現(xiàn)代工程測控技術(shù)

1、現(xiàn)代工程測控技術(shù) 工程智能化研究所韋永斌2022年5月9日目目 錄錄一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要二、二、現(xiàn)代工程測控技術(shù)測控對象的分類現(xiàn)代工程測控技術(shù)測控對象的分類三、三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器四、四、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)采集設(shè)備現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)采集設(shè)備五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例六、結(jié)束語六、結(jié)束語一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要現(xiàn)代測控技術(shù)現(xiàn)代測控技術(shù)是一門高新技術(shù)，以測控、測量、電子等學(xué)科為基礎(chǔ)，涉及計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、測試測量技術(shù)、儀器儀表技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)

2、代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷融入，加快了現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展，使其正朝著智能化、集成化、微型化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程化的方向大步邁進(jìn)。作為一門實踐性很強的技術(shù)，現(xiàn)代測控技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用廣度和深度正不斷的擴大，并將為改進(jìn)技術(shù)水平和提高生產(chǎn)率做出巨大的貢獻(xiàn)。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 現(xiàn)代工程測控技術(shù)，是應(yīng)用傳感器及儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域通過融合與集成，形成具有實時、遠(yuǎn)程、自動化的綜合測控能力，能為工程研究、設(shè)計、施工、運營進(jìn)行技術(shù)服務(wù)支持的綜合平臺。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要現(xiàn)代測控系統(tǒng)的組成現(xiàn)代測控系統(tǒng)的組成 現(xiàn)代測控系統(tǒng)的組成大致可以分為五個

3、部分，即：1 1、測控對象、測控對象。根據(jù)測控任務(wù)的不同，被測對象也是千差萬別的。如：工程主體的構(gòu)件等。2 2、傳感器、傳感器。是測控系統(tǒng)的感覺器官，感應(yīng)被測對象的狀態(tài)。如：位移、壓力等傳感器。3 3、控制器控制器。是系統(tǒng)的控制中心和指揮中心，主要指計算機、小型機、單片機等。4 4、通訊裝置、通訊裝置。它是連接控制器與各種設(shè)備、程控儀器的通路，以完成數(shù)據(jù)、命令及消息的交換與傳輸。5 5、執(zhí)行裝置、執(zhí)行裝置。包括：激勵源、程控伺服系統(tǒng)、各種程控開關(guān)及儀器、執(zhí)行元件、存儲器件、顯示器件等。6 6、測控應(yīng)用軟件測控應(yīng)用軟件。包括I/O接口軟件、可執(zhí)行應(yīng)用程序和儀器驅(qū)動程序等。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展

4、概要現(xiàn)代測控系統(tǒng)類型可以分為： 1、 單機測控 2、分布式測控一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要典型單機測控系統(tǒng)一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要典型的分布式測控系統(tǒng)一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 工程測控技術(shù)在近年來獲得了快速發(fā)展，這主要由于其相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展： 1、傳感器技術(shù)： 傳感器是測控系統(tǒng)的感覺器官，只有依賴傳感器，測控系統(tǒng)才能獲取被測控對象的狀態(tài)。新型傳感器的種類繁多，如：激光測距、RTK、激光3D掃描儀、光纖溫度傳感器、光柵應(yīng)變傳感器、光譜儀、紅外熱像儀、靜力水準(zhǔn)儀、地質(zhì)雷達(dá)、振弦傳感器、測斜儀、自動全站儀、LVDT、磁耦合位移計、霍爾效應(yīng)器件、巨磁效應(yīng)器件、風(fēng)速傳感器等，可以完成位移、應(yīng)變

5、、溫度、力、角度、沉降、風(fēng)荷等工程參量的測量。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 2、計算機技術(shù)： 計算機是測控系統(tǒng)的大腦，計算機技術(shù)近20年突飛猛進(jìn)的發(fā)展，如今的計算機有千萬億次的超級計算機，有便于攜帶的移動電腦，有可嵌入儀器設(shè)備的嵌入式計算機，也有體積小于米粒的超微型計算機。大型計算機可以作為測控系統(tǒng)的中樞，嵌入式計算機可以作為測控系統(tǒng)的局部指揮、協(xié)調(diào)、通訊、運算部件，超微型計算機可以作為智能傳感器的核心處理部件。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 2、計算機技術(shù)：美國新一代“巨人”超級計算機運算速度：每秒2萬萬億次計算能力：相當(dāng)1200億人參與，每人一臺計算器，并花費半個世紀(jì)的時間才能的工作量，“巨

