1#斜拉索与2#斜拉索的各阶振动频率(Hz)如表2所示。

表2 拉索的各阶振动频率

由桥梁参数及嵌入式索力算法，实测得1#索力73 kN，2#索力95 kN。通过实验结果及桥梁结构安全分析，可知斜拉索的索力值偏小，不满足斜拉桥的斜拉索受力要求，处于不合理状态。上述结论提交给桥梁管理方，为其进行索修复提供了依据。

4 结论

本文论述了利用振动法测斜拉桥索力的原理，介绍了无线传感系统的整体架构及模块化设计，并通过在系统中嵌入索力算法，完成了对实验室的斜拉桥模型以及现场拉索桥的索力测试。

桥梁模型实验结果表明，所测数据质量非常好，与拉压力传感器直接测得的设定索力值基本一致，所以利用该无线传感系统进行斜拉索桥的索力测试是准确可靠的。通过对现场桥梁的对比实验分析，表明该检测系统可以用于实际桥梁的索力测量，满足工程精度要求。总之，本系统在斜拉桥的索力检测应用中具有方便快捷、准确可靠等特点，具有极高的推广价值。

[1]郑灿．基于频率法的索力测试方法及索的损伤研究[D]．浙江:浙江大学结构工程，2008:1－3．

[2]王朝华，李国蔚，何祖发，等．斜拉桥索力测量的影响因素分析[J]．世界桥梁，2004(3):64－67．

[3]刘志军，陈国平，党志杰．检测斜拉索张力的振动法及其应用[J]．南京航天航空大学学报，2006，38(5):609－6121．

[4]石春香，李胡生，林立．考虑刚度及边界条件的短索索力求解与试验研究[J]．地震工程与工程振动，2010，30(2):86－911．

[5]陈刚，任伟新．基于环境振动的斜拉桥拉索基频识别[J]．地震工程与工程振动，2003，23(3):100－106．

[6]Kim B H，Park T．Estimation of Cable Tension Force Using the Frequency-Based System Identification Method[J]．Journal of Sound and Vibration，2007，304:660－676．

[7]Yu Yan，Ou Jinping，Zhang Jun，et al．Development of Wireless MEMS Inclination Sensor System for Swing Monitoring of Large Scale Hook Structures[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(4):1072－1078．

[8]喻言，欧进萍．海洋平台结构振动监测的无线传感实验研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2007，39(2):187－190．

[9]常超，鲜晓东，胡颖．基于WSN的精准农业远程环境监测系统设计[J]．传感技术学报，2011，24(6):880－882．

[10]Yu Yan，Zhao Xuefeng，Wang Yang，et al．A Study on PVDF Sensor Using Wireless Experimental System for Bridge Structural Local Monitoring[J]．Journal of Telecommunication Systems，2011．

[11]曹建福，金枫．大型装备状态监测无线传感器网络的研究[J]．传感技术学报，2011，24(4):571－574．

[12]侯立群，欧进萍，赵雪峰，等．哈尔滨四方台斜拉桥模态参数和索力识别[J]．振动与冲击，2009，28(5):107－109．

[13]朱庆，王忠，周旋．一种基于拟牛顿法的AR模型参数估计[J]．电子测量技术，2007，11(30):43－45．

[14]Marple S L．A New Autoregressive Spectrum Analysis Algorithm[J]．IEEE Transactionson Acoustics，Speech and Signal Procession，1980，28(4):441－454．

[15]陈怀琛，吴大正．MATLAB及在电子信息课程中的应用[M]．2版．北京:电子工业出版社，2004．

[16]Hua X，Ni Y，Chen Z，et al．Structural Damage Detection of Cable-Stayed Bridges Using Changes in Cable Forces and Model Updating[J]．J Struct Eng， ，135(9):1093－1106．