【摘 要】本文介绍了一种应用于钢索预应力健康监测的测量结构，以单片机、现代通信技术为核心，运用计算机LabWindows编程技术，实现对预应力工程结构进行预应力的力值监测。
【关键词】钢索预应力监测；集线器；LabWindows
0 引言
斜拉桥的斜拉索、系杆拱桥的吊杆和系杆、悬索桥的缆索体系、预应力结构的体外索和预应力钢筋等是工程结构的关键受力构件之一，素有“生命线”之称，其服役状况直接关系到桥梁等工程结构的安全运营与使用寿命。在对这些工程结构进行安全健康监测[1]过程中，需要在钢索上安装大量磁通量传感器，再用预应力测量仪表对磁通量传感器[2]进行操作测量各钢索的力值。由于工程结构的钢索力值产生变化是一个长期的过程，因此钢索力值监测实时要求不高，每天测量2～3次就可以了。为了降低成本，减少测量仪表的数量，用一台或少量仪表测量多个传感器的集线器结构及其控制系统成为必要。
1 结构原理
在对预应力工程结构进行预应力的力值监测过程中，为了了解整个工程结构的安全健康情况，需要上百甚至几百个测量点的数据为依据进行分析，为了避免传统一台预应力测量仪表配一个磁通量传感器的测量结构方式，因此采用集线器、RS485通讯、总线控制、时分测量等技术，设计一集线器结构及其控制系统实现预应力的测量，其结构框图如图1：
图1 结构框图
根据一台预应力仪表测量操作只能同时测一个磁通量传感器的要求，测量具有唯一性。在结构框图（图1）中，虚线部分为传感器集线器及控制系统，作为一个子系统，上位机通过485通讯线给预应力仪表和集线控制器发出操作指令。首先，集线控制器根据操作指令通过控制总线输出信号控制集线器，多个集线器根据唯一性要求接通某一路通道把仪表和传感器间的电气连线联通起来，并把其他的通道断开，完成操作后对应的控制器通过485通讯线返回准备好指令；其次，上位机收到准备好指令后发出测量操作指令，预应力仪表根据操作指令开始进行测量操作，完成测量操作后返回测量数据给上位机。通过上述过程，可以完成所有磁通量传感器的测量。
2 硬件设计
整个系统以插箱模块化设计，包括两种类型的模块：控制器模块和集线器模块，配以一块插槽地板。一块控制器模块可按需要搭配不同数量的集线器，最大可达8块集线器模块，每个集线器模块可接8个磁通量传感器，一个子系统最大可控制64个传感器。通过485总线连接，可由多个子系统组成一个大系统。子系统插箱结构图如图2，以5个集线器为例。
图2 插箱结构图
在插箱结构图（图2）中，由于磁通量传感器有3组电信号（初级高压、次级信号、温度传感器信号），传感器接头共6根线，选用快速插拔接头，集线控制器模块的传感器接头连接磁通量脉冲仪表，集线器模块的传感器接头直接接磁通量传感器；485及电源接头也是选用快速插拔接头，2根线24V电源线，2根485通讯线。
2.1 控制器模块
控制器模块实现接收上位机指令，处理指令并通过控制总线控制集线器，并对传感器信号作保护，其结构框图如图3。
图3 控制结构图
在控制器结构图（图3）中，传感器接头连接到仪表传感器接口，485接头连接到上位机，6根传感器通路直接导通到连接器1，中间有高压保护和浪涌保护电路，连接器1通过底板连接到集线器；485总线信号经过通讯电路模块转换电气信号进入单片机系统，单片机系统处理[3]从上位机下达的指令，判断是否是本子系统的指令，如果不是则不处理，如果是本子系统指令，根据指令内容单片机系统发出控制总线信号，经过总线驱动后，通过连接器连接到集线器，最后返回应答指令。
2.2 集线器模块
集线器起到传感器和仪表连线的开关作用，根据控制器发出的控制信号控制开关的开通与关断，其结构图如图4：
图4 集线器结构图
在集线器结构图（图4）中，控制总线信号经连接器1进来，输入到地址比较器和逻辑控制器，地址比较器判断是否本集线器的开关模块需要接通，把判断结果信号提供给逻辑控制器，逻辑控制器根据判断结果信号和控制总线信号得出8个开关模块的8个控制信号，8个控制信号最多只有一个为接通开关模块，如果不是本集线器的开关模块需要接通，8个开关模块全部断开，如果是则有一个开关模块接通，控制信号经过驱动电路后控制8个开关模块的动作。传感器线由连接器输入后直接连接8个开关模块，每个开关模块由3组6个开关组成，其中传感器初级信号线为100～400V电压、最大16A电流的信号，开关模块中控制传感器初级信号线的2个开关为高压大电流开关，其余4个开关为普通开关，每个开关模块分别与8个传感器接头连接。
3 软件设计
上位机软件采用LabWindows[4]编程，构建成安装包在工控机或普通电脑上安装运行，软件通过RS485通讯链路控制整个硬件系统的测量操作，如果RS485采用无线通讯或GPS通讯形式，可实现系统的远程测量操作，软件主界面如图5：
图5 上位机软件主界面
上位机软件主界面（图5）分为3个操作区域：单传感器测量、多传感器测量和通讯设置。其中，单传感器测量区域，可进行一个传感器的测量操作，方便单个传感器的测试操作；多传感器测量区域，进行多个或多次传感器循序测量的操作，可添加或删除传感器；通讯设置区域，设置RS485通讯的参数。
4 结束语
本文提及的集线器测量结构及控制系统具有结构简单、易于维护、成本低等的优点，特别适用于变量缓慢变化、实时性不高的测量系统，与传统的测量结构比较具有明显的优势。目前，在桥梁缆索体系的健康检测中有多个成功应用案例。
【参考文献】
[1]李鹏飞，吴太成.桥梁健康监测技术研究综述[J].预应力技术，2011（1）：29-33.
[2]邓年春，龙跃，等.磁通量传感器及其在桥梁工程的应用[J].预应力技术，2008（2）：17-20.
[3]赵建领.51系列单片机开发宝典[M].北京：电子工业出版社，2007，4.
[4]王建新，隋美丽.LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用[M].北京：化工工业出版社，2011，8.
[责任编辑：汤静]