基于 ARM+FPGA+AD平台的多类型同步信号采集仪开发及试验验证（一）

对工程结构的服役状况进行实时的监测和诊断，及时地发现结构的损伤，评估其安

全性能，预判结构的性能变化趋势与服役期限并提出改进举措，对提高工程结构的使用

效率，保障人民生命财产安全具有极其重要的意义，已经成为工程结构越来越迫切的技

术需求 [2] 。结构健康监测系统能够采集反应结构服役现状的各项数据，利用结构健康诊

断方法实时判断结构损伤的位置与程度，评估其安全性能，预测结构的性能变化趋势并

对危险情况进行预警，是保障重大工程结构从建造、服役到拆除整个过程安全的有效手

段。

结构健康监测系统可以对工程结构进行实时地在线监测，主要包括传感器子系统，

数据采集子系统、数据分析子系统（损伤识别、安全评定及预警）、数据传输子系统和

数据库管理子系统 [3] 。其中，数据采集子系统可以采集传感器子系统反应结构健康现状

的相关数据，该子系统能够有效地采集到数据是数据分析子系统进行损伤识别、安全评

定和预警等分析操作的前提，决定了整个结构健康监测系统的监测性能。因此，数据采

集子系统是结构健康监测系统的基石。

重大工程结构具有体积和跨度大、结构复杂的特点。因此，针对其进行的结构健康

监测项目数据采集系统具有以下几个特点：

（ 1 ）满足大规模、多类型传感器的数据采集。

重大工程的结构健康监测项目往往需要采集大规模、多种类型的传感信号数据，如

广州电视塔的监测传感器有风压、风速、倾角、 GPS 位移、加速度、腐蚀传感器以及光

纤光栅应变和温度传感器等 16 种传感器，传感器数量达 807 个 [4] ；香港青马大桥的监测

项目使用了 6 类传感器，总数达 543 个 [5]。因此，数据采集设备应尽可能满足大规模传

感信号的采集，同时，对于各种不同种类传感信号的采集，也应由统一的数据采集设备

一力完成。

结构健康监测系统所使用的传感器，可分为三类： (1) 通用型电类传感器，可以测

量包括拉压力、压强、加速度、应变、温度、位移、倾角等物理量，主要输出信号类型

可分为电压、电流 (4-20mA) 及数字信号； (2) 光学类传感器，光纤光栅是典型的传感器，

主要测量应变和温度； (3) 非通用型传感器，测量特殊信号如电磁型索力传感器和 GPS 型

位移传感器等，输出信号为数字（ TTL 或 TCP/IP ）信号。

电类传感器可以测量多种类型反映结构变化信息的物理量，在结构健康监测领域占

据主流地位，其中，电阻应变片、加速度传感器和位移传感器是广泛应用的三种电类传

感器。

应变是结构发生形变的直接表征，结构健康监测系统通常均需对结构的应变进行监

测，如何鹏研究的针对复杂起重装备的结构监测系统 [6] ，杨华伟所做的关于深海耐压的

监测项目 [7] 。一般采用粘贴电阻应变片的方式测量应变，电阻应变片通过惠斯通电桥原

理完成对应变的测量，输出桥式电路信号。

加速度是结构发生振动的重要表征，加速度传感器在结构健康监测领域拥有广泛的

应用，如封硕通过加速度传感器对结构进行监测提出了传感器优化布置方法 [8] ，韩旭亮

对台风过境期间高层建筑的结构响应研究 [9] 。常用的加速度传感器一般为压电式，输出

IEPE 传感信号。

位移也是结构发生运动的重要表征，结构健康监测项目中会经常用到位移传感器，

如周洲等人利用位移传感器进行监测进而提出了多目标动位移高精度监测方法 [10] ，王开

元建立的空间桁架预警系统 [11] ，位移传感器通常输出电压信号。另外，压力传感器和温