6、人”1天內(nèi)完成。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 2、計算機技術(shù)：微型計算機微型處理器可以嵌入到傳感器里一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 3、通訊技術(shù)： 通訊技術(shù)是測控系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如今的通訊技術(shù)有：衛(wèi)星通訊、INTERNET、微波通訊、移動通訊、無線電、激光通訊、光纖通訊等等。工程測控系統(tǒng)可以根據(jù)情況選擇合適的通訊方式進(jìn)行集成。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 3、通訊技術(shù)： 通訊技術(shù)是測控系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如今的通訊技術(shù)有：衛(wèi)星通訊、INTERNET、微波通訊、移動通訊、無線電、激光通訊、光纖通訊等等。工程測控系統(tǒng)可以根據(jù)情況選擇合適的通訊方式進(jìn)行集成。一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 4、信息技術(shù)： 信

7、息處理就是對信息的接收、存儲、轉(zhuǎn)化、傳送和發(fā)布等。隨著計算機科學(xué)的不斷發(fā)展，計算機已經(jīng)從初期的以“計算”為主的一種計算工具，發(fā)展成為以信息處理為主的、集計算和信息處理于一體的工具。 信息的接收包括信息的感知、信息的測量、信息的識別、信息的獲取以及信息的輸入等；信息的存儲就是把接收到的信息或轉(zhuǎn)換、傳送或發(fā)布中間的信息通過存儲設(shè)備進(jìn)行緩沖、保存、備份等處理；信息轉(zhuǎn)化就是把信息根據(jù)人們的特定需要進(jìn)行分類、計算、分析、檢索、管理和綜合等處理；信息的傳送把信息通過計算機內(nèi)部的指令或計算機之間構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)從一地傳送到另外一地；信息的發(fā)布就是把信息通過各種表示形式展示出來。 一、現(xiàn)代工程測控技術(shù)發(fā)展概要 5、

8、機電液一體化： 現(xiàn)代工程的測控技術(shù)，不但要實現(xiàn)自動化的測量技術(shù)，還要實現(xiàn)自動化的控制技術(shù)?？刂萍夹g(shù)主要通過中央計算機給由機電液部件組成的執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相關(guān)動作實現(xiàn)。二、現(xiàn)代工程測控技術(shù)測控對象的分類序號序號類別類別物理量物理量1運動學(xué)距離、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、撓度、沉降量2力學(xué)軸力、應(yīng)力、應(yīng)變3熱學(xué)溫度、熱導(dǎo)率、熱容4光學(xué)波長、光強、折射率、透射率、反射率5電學(xué)電壓、電流、功率、功率因數(shù)6磁學(xué)磁場強度、磁感應(yīng)強度、磁通量、磁化強度、磁矩、磁化率、磁勢、磁阻、磁導(dǎo)7核物理學(xué)輻射強度、輻射量三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器1、運動學(xué)激光測距傳感器用途：基坑變形、結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備

9、位移優(yōu)點：長距、精度缺點：造價高量程：200m精度：1mm拉線測距傳感器用途：架體位移、構(gòu)件位移優(yōu)點：造價低、可靠量程：20m精度：10mm三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器1、運動學(xué)RTK測量系統(tǒng)用途：區(qū)域定位優(yōu)點：不需要通視、精度高缺點：造價高精度：水平5mm、垂直10mm 實時動態(tài)（RTK）測量系統(tǒng)，是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合，是GPS測量技術(shù)中的一個新突破。RTK測量技術(shù)是以載波相位觀測量為基礎(chǔ)的實時差分GPS測量技術(shù)，其基本思想是：在基準(zhǔn)站上設(shè)置1臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上，GPS接收

