土木工程構(gòu)造物變形監(jiān)測智能裝置研制

卞步喜 張小楠 趙秀文 孫嘉輝

摘 ?要：土木工程構(gòu)造物在運(yùn)行期間因設(shè)備或其他原因?qū)е伦冃瘟康膶?shí)時監(jiān)測在一些地方還不能實(shí)現(xiàn)，即使監(jiān)測有時也是間歇性的。文章因此研制智能化實(shí)時監(jiān)測裝置，通過全橋應(yīng)變傳感器測得形變微量，將模擬信號輸入差動放大器電路、A/D轉(zhuǎn)換、傳送到單片機(jī)中處理，可以實(shí)時顯示并記錄數(shù)據(jù)。通過設(shè)置閾值達(dá)到智能預(yù)警功能。該裝置獲取的測試數(shù)據(jù)與部分構(gòu)造物的理論值、數(shù)值模擬分析結(jié)果比對后，精度滿足工程要求。

關(guān)鍵詞：土木構(gòu)造物;變形;智能;監(jiān)測裝置;精度

中圖分類號：TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0032-02

Abstract： The real-time monitoring of the deformation of civil engineering structures caused by equipment or other reasons cannot be realized in some places， even if the monitoring is sometimes intermittent. In this paper， an intelligent real-time monitoring device is developed， which can measure the trace amount of deformation through the full-bridge strain sensor， input the analog signal into the differential amplifier circuit， realize A/D conversion， and transmit it to the single-chip microcomputer for processing， so that the data can be displayed and recorded in real time. The intelligent early warning function is achieved by setting the threshold. After comparing the test data obtained by the device with the theoretical values of some structures and the results of numerical simulation analysis， it is found that the accuracy meets the engineering requirements.

Keywords： civil structure; deformation; intelligence; monitoring device; accuracy

近年來，我國土木工程迅猛發(fā)展，而土木構(gòu)造物安全是確保其運(yùn)行穩(wěn)定、高效的必要條件。隨著信息科技的發(fā)展，我國工程監(jiān)測系統(tǒng)從人工監(jiān)測到自動化監(jiān)測，再發(fā)展至GPS自動化監(jiān)測。但由于GPS等技術(shù)設(shè)備成本高及我國技術(shù)水平與國際水平對比存在一定差距等原因，限制了先進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)的使用。在數(shù)據(jù)傳輸方面，有藍(lán)牙、WiFi、有線傳輸?shù)榷喾N方式。由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，一些工程構(gòu)造物由于技術(shù)或者其他原因不能做到實(shí)時監(jiān)測，以致給安全運(yùn)行帶來隱患。本文著眼于經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，可靠性原則使用有線傳輸研制出了測試裝置，并能存儲顯示所有監(jiān)測數(shù)據(jù)。該裝置對提高我國土木構(gòu)造物安全運(yùn)行有重要意義。

1 裝置測試原理

由于工程構(gòu)造物在運(yùn)行期間發(fā)生的變形大多是微小的彈性小變形，因此給直接測量帶來困難，必須通過一定的裝置將直接測得的數(shù)據(jù)通過技術(shù)路徑放大提高測量精度。電阻應(yīng)變測量是將應(yīng)變通過電路轉(zhuǎn)換為電量，實(shí)驗(yàn)中是將應(yīng)變片粘貼或預(yù)埋在構(gòu)造物表面或內(nèi)部，當(dāng)構(gòu)造物發(fā)生變形時，應(yīng)變片隨著一起變形，應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，通過的電流和電壓也發(fā)生變化。

如圖1所示，在一定的變形范圍內(nèi)，電阻絲的電阻變化率與應(yīng)變成線性關(guān)系。當(dāng)將應(yīng)變片安裝在處于單向應(yīng)力狀態(tài)的試件表面，并使敏感柵的柵軸方向與應(yīng)力方向一致時，應(yīng)變片電阻值的變化率？駐R/R與敏感柵柵軸方向的應(yīng)變？著成正比[1]。圖2中使用應(yīng)變片R1～R4作為電橋橋臂，當(dāng)輸入端加有電壓U1時，電橋的輸出電壓[2]為

2 裝置制作思路

2018年9月起，在已掌握的現(xiàn)有資料的情況下，為清楚了解到現(xiàn)行中小型水壩的實(shí)際監(jiān)測模式，我們對周邊的一些構(gòu)造物進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，我們對水庫大壩監(jiān)測方法進(jìn)行了調(diào)研比對，主要比對GPS監(jiān)測系統(tǒng)和全站儀、激光準(zhǔn)直儀等傳統(tǒng)監(jiān)測方法，就其傳輸精度、成本耗費(fèi)、點(diǎn)位布設(shè)等方面進(jìn)行研究[3]，如表1所示。