度传感器也是结构健康监测过程中经常使用到的传感器，这些传感器通常输出电流信号。

综上所述，结构健康监测项目的传感器子系统以输出桥式电路信号、 IEPE 传感信

号、电压和电流信号为主，为便于根据不同物理量对结构服役现状进行综合分析，保证

多种类型传感器协同工作，数据采集子系统应配备统一的数据采集设备完成上述四种传

感信号的采集。

（ 2 ）每一个传感器数据均应同步采集得到。

结构健康监测项目的数据分析子系统能够进行损伤识别与安全评估的前提是数据

采集子系统能够采集得到反映结构特征的参数信号，如应变、加速度和位移等，这些表

征不同时间域与空间域的传感数据是结构服役状况信息的载体 [12] 。结构健康监测项目中

往往需要根据这些传感数据进行综合分析才能得到结构的整体服役状况，进行综合分析

应该是基于同一时刻或者同一个时间段的，这就要求所有的传感数据应该在同一时刻采

集得到，甚至在同一采样时钟驱动下同步采集得到，这样才能保证综合分析数据的科学

性与准确性。

数据采集系统应满足对相同类型传感信号的同步采集。对工程进行结构健康监测时

往往需要监测多个位置的同一物理量变化信息，如应变的大小，在每一个位置布设相同

类型的传感器，每个位置的传感器数据只有同步采集得到才能反映出结构在当前时刻的

整体变化状况。因此，对于每一个相同类型的传感器，数据采集系统都理应进行同步采

集。

数据采集系统应满足对不同类型传感信号的同步采集。对复杂工程进行结构健康监

测时通常需要监测多种类型的传感信号信息，如输电塔结构、体育场馆等建筑设施，多

种类型的传感器可以从多个角度表征结构的变化，如电阻应变片、加速度和位移传感器，

每一种类型的传感器数据只有同步采集得到才能保证进行综合分析时可以准确得到复

杂结构在当前时刻的变化状况。因此，对于不同类型的传感信号，一般为桥式电路、 IEPE

传感信号、电压和电流信号，数据采集系统应同步采集得到。

此外，数据采集系统应满足分布式部署的数据采集设备之间对所有传感信号进行同

步采集。目前，我国的在役和在建的重大工程结构体积和跨度越来越大，在世界排名前

10 位的跨海大桥、悬索桥及大跨径斜拉桥中，有 50% 以上在中国，如杭州湾大桥总长 36

公里；上海东海大桥全长 32.50 公里。对长距离的大桥进行结构健康监测时，电类传感

信号并不支持长距离的数据传输，因此，需要分布式地部署数据采集设备去采集每一段

距离内的传感器数据。只有同步采集得到长距离范围中所有传感器数据才能对整个结构

在特定时间段的服役状况综合分析，所以，对于广范围分布的传感器系统，分布式部署

的多个数据采集设备之间需要协同工作，同步采集得到所有的传感器数据。

（ 3 ）具有强大的实时数据处理和分析能力。

结构健康监测系统的某些需求如传感器的实时温度补偿、基于加速度传感器的索力

和结构频率响应、信号实时滤波、实时报警功能等，都要求硬件系统能够完成数据的实

时计算与分析。随着电子技术的不断发展与创新，各种仪器设备也拥有了愈加强大的处

理性能，数据采集设备在承担大规模数据同步采集工作的同时也可以对采集到的数据进

行实时的分析，最终可实现仪器设备的独立监测功能。

（ 4 ）长期稳定性好、耐久性强、信号测量精度高。

重大工程具有结构形式复杂、服役环境复杂、服役期长等特点，如桥梁、隧道、大

坝和海洋石油平台等，结构健康监测系统往往需要长时间在温差大、湿度高、腐蚀严重、

干扰源多等恶劣环境下工作。因此，不仅需要耐久、稳定、精度高的传感器，而且对数

据采集设备的长期稳定性、耐久性、测量精度、抗干扰能力也提出了更高的要求。