第３６卷 第１期 ２０１２年２月 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８Ｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１２ 振弦式传感器用于动态测试的可行性分析＊ 徐承军 罗 东 常亚琼 （武汉理工大学物流工程学院 武汉４３００６３） 摘要：通过对振弦式传感器工作原理的研究，搭建了振弦式传感器的结构应力信号动态采集系统， 并以悬臂梁为试验对象，与信号测试设备——东华ＤＨ（５９２３１３９４）进行了数据采集对比试验，然 后利用Ｍａｔｌａｂ对采集结果进行了相关性分析，确定了利用振弦式传感器在机械结构应力动态测 试中的可行性． 关键词：振弦式传感器；动态测试；Ｍａｔｌａｂ；相关性分析 中图法分类号：ＴＰ２１２．１ ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—２８２３．２Ｏ１２．０１．０２５ ０ 引 言 动态测试中的应用． 本文对振弦式传感器的工作原理进行了研 自振弦式传感器发明以来，一直受到工程界 的重视，由于其自身特殊的工作机理和优越性，目 究，设计了基于振弦式传感器的结构应力动态信 号采集系统，并利用试制样机与经计量的信号测 试分析系统进行了对比分析验证．实验分析结果 初步证实了振弦式传感器应用于结构应力动态测 试中的可行性，为其在结构应力动态监测的工程 应用打下了基础． 前已经在多个领域得到广泛应用．振弦传感器是 基于钢弦频率随张力的变化而变化的原理而工作 的，与工程、科研中普遍应用的电阻应变计等其他 传感器相比，其优越性主要表现在［１］：（１）振弦传 感器以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因 而具有良好的抗干扰能力和远距离传输能力．相 对于电阻应变计等传感器的模拟量输出来说，能 １ 振弦式传感器动态数据采集系统 １．１硬件模块 更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存 储，实现高精度的自动测试．（２）从目前工程现场 的测试要求和恶劣环境来看，由于振弦传感器自 身独特的结构形式、工作方式以及安装方式等原 根据振弦式传感器的工作原理，采用目前较 为成熟的单片机８９Ｃ５１芯片ｌ＿２］，利用该芯片的 Ｉ／Ｏ口实现对附加电路的控制和信号的采集等功 因，相对于其他传感器来说，具有优越的适应环境 的能力和长期稳定性．有资料表明，目前振弦式传 感器的最长连续工作时间已经达到了２７ ａ． 能．以该芯片内的计数器作为计数单元，对钢弦传 感器频率信号计数，并进行分析处理．利用单片机 的Ｉ／ｏ口对传感器触发电路进行控制，发高压脉 此外，振弦式传感器还具有受电参数影响小、 零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震 冲触发传感器，采集传感器信号．由于试验样机利 用的单线圈振弦式传感器，在单片机的外围电路 中采用光耦电路来实现对激励环节和采集环节的 切换． 动等优点．目前振弦式传感器主要应用于岩土工 程进行静应力监测，并且取得了很好的结果．大量 的国内外文献查阅表明，尚未发现其在结构应力 收稿且期：２０１１－０８—１１ 对于频率测量模块来说，传感器每２ ｍｓ输出 徐承军（１９７３一）：男，博士，副教授，主要研究领域为机械故障诊断、机械电子工程、机械设计及理论 高校基本科研业务费专项资金项目、武汉理工大学自主创新研究基金项目资助（批准号：２０１０～ＩＶ－０８８） ・ １０８ ・ 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） ２０１２年第３６卷 一次测量结果，因而动态数据采集数据量很大，不 适合使用ＡＳＣＩＩ码通信，因而在此改用了二进制码 以减小数据量．系统设计的通信数据格式见表１． 