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基于stm32与加速度传感器的动位移无线测量方法

摘要：为了满足结构动位移测量要求，设计一套基于STM32的嵌入式动位

移无线测量系统。该系统以STM32L151C8T6芯片为核心控制器，结合电容式

MEMS加速度传感器ADXL355。使用频域积分方法，在实验室和某人行桥上进

行了实验。实验室中通过改变采样频率进行测量，结果表明该系统应用于结构动

位移测量时精度随着采样频率的增大而增大。某人行桥上的动位移实验效果较

好，可见使用该方法进行结构动位移测量是完全可行的。

关键词：动位移；无线测量；嵌入式编程；加速度传感器；频域积分

中图法分类号U442；文献标志码B

对桥梁结构而言，动位移是一个非常重要的数据，是评定桥梁结构承载能力、

汽车行驶安全性的一项重要指标[1]。从动位移的数值分析中可以直接反映桥梁

结构的竖向整体刚度和结构内力分布状态。从而对桥梁的薄弱部位进行判断以及

检查结构的整体性。在桥梁鉴定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准确测量桥

梁的静、动位移值[2]。桥梁结构动位移的测量方法有接线式电阻（感、容）位

移计、激光挠度测试仪、惯性式位移测试仪等[3]，前两种测量方法要求有一个

固定不动的参考点以便进行测量，但是对于很多桥梁，由于受使用条件和环境的

限制，这些测试方法往往耗时长，效率较低。一般情况下，测试桥梁结构的加速

度信号比较方便。用加速度计测量桥梁的加速度，再通过两次积分，求得桥梁挠

度的加速度测量方法，目前已得到众多研究者的关注。

对于采集到的加速度信号，要得到位移，目前主要有两种方法，第一种方法

是通过硬件积分[4]，第二种方法是软件积分。硬件积分通过积分电路实现各参

量之间的转换，但是电子元器件的性能参数具有较大的离散性，若匹配不好，容

易在积分后产生畸变。近年来随着计算机技术的发展，人们更倾向于研究软件积

分方法。软件积分目前主要有两种方法：时域积分和频率积分。其中时域积分是

直接对加速度信号进行二次积分，从而得到位移信号，这种方法形式直观。但是

在实际中采集到的加速度信号不可避免都会包含直流分量和噪声，时域积分过程

中会产生趋势项，严重影响积分结果。因此本文采用频域积分方法将嵌入式动位

移测量系统采集到的加速度信号进行积分，从而得到位移信号。

1频域积分原理分析

频域积分时先对信号做傅里叶变换，然后再进行积分。加速度信号在任一频

率的傅里叶分量可以表示为[5]：

（1）

由傅里叶变换的积分性质：

（2）

当初速度分量为0时，对加速度信号分量的时间积分可得速度信号分量：

（3）

初速度和初位移均为0时，对加速度信号的傅里叶分量两次积分可得位移分

量：

（4）

其中，。

2动位移无线测量系统硬件设计

要实现动位移无线测试系统的嵌入式开发，将该系统分为三个模块进行设

计：基于STM32的微处理单元；加速度传感器模块；无线传输模块。其中，基

于STM32的微处理单元主要實现与加速度传感器模块和无线传输模块的通讯，

通过嵌入式指令使两个模块按照既定的流程进行工作。加速度传感器模块主要实

现加速度信号的采集。无线传输模块主要实现以该动位移无线测试系统作为服务

器，将加速度传感器模块采集到的数据发送到上位机中。

基于STM32的微处理单元采用意法半导体推出的STM32L151C8T6，是基

于Coretex-M3内核的32位ARM芯片系列。

加速度传感器模块利用带数字输出的3轴电容式MEMS加速度传感器

ADXL355测量的加速度信号进行动位移测试，它具有性能稳定，输出的低噪声、

低漂移、低功耗等特点。

无线传输模块采用支持WIFI@2.4GHz802.11b/g/n无线标准的低功耗高性能

WIFI模块USR-C322，内置超低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运

行；支持WiFi协议以及TCP/IP协议。

嵌入式动位移无线测量系统硬件架构如图1所示。

3嵌入式动位移无线测量系统实验验证

3.1实验室实验结果分析