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岩土工程安全智能监测技术研究 摘要：本文采用现在常用振弦式传感器作为岩土工程安全智能监测装置信号采集元件，将振弦式传感器的钢弦两端和待测物固定，使得钢弦对待测物有相应的变化，测量待测物的应力可通过对钢弦激振的方式来获取待测物的应力值。 关键词：岩土工程；安全智能监测；振弦式传感器 1 引言 随着各种道路、桥梁、水利等各种工程建设的不断发展，其岩土工程的安全引起了人们越来越多的关注和重视，而安全监测与预警无疑在其中有着举足轻重的地位。现在常用振弦式传感器作为信号采集元件，振弦式传感器主要由钢弦和线圈组成，将振弦式传感器的钢弦两端和待测物固定，使得钢弦对待测物有相应的变化，测量待测物的应力就可通过对钢弦激振的方式来获取待测物的应力值。 传统的数据采集装置所采用的激振方式一般为高压拨弦激振和低压扫频激振两种方式，但这两种拨弦激振方式都有很大的局限性。高压拨弦激振方式具有振弦式传感器的钢弦振动持续时间短，信号不易拾取，测量精度差，且易使振弦式传感器钢弦老化而使传感器失效的缺点。而低压扫频激振方式虽然保护了钢弦，但其一般都是由频率下限扫到频率上限的连续脉冲去激振，扫频激振频率范围较宽，所以需要较长的激励时间，而且会造成已经共振的振弦在扫频结束时振幅己有所衰减。 因此解决现有技术低压扫频激励时间过长、振幅衰减的问题，迫在眉睫。 2 振弦式传感器激振方法工作步骤 振弦式传感器激振方法，包括以下次序的工作步骤: 阶段一： （1）提供扫频激振频段：由单片机控制激振电路发出包含有与振弦式传感器共振的扫频激振频段； （2）分频：将扫频激振频段分为两个子频段； （3）激振筛频：分别取两子频段的中值进行激励，测量激励一段时间内的两个子频段的平均幅度，其中平均幅度较大的子频段为含有共振频率的子频段； （4）将含有共振频率的子频段重复（2）和（3）的步骤，直到含有共振频率的子频段的平均幅度值大于预设振幅值； 阶段二： （5）激振：将（4）中的子频段的中值作为激励频率，对振弦式传感器进行激励； （6）计数器测频：通过计数器通过测量周期的方法测量的得到更加准确的频率； （7）重复（5）和（6）的步骤；直到测量的频率的值趋于稳定，并将此值作为最终测量值。 3、振弦式传感器测量装置电路原理 图3.1 振弦式传感器测量装置电路原理框图； 该装置结构由激振电路3和信号采集电路2组成；其中，信号采集电路包括采集开关21、前置放大器22、高通滤波器23、低通滤波器24、AD转换电路25和整形电路26；激振电路3内包括波形发生器31和功率管32。 4振弦式传感器激振方法工作流程 图4.1振弦式传感器激振方法的工作流程图， 此流程分为两个阶段： 阶段一 振弦式传感器1的测量部分由激振电路3和信号采集电路2组成。其中，由单片机4控制的激振电路3中由波形发生器31产生一定范围d内的扫频激振频段，通过分频，将扫描频段分为p、q两个子频段，分别取两子频段的中间频率进行激振筛频，测得停止激励后一段时间t内的平均幅度分别为 Ap和Aq，如果ApAq，则认为共振频率在p子频段内；然后继续对p子频段划分为两个更小的子频段，按照分频进和激振筛频的方法继续比较，多次重复以上步骤，跳出重复的条件是测量到的平均幅度值大于预设振幅值，此时得到的子频段为一个较小的共振频率范围。 为了防止随机干扰对结果的影响，可以在子频段内测量时适当的多次测量然后取平均值。 阶段二 使用阶段一中获得较小的子频段共振频率范围的中值作为激励频率，对振弦式传感器1进行激励，然后通过计数器测量周期的方法得到更加准确的频率，最后将测得的频率作为新的激励频率，重新进行激振测量获得新的结果。 重复阶段二的步骤，直到结果稳定，此时测得的频率值即为准确的共振频率值。 本发明实施的测量硬件装置结构中，打开采集电路2的采集开关21，采集阶段一或阶段二中对振弦式传感器激振的激振信号，然后通过前置放大器22对信号放大；通过低通滤波器23和高通滤波器24进行滤波处理。此时将信号分为第一路和第二路信号，第一路信号通过AD转换电路25转换为数字信号进入单片机，用于信号幅度值的测量，第二路经过整形电路26变为方波，送入单片机4中进行频率测量。 5结论 与现有技术相比，本研究具有如下优点： 1、在步骤（1）和（2）中，通过分频和激振筛频，根据共振原理，含有共振频率的子频段的平均幅值较大，单片机能快速判断含有共振频率的子频段，这样避免了由频率下限扫到频率上限的连续脉冲去激振的冗长计算。 2、在低压激振的情况下，步骤（4）多次重复（2）和（3）的步骤，使得子频段最大程度的变窄；含有共振的子频段进一步通过步骤（5）和（6）最终得到与共振频率相同的激振频率，这样使得激振频率的幅值精确的达到共振时候的幅值。为了防止随机干扰对结果的影响，步骤（5）中可以使用所述子频段的中值多次对振弦式传感器进行激励，然后测量取平均值。 3、由于采用二分法将扫频激振频段分成两个子频段来进行共振频段的筛选，根据步骤（3）分别取两子频段的中值进行激励，测量激励一段时间内的两个子频段的平均幅度，其中平均幅度较大的子频段为含有共振频率的子频段；这样可以直接去掉不含有共振频率的子频段，使其完成扫频激励时间变短。 参考文献: 朱轩.施工期钢筋混凝土结构安全性分析与评价研究D.大连理工大学,大连,2005 曹志远.土木工程分析的施工力学与时变力学基础J,土木工程学报,2001,34(3):41-46 EI-Shahhat A