现代工程测控技术

1、现代工程测控技术 工程智能化研究所韦永斌2022年5月9日目目 录录一、现代工程测控技术发展概要一、现代工程测控技术发展概要二、二、现代工程测控技术测控对象的分类现代工程测控技术测控对象的分类三、三、现代工程测控技术相关传感器现代工程测控技术相关传感器四、四、现代工程测控技术相关采集设备现代工程测控技术相关采集设备五、现代工程测控技术的工程案例五、现代工程测控技术的工程案例六、结束语六、结束语一、现代工程测控技术发展概要现代测控技术现代测控技术是一门高新技术，以测控、测量、电子等学科为基础，涉及计算机技术、信息处理技术、电子技术、自动控制技术、测试测量技术、仪器仪表技术及网络技术等领域。随着现

2、代科学技术的飞速发展和不断融入，加快了现代测控技术的发展，使其正朝着智能化、集成化、微型化、虚拟化、网络化和远程化的方向大步迈进。作为一门实践性很强的技术，现代测控技术在工程领域的应用广度和深度正不断的扩大，并将为改进技术水平和提高生产率做出巨大的贡献。一、现代工程测控技术发展概要 现代工程测控技术，是应用传感器及仪表技术、计算机技术、通讯技术、信息技术、自动控制技术等相关技术领域通过融合与集成，形成具有实时、远程、自动化的综合测控能力，能为工程研究、设计、施工、运营进行技术服务支持的综合平台。一、现代工程测控技术发展概要现代测控系统的组成现代测控系统的组成 现代测控系统的组成大致可以分为五个

3、部分，即：1 1、测控对象、测控对象。根据测控任务的不同，被测对象也是千差万别的。如：工程主体的构件等。2 2、传感器、传感器。是测控系统的感觉器官，感应被测对象的状态。如：位移、压力等传感器。3 3、控制器控制器。是系统的控制中心和指挥中心，主要指计算机、小型机、单片机等。4 4、通讯装置、通讯装置。它是连接控制器与各种设备、程控仪器的通路，以完成数据、命令及消息的交换与传输。5 5、执行装置、执行装置。包括：激励源、程控伺服系统、各种程控开关及仪器、执行元件、存储器件、显示器件等。6 6、测控应用软件测控应用软件。包括I/O接口软件、可执行应用程序和仪器驱动程序等。一、现代工程测控技术发展

4、概要现代测控系统类型可以分为： 1、 单机测控 2、分布式测控一、现代工程测控技术发展概要典型单机测控系统一、现代工程测控技术发展概要典型的分布式测控系统一、现代工程测控技术发展概要 工程测控技术在近年来获得了快速发展，这主要由于其相关技术的快速发展： 1、传感器技术： 传感器是测控系统的感觉器官，只有依赖传感器，测控系统才能获取被测控对象的状态。新型传感器的种类繁多，如：激光测距、RTK、激光3D扫描仪、光纤温度传感器、光栅应变传感器、光谱仪、红外热像仪、静力水准仪、地质雷达、振弦传感器、测斜仪、自动全站仪、LVDT、磁耦合位移计、霍尔效应器件、巨磁效应器件、风速传感器等，可以完成位移、应变

5、、温度、力、角度、沉降、风荷等工程参量的测量。一、现代工程测控技术发展概要 2、计算机技术： 计算机是测控系统的大脑，计算机技术近20年突飞猛进的发展，如今的计算机有千万亿次的超级计算机，有便于携带的移动电脑，有可嵌入仪器设备的嵌入式计算机，也有体积小于米粒的超微型计算机。大型计算机可以作为测控系统的中枢，嵌入式计算机可以作为测控系统的局部指挥、协调、通讯、运算部件，超微型计算机可以作为智能传感器的核心处理部件。一、现代工程测控技术发展概要 2、计算机技术：美国新一代“巨人”超级计算机运算速度：每秒2万万亿次计算能力：相当1200亿人参与，每人一台计算器，并花费半个世纪的时间才能的工作量，“巨

