一種電阻式應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)處理方法

0 引 言

應(yīng)變傳感器是測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，可用于力、力矩、壓力、加速度、重量、物體形變等參數(shù)的測量、監(jiān)測。應(yīng)變片是由敏感柵等構(gòu)成、用于測量應(yīng)變的一類常用元件，又可分為電阻式應(yīng)變片和光學(xué)應(yīng)變片，其中金屬導(dǎo)體材料制作的電阻式應(yīng)變片具有精度高、測量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性好、易于實(shí)現(xiàn)小型化以及價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

電阻式應(yīng)變傳感器可用于工業(yè)控制、測量、監(jiān)測等領(lǐng)域，在各行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn) [1] 介紹了多種應(yīng)變傳感器在大地感知系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn) [2] 介紹了電阻應(yīng)變傳感器應(yīng)用于公路路面瀝青層監(jiān)測的原理和方法，并給出將電阻應(yīng)變傳感器電壓信號轉(zhuǎn)換為應(yīng)變信號的方法。文獻(xiàn) [3] 介紹了在監(jiān)測分析鐵路站房鋼結(jié)構(gòu)形變數(shù)據(jù)時(shí)使用的異常數(shù)據(jù)剔除方法—拉依達(dá)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則。文獻(xiàn) [4] 設(shè)計(jì)了一種基于 CAN 總線和電阻應(yīng)變傳感器的測試系統(tǒng)，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并對系統(tǒng)誤差成因進(jìn)行分析。

在一類應(yīng)力突變檢測應(yīng)用中，如橋梁、大壩、超高層建筑等的健康監(jiān)測，主要關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，而由于量化噪聲、熱噪聲等引起的偶然瞬時(shí)突變需要從監(jiān)測數(shù)據(jù)中剔除，以減少虛警和誤報(bào)。

1 電阻式應(yīng)變傳感監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

為了提高監(jiān)測敏感性，一般將電阻應(yīng)變片粘貼到彈性體上，彈性體再安裝到被監(jiān)測部位。彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片也隨之變形，電阻應(yīng)變片變形后，其阻值將增大或減小，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，用 ADC 將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，就完成了將外力引起的形變轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)的過程。此數(shù)據(jù)用低功耗 MCU 進(jìn)行處理，如發(fā)現(xiàn)明顯形變則將報(bào)警信號上報(bào) ；否則定期上報(bào)健康正常信號。將應(yīng)變片到形變量數(shù)字化以及數(shù)據(jù)處理各部分組合在一起，就形成了一個(gè)應(yīng)變傳感監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，可以分布式地布置在建筑物的各被監(jiān)測部位。電阻應(yīng)變片如圖 1 所示，電阻式應(yīng)變傳感節(jié)點(diǎn)功能框圖如圖 2 所示。

搭建電阻式應(yīng)變傳感監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過 ZigBee 模塊發(fā)往主機(jī)端，在主機(jī)端存儲數(shù)據(jù)并分析。電阻式應(yīng)變傳感監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 3 所示。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先保持應(yīng)變片在數(shù)據(jù)采集期間狀態(tài)不變，采集 1 000 點(diǎn)數(shù)據(jù)。此時(shí)采集得到的是一個(gè)恒定電平疊加系統(tǒng)的噪聲，通過分析該數(shù)據(jù)，可以了解系統(tǒng)噪聲的分布規(guī)律。此時(shí)得到 1 000 點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值為 1 109.1，最大值為 1 168.0，最小值為 1 029.0，最大值和最小值之差為139.0，方差為 352.7，標(biāo)準(zhǔn)差為 18.8，可見一旦數(shù)據(jù)離散度較高，如果不處理隨機(jī)噪聲峰值就會造成虛警和誤報(bào)。原始數(shù)據(jù)幅度與統(tǒng)計(jì)分布情況如圖 4 所示。

由圖 4 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布可知，噪聲基本遵從高斯分布，故可用高斯濾波進(jìn)行降噪處理。常用的一類高斯降噪手段為單元平均濾波，另外，由于單元平均濾波在相鄰兩個(gè)窗口計(jì)算時(shí)可以共用大部分累加結(jié)果，大大降低了計(jì)算量，因此適合基于低功耗的 MCU。單元平均濾波基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對于第 n 點(diǎn)數(shù)據(jù)，去掉其自身，取其前后各 N/2（N為偶數(shù)）點(diǎn)的數(shù)據(jù)作算術(shù)平均，算術(shù)平均值作為該點(diǎn)數(shù)據(jù)的濾波后值。設(shè)濾波前數(shù)據(jù)序列為 x（n），濾波后數(shù)據(jù)序列為y（n），即 ：

取單元平均濾波 N=16，即用第 n 點(diǎn)數(shù)據(jù)的前后各 8 點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值替代第 n 點(diǎn)的數(shù)據(jù)值，對上述 1 000 點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，1 000 點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值為 1 109.0，最大值為1 122.8，最小值為 1 095.0，最大值和最小值相差 27.8，方差為 20.3，標(biāo)準(zhǔn)差為 4.5。與濾波前相比，最大值和最小值之差縮小了 5 倍，標(biāo)準(zhǔn)差縮小了 4.2 倍，數(shù)據(jù)的離散性降低、噪聲峰值減小，顯著降低了虛警和誤報(bào)概率。

濾波后數(shù)據(jù)幅度與統(tǒng)計(jì)分布情況如圖 5 所示。在數(shù)據(jù)采集期間，使應(yīng)變片處于不同的彎曲狀態(tài)，模擬監(jiān)測到異常事件的狀態(tài)，得到變化的數(shù)據(jù)。利用單元平均濾波方法對變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理能夠大大降低噪聲，從而降低虛警和誤報(bào)概率，使真正的異常事件顯露出來。如模擬異常監(jiān)測事件發(fā)生時(shí)的單元平均濾波效果如圖 6 所示。

3 結(jié) 語

電阻式應(yīng)變傳感器因?yàn)閮r(jià)格低、精度高、測量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑物重點(diǎn)部位的應(yīng)力監(jiān)測。本文利用單元平均濾波方法對應(yīng)變傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，顯著降低了噪聲，從而降低了虛警和誤報(bào)概率。