現代工程測控技術

1、現代工程測控技術 工程智能化研究所韋永斌2022年5月9日目目 錄錄一、現代工程測控技術發(fā)展概要一、現代工程測控技術發(fā)展概要二、二、現代工程測控技術測控對象的分類現代工程測控技術測控對象的分類三、三、現代工程測控技術相關傳感器現代工程測控技術相關傳感器四、四、現代工程測控技術相關采集設備現代工程測控技術相關采集設備五、現代工程測控技術的工程案例五、現代工程測控技術的工程案例六、結束語六、結束語一、現代工程測控技術發(fā)展概要現代測控技術現代測控技術是一門高新技術，以測控、測量、電子等學科為基礎，涉及計算機技術、信息處理技術、電子技術、自動控制技術、測試測量技術、儀器儀表技術及網絡技術等領域。隨著現

2、代科學技術的飛速發(fā)展和不斷融入，加快了現代測控技術的發(fā)展，使其正朝著智能化、集成化、微型化、虛擬化、網絡化和遠程化的方向大步邁進。作為一門實踐性很強的技術，現代測控技術在工程領域的應用廣度和深度正不斷的擴大，并將為改進技術水平和提高生產率做出巨大的貢獻。一、現代工程測控技術發(fā)展概要 現代工程測控技術，是應用傳感器及儀表技術、計算機技術、通訊技術、信息技術、自動控制技術等相關技術領域通過融合與集成，形成具有實時、遠程、自動化的綜合測控能力，能為工程研究、設計、施工、運營進行技術服務支持的綜合平臺。一、現代工程測控技術發(fā)展概要現代測控系統(tǒng)的組成現代測控系統(tǒng)的組成 現代測控系統(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。根據測控任務的不同，被測對象也是千差萬別的。如：工程主體的構件等。2 2、傳感器、傳感器。是測控系統(tǒng)的感覺器官，感應被測對象的狀態(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備、程控儀器的通路，以完成數據、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)、各種程控開關及儀器、執(zhí)行元件、存儲器件、顯示器件等。6 6、測控應用軟件測控應用軟件。包括I/O接口軟件、可執(zhí)行應用程序和儀器驅動程序等。一、現代工程測控技術發(fā)展

4、概要現代測控系統(tǒng)類型可以分為： 1、 單機測控 2、分布式測控一、現代工程測控技術發(fā)展概要典型單機測控系統(tǒng)一、現代工程測控技術發(fā)展概要典型的分布式測控系統(tǒng)一、現代工程測控技術發(fā)展概要 工程測控技術在近年來獲得了快速發(fā)展，這主要由于其相關技術的快速發(fā)展： 1、傳感器技術： 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、光柵應變傳感器、光譜儀、紅外熱像儀、靜力水準儀、地質雷達、振弦傳感器、測斜儀、自動全站儀、LVDT、磁耦合位移計、霍爾效應器件、巨磁效應器件、風速傳感器等，可以完成位移、應變

5、、溫度、力、角度、沉降、風荷等工程參量的測量。一、現代工程測控技術發(fā)展概要 2、計算機技術： 計算機是測控系統(tǒng)的大腦，計算機技術近20年突飛猛進的發(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、協調、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、現代工程測控技術發(fā)展概要 2、計算機技術：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1200億人參與，每人一臺計算器，并花費半個世紀的時間才能的工作量，“巨

6、人”1天內完成。一、現代工程測控技術發(fā)展概要 2、計算機技術：微型計算機微型處理器可以嵌入到傳感器里一、現代工程測控技術發(fā)展概要 3、通訊技術： 通訊技術是測控系統(tǒng)的神經網絡，如今的通訊技術有：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)可以根據情況選擇合適的通訊方式進行集成。一、現代工程測控技術發(fā)展概要 3、通訊技術： 通訊技術是測控系統(tǒng)的神經網絡，如今的通訊技術有：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)可以根據情況選擇合適的通訊方式進行集成。一、現代工程測控技術發(fā)展概要 4、信息技術： 信

7、息處理就是對信息的接收、存儲、轉化、傳送和發(fā)布等。隨著計算機科學的不斷發(fā)展，計算機已經從初期的以“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換、傳送或發(fā)布中間的信息通過存儲設備進行緩沖、保存、備份等處理；信息轉化就是把信息根據人們的特定需要進行分類、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部的指令或計算機之間構成的網絡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、現代工程測控技術發(fā)展概要 5、

8、機電液一體化： 現代工程的測控技術，不但要實現自動化的測量技術，還要實現自動化的控制技術?？刂萍夹g主要通過中央計算機給由機電液部件組成的執(zhí)行機構執(zhí)行相關動作實現。二、現代工程測控技術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力學軸力、應力、應變3熱學溫度、熱導率、熱容4光學波長、光強、折射率、透射率、反射率5電學電壓、電流、功率、功率因數6磁學磁場強度、磁感應強度、磁通量、磁化強度、磁矩、磁化率、磁勢、磁阻、磁導7核物理學輻射強度、輻射量三、現代工程測控技術相關傳感器1、運動學激光測距傳感器用途：基坑變形、結構變形、設備