通過量化對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段傳統(tǒng)的監(jiān)測方法仍是主流方法，其精度是GPS無法抗衡的。通過對比調(diào)研結(jié)果及咨詢指導(dǎo)老師意見，我們選擇就現(xiàn)今普遍使用且綜合性較高的傳統(tǒng)監(jiān)測方法進(jìn)行實(shí)踐改進(jìn)。

從成本、功耗、精度及傳輸距離等方面比對后，我們從各種傳輸方式中選擇了適合項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案，即有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式，利用由全橋應(yīng)變傳感器組成的測量電路測出壩體特征位置的形變微量，以模擬信號的方式差動放大器電路。其次，由差動放大器電路把傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，然后送至A/D轉(zhuǎn)換電路中。再由A/D轉(zhuǎn)換電路把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，由單片機(jī)控制顯示電路，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，形成應(yīng)變檢測系統(tǒng)。

在研制過程中，主要考慮以下幾點(diǎn)：（1）探究低耗能通信協(xié)議在大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的可行性。在目前的無線傳感網(wǎng)搭建過程中，傳輸數(shù)據(jù)精度高時消耗功率大，而低功率協(xié)議又常常會造成數(shù)據(jù)可靠性降低等問題，據(jù)此將通過對現(xiàn)在主流的通信協(xié)議進(jìn)行分析，選擇并改進(jìn)一種耗能可變的協(xié)議，該協(xié)議在數(shù)據(jù)正常傳輸時可對數(shù)據(jù)的重要性進(jìn)行判斷，自動選擇數(shù)據(jù)更新的精度，達(dá)到降低功耗的效果。根據(jù)目前的調(diào)查，有線傳輸成為了選擇項(xiàng)，先利用有線傳輸系統(tǒng)監(jiān)測形變值，將數(shù)據(jù)傳至終端顯示器。（2）數(shù)據(jù)處理可視化。以往系統(tǒng)的圖形可視化處理與數(shù)據(jù)信息僅是將監(jiān)測數(shù)據(jù)或分析結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形，無法對圖形中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢或計算，屬于正向圖形化過程，只是簡單比對擬合曲線數(shù)據(jù)。本文運(yùn)用matlab這一強(qiáng)大的圖形操作軟件對前端所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)數(shù)學(xué)模型構(gòu)造出精確且可視化程度的圖像將實(shí)時的水壩位移情況進(jìn)行呈現(xiàn)。另一方面，也找出水平位移最大值可供多種專題圖形（如范圍圖、方圖、餅圖等）對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多種直觀的可視化分類分析。（3）探究解決有線傳輸系統(tǒng)的監(jiān)測精度。首先針對實(shí)物模型所處環(huán)境的溫度、濕度、受力條件進(jìn)行測量分析，所測變形數(shù)據(jù)存儲在裝置中，可以實(shí)時調(diào)出測試數(shù)據(jù)與其他既有數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果比對。裝置對接收信號進(jìn)行時域傅氏變換，降低傳感信號的分段混沌影響，提高數(shù)據(jù)的敏感度。通過多徑傳輸機(jī)制，針對可能發(fā)生的頻率偏移進(jìn)行參數(shù)估計，降低峰值噪聲信號對傳感信號的滲透影響，提高測試精度。（4）建立安全報警機(jī)制。在裝置軟件里設(shè)置特殊數(shù)據(jù)，可以建立安全閾值范圍。在有線傳輸系統(tǒng)中連接警報器與燈泡，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過安全閾值時，警報器鳴笛且燈泡亮起，從而更加有效地進(jìn)行安全監(jiān)督。

3 實(shí)例

為了驗(yàn)證裝置測試精度，我們通過測試純彎梁[4]變形試驗(yàn)比對測試數(shù)據(jù)精度。為了有效減少測試誤差，采取等量逐級加載，測得載荷遞增100N時的平均應(yīng)變。通過對比理論值、數(shù)值模擬值和測試數(shù)據(jù)，可見該有線應(yīng)變監(jiān)測裝置傳輸精度較高、誤差小，傳輸速度較快，可運(yùn)用于實(shí)際監(jiān)測。

4 結(jié)論

本文研制的智能測試裝置，是通過全橋應(yīng)變傳感器測得形變微量，將模擬信號輸入差動放大器電路、A/D轉(zhuǎn)換、傳送到單片機(jī)中處理，可以實(shí)時顯示并記錄數(shù)據(jù)。通過設(shè)置閾值達(dá)到智能預(yù)警功能。該裝置獲取的測試數(shù)據(jù)與部分構(gòu)造物的理論值、數(shù)值模擬分析結(jié)果比對后，測試精度可以滿足工程要求，裝置研制是成功的。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈有權(quán).材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1984.

[2]張如一，等.應(yīng)變電測與傳感器[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[3]高開強(qiáng)，徐泮林，丁鵬文.全站儀三角高程測量方法及精度分析[J].測繪與空間地理信息，2018，41（12）：201-204，207.

[4]楊伯源.材料力學(xué)（I）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.