0 引 言

應變傳感器是測量物體受力變形所產生應變的一種傳感器，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。應變片是由敏感柵等構成、用于測量應變的一類常用元件，又可分為電阻式應變片和光學應變片，其中金屬導體材料制作的電阻式應變片具有精度高、測量范圍廣、壽命長、結構簡單、環(huán)境適應性好、易于實現(xiàn)小型化以及價格低廉等特點。

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

在一類應力突變檢測應用中，如橋梁、大壩、超高層建筑等的健康監(jiān)測，主要關注監(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突變需要從監(jiān)測數(shù)據(jù)中剔除，以減少虛警和誤報。

1 電阻式應變傳感監(jiān)測節(jié)點

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

搭建電阻式應變傳感監(jiān)測節(jié)點實驗系統(tǒng)，監(jiān)測節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過 ZigBee 模塊發(fā)往主機端，在主機端存儲數(shù)據(jù)并分析。電阻式應變傳感監(jiān)測節(jié)點實驗系統(tǒng)如圖 3 所示。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

采集數(shù)據(jù)進行分析，首先保持應變片在數(shù)據(jù)采集期間狀態(tài)不變，采集 1 000 點數(shù)據(jù)。此時采集得到的是一個恒定電平疊加系統(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。此時得到 1 000 點數(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，標準差為 18.8，可見一旦數(shù)據(jù)離散度較高，如果不處理隨機噪聲峰值就會造成虛警和誤報。原始數(shù)據(jù)幅度與統(tǒng)計分布情況如圖 4 所示。

由圖 4 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布可知，噪聲基本遵從高斯分布，故可用高斯濾波進行降噪處理。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窗口計算時可以共用大部分累加結果，大大降低了計算量，因此適合基于低功耗的 MCU。單元平均濾波基于統(tǒng)計規(guī)律，對于第 n 點數(shù)據(jù)，去掉其自身，取其前后各 N/2（N為偶數(shù)）點的數(shù)據(jù)作算術平均，算術平均值作為該點數(shù)據(jù)的濾波后值。設濾波前數(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 點數(shù)據(jù)的前后各 8 點數(shù)據(jù)的算術平均值替代第 n 點的數(shù)據(jù)值，對上述 1 000 點數(shù)據(jù)進行濾波后，1 000 點數(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，標準差為 4.5。與濾波前相比，最大值和最小值之差縮小了 5 倍，標準差縮小了 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概率。

濾波后數(shù)據(jù)幅度與統(tǒng)計分布情況如圖 5 所示。在數(shù)據(jù)采集期間，使應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)進行濾波處理能夠大大降低噪聲，從而降低虛警和誤報概率，使真正的異常事件顯露出來。如模擬異常監(jiān)測事件發(fā)生時的單元平均濾波效果如圖 6 所示。

3 結 語

電阻式應變傳感器因為價格低、精度高、測量范圍廣、壽命長、結構簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑物重點部位的應力監(jiān)測。本文利用單元平均濾波方法對應變傳感器的原始數(shù)據(jù)進行濾波處理，顯著降低了噪聲，從而降低了虛警和誤報概率。