表１通信数据格式 系统的通信方式则使用目前比较成熟的串口 通信，设置波特率为１１５ ２００ ｂｉｔ／ｓ，这样也便于和 其他控制通信设备进行对接． １．２ 软件模块 上位机软件和系统界面选用目前做常用的软 件编程工具ＶＣ６．Ｏ来完成．其架构见图１． 图１软件架构模块图 软件模块由通信模块、数据显示模块、数据处 理模块和数据存储模块组成．具体工作过程为：上 位机发送接收从机的地址，等待接收从机的应答 信号，然后当下位机接到开始信号后，开始进行数 据采集并通过串口向上位机传输数据．上位机收 到数据后，立即处理数据并记录目前系统时间，同 时做出应力信号的时间历程曲线图，直到数据采 集结束后，按停止按钮结束采集． ２ 对比验证 为了验证振弦式传感器动态测试系统数据的 准确性，本文使用经专业校验单位进行过计量标 准认定的“东华ＤＨＤＡ（５９２３—１３９４）信号测试分 析系统”（以下简称“比对系统”）来对其测试数据 的准确性进行对比．东华ＤＨＤＡ信号测试分析系 统可使用金属应变片来进行金属结构的应力测 试，具有较长的工业应用背景．因此，使用该测试 分析系统对振弦式传感器动态测试数据进行验证 分析，具有代表性和科学性． ２．１试验方法与步骤 试验采用了悬臂梁来模拟机械的金属结构， 传感器的布置见图２． 在悬臂梁根部同一截面的上、下表面分别安 装了振弦式传感器与金属应变片，并连接振弦式 图２传感器安装不意图 传感器动态采集系统试验样机和比对系统．待两 系统均调试准备好后，同时开始进行数据采集．由 于两个测试系统分别位于同一截面的上下两个表 面，从理想状况上来说，其采集的数据应该是大小 相同，方向相反的，在应力数据曲线上应显示为衰 减幅度和速度相同，而且幅值上下对称的波形． ２．２实验数据 如图３是比对系统的数据采集曲线，图４为 振弦式传感器数据采集信号系统的数据采集曲 线，横轴均为时间，纵轴为结构应变．以图３为例， 试验开始较平稳的阶段为无载荷状态，曲线中Ａ 点时刻开始施加载荷，Ａ点到Ｂ点之间通过手工 随意施加缓慢交变载荷，Ｂ点时刻在悬臂端给予 初始位移后突然释放，使得悬臂梁进行自由阻尼 振荡，由于阻尼使悬臂梁振幅逐渐减小，ｃ点时刻 重复施加缓慢交变载荷，然后再次自由振荡，依次 循环若干次． ６ ４ ｂ ２ －＾ × Ｏ ２ 制 ４ ６ ８ １０ Ｏ ２Ｏ ４Ｏ ６Ｏ ８Ｏ １０Ｏ １２０ １４０ １６Ｏ 时问／ｓ 图３ 比对系统时间应变图 皇 ＼ 删 ０ ２０ ４０ ６０ ８０ ｌＵＯ ＬＺＵ ｌ４Ｕ ｌ６Ｕ 时间／ｓ 图４振弦式传感器数据采集信号系统时间应变图 ２．３振弦式传感器采集系统准确性分析 从肉眼直观看来，上述２套系统采集的数据 曲线具有很高的相似性，将其中一组数据进行反 相，并将两曲线的横轴变成相同的时间刻度，放到 Ｏ 第１期 徐承军，等：振弦式传感器用于动态测试的可行性分析 ・１０９・ 一个坐标系下绘制出来，两者的吻合性也明显．为 了从科学的角度验证两者的相似性，本文采用 Ｍａｔｌａｂ的互相关分析方法来进行验证＿３］，从而确 定振弦式传感器采集系统的准确性． 由于２个系统的采样方式不同，因此两组数 据的采集点不是一一对应的，所以在进行相关性 分析之前，首先要进行数据插值，使两数据具有相 同的步长和取值范围，然后才能够进行相关性分 析． ２．３．１数据插值处理 数据插值是在离散数据的基础上补插连续函 数，构成连续曲线，而这条连续曲线就可以通过全 部要求的离散数据点 ．它的原理是根据在有限 离散点处的取值情况，估算出函数在其他点处的 近似值．Ｍａｔｌａｂ自带数据插值处理的函数，进行 数据插值计算的Ｍａｔｌａｂ命令如下． ｙｉ＝ｉｎｔｅｒｐｌ（＿ｘ，Ｙ，ｘｉ，ｍｅｔｈｏｄ） 该命令用多项式技术计算实现一维插值． 式中：ｙ为函数值矢量；ｘ为自变量取值范围；ｘｉ为插值 点的自变量矢量；ｍｅｔｈｏｄ为插值方法选项． Ｍａｔｌａｂ实现一维插值共有４种方法： 临近点插值：ｍｅｔｈｏｄ＝ ｎｅａｒｅｓｆ 线性插值：ｍｅｔｈｏｄ＝ ｌｉｎｅａｒ＂ 三次样条插值：ｍｅｔｈｏｄ＝ ｓｐｌｉｎｅ＂ 立方插值：ｍｅｔｈｏｄ＝ ｐｃｈｉｐ＂ｏｒ ｃｕｂｉｃ＇ 对于［ｍｉｎ｛ｘｉ｝，ｍａｘ｛ｘｉ｝］外的值，Ｍａｔｌａｂ使 用外推的方法计算数值． 