混凝土形變檢測裝置

0 引 言

在建筑土木工程領域，電阻應變片得到了廣泛使用，適用于橋梁、隧道、大壩、建筑等混凝土樁的應變監(jiān)測，如混凝土的拉伸和壓縮等?，F(xiàn)有測量設備前端大多采用惠斯登電橋得到電阻應變片的阻值變化，從而分析電阻的變化與電阻應變片形變之間的關系。測量中將應變片粘貼在被測試件上， 在不考慮環(huán)境溫度變化的情況下，當被測試件受力發(fā)生拉伸或壓縮變形時，纏繞在應變片內(nèi)的電阻絲也會隨之產(chǎn)生變形， 導致應變片的電阻發(fā)生變化，根據(jù)電阻的變化以及應變片的參數(shù)就可反算得到被測試件的應變 [1]。在實際測量中由于金屬絲電阻系數(shù)會改變，通常用橋路補償?shù)姆椒ㄏ郎囟茸兓鸬臒彷敵?，用惠斯登電橋消除溫度補償?shù)男Ч?

當前常用方法和設備有埋入式、表面式等不同種類，該設備測量前端設備體積大，易損壞 [2]。雖然當前對電阻應變片的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理已有了成熟的方案和設備，但設備體積較大，不方便攜帶，無法滿足小體積、密封混凝土形變測量的要求。

鑒于此，本文項目提出了一種新型混凝土應變測量裝置。該裝置采集電阻應變片形變時對應電壓的變化，增加 SD 卡存儲模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時存儲。對數(shù)據(jù)分析后得到與被測物體形變量的對應關系，達到和已有設備相當?shù)男Ч?。該設備體積小，可以在密閉，并且無法使用無線方式傳輸數(shù)據(jù)的環(huán)境下使用，可實時存儲數(shù)據(jù)信息，之后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析處理。

1 系統(tǒng)組成

本文混凝土形變檢測裝置主要涉及電阻應變片的粘貼、電阻應變片電壓采集、電壓數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等方面。將電阻應變片粘貼到巖石樣的表面，應變片的兩根引線連接到 STC12 單片機的電壓采集引腳，同時 SD 卡模塊連接到STC12 單片機，用于存儲電壓數(shù)據(jù)。

1.1 硬件設計

該檢測裝置體積小，硬件連接簡單，實用性強。將電阻應變片牢固地粘貼在巖石試樣上，保證二者同步變形、同步工作。將電阻應變片引線連接到單片機的電壓采集引腳，同時將 SD 卡存儲模塊連接到單片機。裝置連接簡單，可采用電池供電和電源接口供電，SD 卡存儲模塊無需單獨供電。在特殊環(huán)境下可去掉 SD 卡存儲模塊，用串口線連接到電腦端，接收單片機采集到的電壓數(shù)據(jù)。檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

                                                                                                                                                     圖 1 檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 裝置實現(xiàn)流程

本文實驗采用箔式電阻應變片，將應變片縱向粘貼，測量試件的縱向應變力。為防止測量過程中應變片引線與試件接觸對測量值產(chǎn)生影響，將引線與導線焊接，并將焊接處固定在試件上。將焊接后的引線連接到單片機的電壓采集引腳， 同時將 SD 卡存儲模塊連接到單片機。實驗過程中施加圓柱試件單向力，使圓柱試件在垂直于其底面的方向壓縮。壓縮時單片機工作，A/D 轉(zhuǎn)換后單片機采集到試件變化過程中電阻應變片對應的電阻變化，同時將采集到的數(shù)據(jù)實時存儲到SD 卡中。

單片機通過應變片引腳采集模擬電壓信號，并實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為 16 進制數(shù)據(jù)。單片機將數(shù)字信號存儲到 SD 卡模塊。信息流圖如圖 2 所示。

                                                                                                                                                                               圖 2 檢測裝置信息流程圖

2 功能模塊

2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

STC12 系列單片機帶 A/D 轉(zhuǎn)換的引腳在 P1 口， 擁有8 路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。8 路電壓輸入型 A/D 可進行溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。該單片機采用逐次比較型 ADC，從高位開始，順序?qū)γ恳惠斎腚妷号c內(nèi)置 D/A 轉(zhuǎn)換器進行比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入的模擬量值。將粘貼焊接完成的電阻應變片其中一個引線連接到單片機電壓采集引腳，壓縮混凝土的同時開啟單片機采集應變片電壓。