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、構件位移優(yōu)點：造價低、可靠量程：20m精度：10mm三、現代工程測控技術相關傳感器1、運動學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測量技術與數據傳輸技術的結合，是GPS測量技術中的一個新突破。RTK測量技術是以載波相位觀測量為基礎的實時差分GPS測量技術，其基本思想是：在基準站上設置1臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)地觀測，并將其觀測數據通過無線電傳輸設備，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，通過無線電接收設備，接收基準站傳輸的觀測數據，然后根據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并計算顯示用戶站的三維坐標及其精度。 RTK測量系統(tǒng)一般由以下三部分組成：GPS接收設備、數據傳輸設備、軟件系統(tǒng)。數據傳輸系統(tǒng)由基準站的發(fā)射電臺與流動站的接收電臺組成，它是實現實時動態(tài)測量的關鍵設備。 三、現代工程測控技術相關傳感器1、運動學磁致收縮位移傳感器量程：3005000mm精度：優(yōu)于0.1mm 可達0.001mmLVDT傳感器LVDT-線性可變差動變壓器量程：50mm精度：0.01mm三、現代工程測控技術相關傳感器1、運動學加速度傳感器振動加速度傳感

11、器三、現代工程測控技術相關傳感器1、運動學傾角傳感器巨磁效應角度傳感器三、現代工程測控技術相關傳感器1、運動學靜力水準儀用途：沉降、撓度監(jiān)測精度：0.1mm三、現代工程測控技術相關傳感器2、力學振弦表面應變傳感器用途：結構表面應變測量精度：1三、現代工程測控技術相關傳感器2、力學振弦鋼筋應力計三、現代工程測控技術相關傳感器2、力學錨索計三、現代工程測控技術相關傳感器2、熱學熱電阻溫度傳感器紅外線測溫儀三、現代工程測控技術相關傳感器2、熱學紅外熱像傳感器紅外熱像圖片紅外熱像儀三、現代工程測控技術相關傳感器2、電學FULK示波表電流傳感器三、現代工程測控技術相關傳感器2、磁學磁場強度傳感器電子羅盤

12、傳感器四、現代工程測控技術相關采集設備1、振弦信號采集設備振弦應變采集設備振弦應變系統(tǒng)軟件四、現代工程測控技術相關采集設備2、動態(tài)模擬信號采集設備動態(tài)模擬信號采集設備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)圖形化數據采集、顯示、控制、分析軟件?？梢苑奖愕赝瓿蓴祿杉?、顯示、存儲、分析、統(tǒng)計、運算、控制、觸發(fā)等功能。五、現代工程測控技術的工程案例1、一些橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的測量內容 五、現代工程測控技術的工程案例2、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 南京南站鳥瞰圖五、現代工程測控技術的工程案例2、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 網架結構概要 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30m。屋蓋網架結構平面投影為矩形。網架南北方向長度451 m，東西方向最大寬度為210m。網架厚度在07.414m間均勻變化。整個網架結構面積約為94032.8m2，投影面積約為90337.1m2。鋼結構重量約為8000t，鋼構件總數量約3萬余件。屋頂網架結構采用雙向正交正放網架結構，支撐采用周邊與中間點支撐相結合的支撐方式。五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 網架滑移施工分塊情況：由于南京南站的工期緊，現場作業(yè)條件復雜，充分考慮工期和經濟效益，最終采用高空滑移來施工：把整個網架屋蓋分為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，成為一個網架屋蓋整體，從H1到H9依次從南向北滑移。 五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 工程監(jiān)測、監(jiān)控的必要性： 南京南站屋蓋網架鋼結構滑移施工工期緊，現場作業(yè)條件復雜，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，屋蓋網架桿件的內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，屋蓋網架處于重力荷載的應力和變形狀態(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，屋蓋網架的內力再次發(fā)生重分布；五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 上述各個過程中，屋蓋網架的內力變形始終處于復雜的變化過程中。這些桿件內力和變形，雖然可以利用有限元軟件進行模擬計算，但由于屋蓋網架及支撐體系過于復雜，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鍵部位桿件應力和變形

16、、屋蓋網架的實際溫度場、滑移啟動瞬間的加速度、滑移軌道鋼梁的側向變形進行實時監(jiān)測。五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 另外，根據高空滑移仿真計算結果表明，網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。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。而這次各片網架要在高空4條軌道上滑移，如何保證網架滑移過程中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、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 滑移施工過程監(jiān)測主要內容包括：（1）網架頂升時

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

18、能指標序號序號測試量測試量傳感器類別傳感器類別性能指標性能指標1 1應變振弦采集儀量程：4504500Hz，精度：0.2Hz2 2溫度溫度采集儀量程：-20100，精度：0.5五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 大集群無線應力應變監(jiān)測系統(tǒng)數據采集與處理軟件 特點： 大集群無線應力應變監(jiān)測系統(tǒng)，可實現大型結構應力監(jiān)測與安全預警。相比傳統(tǒng)的應力監(jiān)測技術，該系統(tǒng)具有分布式、大區(qū)域、大點數、自由布局、自主供電的特點，受施工現場復雜環(huán)境影響小，具有安裝后免維護的優(yōu)點。五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 大集群無線應力應變監(jiān)測系統(tǒng)H3監(jiān)測點分布圖五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 大集群無線應力應變監(jiān)測系統(tǒng)傳感器安裝示意圖表面應變傳感器五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 大集群無線應力應變監(jiān)測系統(tǒng)軟件傳感器參數設置界面初始值設置： 在傳感器連接到采集箱之后，就要在采集軟件上做相關參數的設置：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等的設置。 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部振弦溫度的差異而導致偏差。五、現代工程測控技術的工程案例1、南京南站屋蓋網架滑移施工測控 多軌道滑移無線激光同步系統(tǒng)滑