0 引 言
應變傳感器是數據測量物體受力變形所產生應變的一種傳感器，可用于力、種電阻式力矩、應變壓力、傳感處理加速度、重量、物體形變等參數的測量、監測。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、環境適應性好、易于實現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控制、測量、監測等領域，在各行業中獲得廣泛應用。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] 介紹了在監測分析鐵路站房鋼結構形變數據時使用的異常數據剔除方法—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，可對數據進行測量，并對系統誤差成因進行分析。
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測，主要關注監測數據的變化，而由于量化噪聲、熱噪聲等引起的偶然瞬時突變需要從監測數據中剔除，以減少虛警和誤報。
1 電阻式應變傳感監測節點
為了提高監測敏感性，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字量，就完成了將外力引起的形變轉換為數據的過程。此數據用低功耗 MCU 進行處理，如發現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字化以及數據處理各部分組合在一起，就形成了一個應變傳感監測節點，可以分布式地布置在建筑物的各被監測部位。電阻應變片如圖 1 所示，電阻式應變傳感節點功能框圖如圖 2 所示。
搭建電阻式應變傳感監測節點實驗系統，監測節點采集到的數據通過 ZigBee 模塊發往主機端，在主機端存儲數據并分析。電阻式應變傳感監測節點實驗系統如圖 3 所示。
2 數據采集與分析
采集數據進行分析，首先保持應變片在數據采集期間狀態不變，采集 1 000 點數據。此時采集得到的是一個恒定電平疊加系統的噪聲，通過分析該數據，可以了解系統噪聲的分布規律。此時得到 1 000 點數據的均值為 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，可見一旦數據離散度較高，如果不處理隨機噪聲峰值就會造成虛警和誤報。原始數據幅度與統計分布情況如圖 4 所示。
由圖 4 的數據統計分布可知，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計規律，對于第 n 點數據，去掉其自身，取其前后各 N/2（N為偶數）點的數據作算術平均，算術平均值作為該點數據的濾波后值。設濾波前數據序列為 x（n），濾波后數據序列為y（n），即 ：
取單元平均濾波 N=16，即用第 n 點數據的前后各 8 點數據的算術平均值替代第 n 點的數據值，對上述 1 000 點數據進行濾波后，1 000 點數據的均值為 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，數據的離散性降低、噪聲峰值減小，顯著降低了虛警和誤報概率。
濾波后數據幅度與統計分布情況如圖 5 所示。在數據采集期間，使應變片處于不同的彎曲狀態，模擬監測到異常事件的狀態，得到變化的數據。利用單元平均濾波方法對變化的數據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。如模擬異常監測事件發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、結構簡單等優點，被廣泛應用于建筑物重點部位的應力監測。本文利用單元平均濾波方法對應變傳感器的原始數據進行濾波處理，顯著降低了噪聲，從而降低了虛警和誤報概率。