本文试验中２种系统采集到的数据都是离散 值，用Ｍａｔｌａｂ完成两者数据插值的代码如下： Ａ—ｌｏａｄ（ Ｄ：＼ＡＡ．ｔｘｔ＇）： Ａ是振弦传感器系统测得的值 Ｂ—ｌｏａｄ（＇Ｄ：＼ＢＢ．ｔｘｆ）： Ｂ是东华测试仪测得的值 ａｘ—Ａ（：，２）： ａｙ＝Ａ（：，３）： ｂｘ一（０．０００：０．００５：１６２．７９）＋０．１５： ６ 一一Ｂ（：，２）＊０．２１： ｐｌｏｔ（ａｘ，ａｙ，ｂｘ，ｂｙ）： Ｍａｂｅｌ（ 时间（ｓ） ）， ｙｌａｂｅｌ（ 应力（ＭＰ） ） ：ｔｉｔｌｅ（ 振弦式传感器数据跟东华金属应变片数据原始 数据 ）： ｌｅｇｅｎｄ（ 振弦式应变计数据 ， 金属应变片数据 ）： ｈａ一１：０．００１：１９： ｈｂ＝ｈａ： ｔａ—ｉｎｔｅｒｐｌ（ａｘ，ａｙ，ｈａ， ｌｉｎｅａｒ＇）： ｆｉｇｕｒｅ（２）： ｓｕｂｐｌｏｔ（３，１，１）： ｐｌｏｔ（ｈａ，ｔａ）： ｘｌａｂｅｌ（ 时间（ｓ） ），ｙｌａｂｅｌ（ ）： ｔｉｔｌｅ（插值后的振弦式传感器数据 ）： ｔｂ＝ｉｎｔｅｒｐｌ（ｂｘ，ｂｙ，ｈｂ， ｌｉｎｅａｒ＇）：ｓｕｂｐｌｏｔ（３，１，２）： ｐｌｏｔ（ｈｂ，ｔｂ，鲁 ）： ｘｌａｂｅｌ（讨间（ｓ） ）， ｙｌａｂｅｌ（ 应力（ＭＰ） ） ：ｔｉｔｌｅ（插值后的金属应变片数据 ）： ｓｕｂｐｌｏｔ（３，１，３）： ｐｌｏｔ（ｈａ，ｔａ，ｈｂ，ｔｂ）： ｘｌａｂｅｌ（ 日寸间（ｓ） ），ｙｌａｂｅｌ（ 应力（ＭＰ） ）： ｔｉｔｌｅ（插值后振弦式传感器数据跟东华金属应变片数据 ）： ｌｅｇｅｎｄ（ 振弦式应变计数据 ， 金属应变片数据 ）： 图５ａ）是应用Ｍａｔｌａｂ绘制的振弦式传感器 采集系统与比对系统获得的原始数据曲线．为了 便于进行相关性分析，对利用振弦式传感器获得 的数据进行了幅值反向．图５ｂ）从上至下分别是 用Ｍａｔｌａｂ插值后绘制的振弦式传感器数据曲线、 比对系统数据曲线以及两者在同一坐标下的曲线 猢 ∞ｏ珈㈣ 合并． ＼ 时间／ｓ ａ）原始数据曲线 … 插值后的振弦式传感器数据 曩一｝｛ 一２００ Ｌ————ｊ————— —————Ｌ—————Ｌ————Ｊ————— ——— —Ｌ————Ｊ ０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ １２０ １４０ １６０ 时间／ｓ ２００ １００ ｏ：５８８ ０ ２０ ４０ ６０ ８０ ｉ００ １２０ １４０ １６０ 时间／ｓ 萎２００厂—堕 垦苎 掣 攀 ４ ２００ Ｌ———— ————— ————— ————— —————————— —————Ｌ———嘶 ＿ｌｌ ～０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ １２０ １４０ １６０ ｂ）插值后的数据曲线 图５两采集系统的数据曲线 ２．３．２数据相关性分析 在信号分析里，互相关分析主要分析的是两 个时间序列之间的相关程度．在进行互相关分析 时，两种数据的相关程度可以用他们的相关系数 来表示．相关函数的相关系数只是一个比率，无单 位量纲，一般取小数点后两位来表示．相关系数的 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） ２０１２年第３６卷 绝对值表示相关的程度，正负号表示相关的方 向嘲．相关系数跟相关程度的关系见表２． 表２相关系数与相关程度对照关系表 相关系数 ０．Ｏ０～±０．３０ ３ 结束语 本文通过Ｍａｔｌａｂ对测试数据的相关性分析， 表明所研制的振弦式传感器数据采集系统可行， 相关程度 微相关 实相关 ±０．３０～±０．５０ ±０．５０～±０．８Ｏ 如实反映了结构的真实应力．此外据资料统计，港 口机械钢结构的振动频率一般在１Ｏ Ｈｚ左右＿６］， 显著相关 ±０．８Ｏ～±１．Ｏ０ 高度相关 而本文设计的振弦式传感器数据采集系统的采样 频率可达到２００ Ｈｚ以上，因此，本振弦式传感器 动态数据采集系统可以满足港口机械结构的动态 应力检测的要求． 