2.2 SD卡存儲模塊

SD 卡支持 SD 方式和 SPI 方式。本文實驗采用 SPI 方式， 使用 CS，CLK，DataIn，DataOut 進行數(shù)據(jù)通信。使用 SPI 模式的好處在于單片機內(nèi)部自帶 SPI 控制器，開發(fā)相對簡單， 降低了開發(fā)成本。初始化后，對 SD 卡進行讀寫，SD 卡每個扇區(qū)中有 512 B，每次扇區(qū)寫操作向 SD 卡的某個扇區(qū)中寫入 512 B，讀操作時將某個扇區(qū)內(nèi)的 512 B 全部讀出。先寫入命令，得到回應后開始讀取數(shù)據(jù)。因為沒有采用文件系統(tǒng)，寫入 SD 卡的數(shù)據(jù)無法在電腦端直接查看，可采用串口連接方式將單片機連接到電腦端，通過單片機讀出數(shù)據(jù)進行查看并分析。SD 卡模塊與單片機連接，方便存儲前端采集數(shù)據(jù)，可在封閉環(huán)境下采集被測物體的形變數(shù)據(jù)。

2.3 應變片

根據(jù)測試儀器對應變計電阻值和測量應變儀相匹配的要求，以及測試條件等，選擇合適的電阻應變片。實驗采用基層尺寸為 86 mm×6 mm，絲欄尺寸為 80 mm×2.5 mm 的箔式應變片。電阻應變片的敏感柵是應變片中拔營變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感部分，該部分是用金屬絲或半導體材料制成的單絲或柵狀體。引線是從敏感扇引出電信號的絲狀或帶狀導線。本文實驗通過連接引線到單片機電壓采集引腳，實現(xiàn)對其的電壓采集。

3 實驗分析

3.1 實驗環(huán)境

實驗儀器采用長沙亞星公司設計生產(chǎn)的多物理場耦合作用下巖石力學試驗機，主要應用該試驗機在計算機控制下進行壓力、變形、位移、溫度計流量的自動采集與試件的加卸載。該儀器最大軸向力為 1 000 kN ；精度為示值的 ±1% ；軸向控制方式分為力控制、位移控制。試樣巖石為頁巖，將粘貼完應變片的巖石放入儀器的工作腔，開啟設備和單片機采集數(shù)據(jù)。實驗儀器設備如圖 3 所示。

3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

實驗過程中，連接完成后的測量裝置放入巖石力學試驗機的工作腔內(nèi)且試樣未壓縮時，單片機采集到未知噪音信號。巖石未壓縮時采集到的信號認定為噪音，巖石壓縮過程中采集到的信號為原始信號。采集數(shù)據(jù)波形如圖 4 所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

圖 4 所顯示的原始信號有一定的規(guī)律，噪音信號雜亂無章。單片機將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，電壓數(shù)據(jù)范圍為0 ～ 49。轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到范圍為 0 ～ 1 的新數(shù)據(jù) ；同時將噪音轉(zhuǎn)換為 0 ～ 1 之間的數(shù)據(jù)。采用 LMS 自適應濾波算法對數(shù)據(jù)進行去噪，效果如圖 5 所示。

從去噪后信號與原始信號圖的對比可以看出，去噪得到的信號變得更加平緩，更有助于數(shù)據(jù)識別。

4 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有電阻應變片混凝土測量設備的不足，設計實現(xiàn)了該形變檢測裝置。通過單片機對電阻應變片端電壓數(shù)據(jù)進行采集、存儲，由電腦端分析數(shù)據(jù)，基本實現(xiàn)了對混凝土形變的監(jiān)測與分析。對數(shù)據(jù)采用 LMS 自適應濾波算法進行去噪，仿真結(jié)果表明，去噪后信號變得更加平緩，更有助于數(shù)據(jù)識別。