10、機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)差分差分定位原理定位原理，實時地解算整周模糊度未知數(shù)并計算顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。 RTK測量系統(tǒng)一般由以下三部分組成：GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由基準(zhǔn)站的發(fā)射電臺與流動站的接收電臺組成，它是實現(xiàn)實時動態(tài)測量的關(guān)鍵設(shè)備。 三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器1、運動學(xué)磁致收縮位移傳感器量程：3005000mm精度：優(yōu)于0.1mm 可達(dá)0.001mmLVDT傳感器LVDT-線性可變差動變壓器量程：50mm精度：0.01mm三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器1、運動學(xué)加速度傳感器振動加速度傳感

11、器三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器1、運動學(xué)傾角傳感器巨磁效應(yīng)角度傳感器三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器1、運動學(xué)靜力水準(zhǔn)儀用途：沉降、撓度監(jiān)測精度：0.1mm三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器2、力學(xué)振弦表面應(yīng)變傳感器用途：結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變測量精度：1三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器2、力學(xué)振弦鋼筋應(yīng)力計三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器2、力學(xué)錨索計三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器2、熱學(xué)熱電阻溫度傳感器紅外線測溫儀三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器2、熱學(xué)紅外熱像傳感器紅外熱像圖片紅外熱像儀三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器2、電學(xué)FULK示波表電流傳感器三、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)傳感器2、磁學(xué)磁場強度傳感器電子羅盤

12、傳感器四、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)采集設(shè)備1、振弦信號采集設(shè)備振弦應(yīng)變采集設(shè)備振弦應(yīng)變系統(tǒng)軟件四、現(xiàn)代工程測控技術(shù)相關(guān)采集設(shè)備2、動態(tài)模擬信號采集設(shè)備動態(tài)模擬信號采集設(shè)備DASYLab 9.0 DASYLab 9.0 圖形化多功能開發(fā)軟件圖形化多功能開發(fā)軟件 專業(yè)圖形化數(shù)據(jù)采集、顯示、控制、分析軟件。可以方便地完成數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、分析、統(tǒng)計、運算、控制、觸發(fā)等功能。五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、一些橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的測量內(nèi)容 五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例2、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 南京南站鳥瞰圖五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例2、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)概要 站房屋蓋造型

13、為周邊低中間高，四周均懸挑于柱外，其中南北向懸挑達(dá)30m。屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面投影為矩形。網(wǎng)架南北方向長度451 m，東西方向最大寬度為210m。網(wǎng)架厚度在07.414m間均勻變化。整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)面積約為94032.8m2，投影面積約為90337.1m2。鋼結(jié)構(gòu)重量約為8000t，鋼構(gòu)件總數(shù)量約3萬余件。屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用雙向正交正放網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，支撐采用周邊與中間點支撐相結(jié)合的支撐方式。五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 網(wǎng)架滑移施工分塊情況：由于南京南站的工期緊，現(xiàn)場作業(yè)條件復(fù)雜，充分考慮工期和經(jīng)濟(jì)效益，最終采用高空滑移來施工：把整個網(wǎng)架屋蓋分為9片滑移單元和片散拼單元，在

14、臨時拼接平臺上拼接，通過4條軌道滑移到指定位置，最后拼接連接帶，成為一個網(wǎng)架屋蓋整體，從H1到H9依次從南向北滑移。 五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 工程監(jiān)測、監(jiān)控的必要性： 南京南站屋蓋網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)滑移施工工期緊，現(xiàn)場作業(yè)條件復(fù)雜，施工難度大。整個施工方案，采用了高空平臺上的分塊拼裝、高空分塊滑移、拼接連接等多個施工工序。施工過程中，屋蓋網(wǎng)架桿件的內(nèi)力始終處于變化的過程中。其變化的幾個主要過程有：（1）落架：分塊滑移網(wǎng)架高空平臺拼裝完成后，需要從拼裝胎架落架到滑移軌道上，無論采用的是頂升落架還是切割鋼管落架，屋蓋網(wǎng)架處于重力荷載的應(yīng)力和變形狀態(tài)下；（2）滑移：滑