下面是进行互相关性分析的Ｍａｔｌａｂ代码： ［ｃ，ｌａｇｓ］一ｘｃｏｒｒ（ｔａ，ｔｂ，￣ｏｅｆｆ＇）；ｆｉｇｕｒｅ（３）； ｐｌｏｔ（１ａｇｓ，Ｃ）； ｘｌａｂｅｌ（偏移个数 ），ｙｌａｂｅｌ（．互相关系数 ）； Ｘ轴Ｙ轴标签 ｔｉｔｌｅ（＇Ａ和Ｂ的互相关图形 ， Ｃｏｌｏｒ＂， ）； 参考文献 ２．４ 结论 根据图６所示结果，振弦式传感器采集系统 获得的曲线与比对系统采集的数据曲线的相关系 数达到了０．９５２ ７，超过了０．９５，属于高度相关， Ｅｌｉ邓铁六，赵胜利，赵振远，等．高准确度振弦式传感 器研究ＥＪ］。山东科技大学学报：自然科学版，２０１０， ２９（１）：５２—５７ 即振弦式传感器所采集到的数据与比对系统所采 集的数据非常相似． １．Ｏ Ｏ．８ 和Ｂ的互相关图形 Ｘ：一１２ Ｅ２］迟钦河，赵仲生，乔桂芳，等．８９Ｃ５１单片机在多通道 数据采集系统中的应用［Ｊ］．自动化仪表，２０００， ２１（６）：３３—３９． ［３９刘文白，徐海侠．砂土宏观力学特性与细观结构的相 关性试验研究ＥＪ］．武汉理工大学学报：交通科学与工 程版，２０１１，３５（４）：６８３－６８６． 籁垛Ｏ・６ ０．４ ［４］陈海龙，李 宏．基于ＭＡＴＬＡＢ的伪随机序列的产 生和分析ＥＪ］．计算机仿真，２００５（５）：９８—１００． — ０．２ ０．４ ２ ０—１ ５ ［５］庄楚强吴亚森，应用数理统计基础［Ｍ］．３版．广州： １．０ —０ ５ ０ ０ ５ １．０ ｌ ５ ２ ０ 偏移个数 华南理工大学出版社，２００６． 图６ ２组数据的互相关曲线 ［６］徐承军．基于无线局域网的集装箱码头机械调度系 统的仿真、优化与监控［Ｄ］．武汉：武汉理工大学物 流工程学院，２００７． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｗｉｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｘｕ Ｃｈｅｎｇｉｕｎ Ｌｎｏ Ｄｏｎｇ Ｃｈａｎｇ Ｙａｑｉｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｕｉｌｔ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒ— ａｌ ｓｔｒａｉｎ ｓｉｇｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ，ａｎｄ ｍａｄｅ ａ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒ— ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｂ— ｉｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｎ ａｕｔｈｅｎｔｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ—ＤＨ（５９２３１３９４），ｔｈｅ—ｊｅｅｔ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ Ｍａｔｌａｂ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒａｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｍａｄｅ ｔｈｅｏｒｉａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒａｉｎ ｔｅｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ；Ｍａｔｌａｂ；ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