15、移頂推過程，縱向支座間的屋蓋下弦網(wǎng)架由受拉變成受壓；（3）拼接卸載：各個滑移分塊滑移到位后，安裝拼接帶桿件，將各個分區(qū)連成整體，拆除臨時滑移支座后，屋蓋網(wǎng)架的內(nèi)力再次發(fā)生重分布；五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 上述各個過程中，屋蓋網(wǎng)架的內(nèi)力變形始終處于復(fù)雜的變化過程中。這些桿件內(nèi)力和變形，雖然可以利用有限元軟件進(jìn)行模擬計算，但由于屋蓋網(wǎng)架及支撐體系過于復(fù)雜，計算模型具有簡化性。同時，由于計算溫度與實際的溫度之間也存在著差異，計算結(jié)果必然會與實際情況存在著差異。因此，為了確保施工過程屋蓋網(wǎng)架本身的安全及臨時支撐體系的安全，必須對整個施工過程中關(guān)鍵部位桿件應(yīng)力和變形

16、、屋蓋網(wǎng)架的實際溫度場、滑移啟動瞬間的加速度、滑移軌道鋼梁的側(cè)向變形進(jìn)行實時監(jiān)測。五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 另外，根據(jù)高空滑移仿真計算結(jié)果表明，網(wǎng)架在滑移過程中各條軌道之間要保持一定的同步性，這也是本次施工監(jiān)控的另一個任務(wù)。在兩條摩擦力不等的軌道上滑移時，同步性與速度控制存在著缺陷。而這次各片網(wǎng)架要在高空4條軌道上滑移，如何保證網(wǎng)架滑移過程中4條軌道之間的同步性是本施工一個難點，所以，為了保證網(wǎng)架滑移的的安全施工，必須確保其同步性處于實時測控之中。五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 滑移施工過程監(jiān)測主要內(nèi)容包括：（1）網(wǎng)架頂升時

17、屋蓋桿件應(yīng)力及溫度的監(jiān)測；（2）網(wǎng)架滑移時屋蓋桿件應(yīng)力及溫度的監(jiān)測；（3）網(wǎng)架落架時屋蓋桿件應(yīng)力及溫度的監(jiān)測；（4）各片網(wǎng)架連接帶連接時桿件應(yīng)力及溫度的監(jiān)測；（5）各片網(wǎng)架連接成整體時桿件應(yīng)力及溫度的監(jiān)測；（6）各片網(wǎng)架滑移過程中4條軌道之間同步性的監(jiān)測與控制。五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)振弦應(yīng)變傳感器太陽能無線振弦應(yīng)變采集箱五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)振弦應(yīng)變傳感器性

18、能指標(biāo)序號序號測試量測試量傳感器類別傳感器類別性能指標(biāo)性能指標(biāo)1 1應(yīng)變振弦采集儀量程：4504500Hz，精度：0.2Hz2 2溫度溫度采集儀量程：-20100，精度：0.5五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件 特點： 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測與安全預(yù)警。相比傳統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)，該系統(tǒng)具有分布式、大區(qū)域、大點數(shù)、自由布局、自主供電的特點，受施工現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境影響小，具有安裝后免維護(hù)的優(yōu)點。五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)H3監(jiān)測點分布圖五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)傳感器安裝示意圖表面應(yīng)變傳感器五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 大集群無線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)軟件傳感器參數(shù)設(shè)置界面初始值設(shè)置： 在傳感器連接到采集箱之后，就要在采集軟件上做相關(guān)參數(shù)的設(shè)置：采集儀的采樣頻率、傳感器的初始頻率、初始溫度以及溫度修正系數(shù)等的設(shè)置。 為了提高測量的精確度，可以在傳感器的表面包上聚苯乙烯泡沫板，這樣可以消除鋼管表面溫度與傳感器內(nèi)部振弦溫度的差異而導(dǎo)致偏差。五、現(xiàn)代工程測控技術(shù)的工程案例1、南京南站屋蓋網(wǎng)架滑移施工測控 多軌道滑移無線激光同步系統(tǒng)滑