6、人”1天内完成。一、现代工程测控技术发展概要 2、计算机技术：微型计算机微型处理器可以嵌入到传感器里一、现代工程测控技术发展概要 3、通讯技术： 通讯技术是测控系统的神经网络，如今的通讯技术有：卫星通讯、INTERNET、微波通讯、移动通讯、无线电、激光通讯、光纤通讯等等。工程测控系统可以根据情况选择合适的通讯方式进行集成。一、现代工程测控技术发展概要 3、通讯技术： 通讯技术是测控系统的神经网络，如今的通讯技术有：卫星通讯、INTERNET、微波通讯、移动通讯、无线电、激光通讯、光纤通讯等等。工程测控系统可以根据情况选择合适的通讯方式进行集成。一、现代工程测控技术发展概要 4、信息技术： 信

7、息处理就是对信息的接收、存储、转化、传送和发布等。随着计算机科学的不断发展，计算机已经从初期的以“计算”为主的一种计算工具，发展成为以信息处理为主的、集计算和信息处理于一体的工具。 信息的接收包括信息的感知、信息的测量、信息的识别、信息的获取以及信息的输入等；信息的存储就是把接收到的信息或转换、传送或发布中间的信息通过存储设备进行缓冲、保存、备份等处理；信息转化就是把信息根据人们的特定需要进行分类、计算、分析、检索、管理和综合等处理；信息的传送把信息通过计算机内部的指令或计算机之间构成的网络从一地传送到另外一地；信息的发布就是把信息通过各种表示形式展示出来。 一、现代工程测控技术发展概要 5、

8、机电液一体化： 现代工程的测控技术，不但要实现自动化的测量技术，还要实现自动化的控制技术。控制技术主要通过中央计算机给由机电液部件组成的执行机构执行相关动作实现。二、现代工程测控技术测控对象的分类序号序号类别类别物理量物理量1运动学距离、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、挠度、沉降量2力学轴力、应力、应变3热学温度、热导率、热容4光学波长、光强、折射率、透射率、反射率5电学电压、电流、功率、功率因数6磁学磁场强度、磁感应强度、磁通量、磁化强度、磁矩、磁化率、磁势、磁阻、磁导7核物理学辐射强度、辐射量三、现代工程测控技术相关传感器1、运动学激光测距传感器用途：基坑变形、结构变形、设备

9、位移优点：长距、精度缺点：造价高量程：200m精度：1mm拉线测距传感器用途：架体位移、构件位移优点：造价低、可靠量程：20m精度：10mm三、现代工程测控技术相关传感器1、运动学RTK测量系统用途：区域定位优点：不需要通视、精度高缺点：造价高精度：水平5mm、垂直10mm 实时动态（RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术的结合，是GPS测量技术中的一个新突破。RTK测量技术是以载波相位观测量为基础的实时差分GPS测量技术，其基本思想是：在基准站上设置1台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收

10、机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据差分差分定位原理定位原理，实时地解算整周模糊度未知数并计算显示用户站的三维坐标及其精度。 RTK测量系统一般由以下三部分组成：GPS接收设备、数据传输设备、软件系统。数据传输系统由基准站的发射电台与流动站的接收电台组成，它是实现实时动态测量的关键设备。 三、现代工程测控技术相关传感器1、运动学磁致收缩位移传感器量程：3005000mm精度：优于0.1mm 可达0.001mmLVDT传感器LVDT-线性可变差动变压器量程：50mm精度：0.01mm三、现代工程测控技术相关传感器1、运动学加速度传感器振动加速度传感

11、器三、现代工程测控技术相关传感器1、运动学倾角传感器巨磁效应角度传感器三、现代工程测控技术相关传感器1、运动学静力水准仪用途：沉降、挠度监测精度：0.1mm三、现代工程测控技术相关传感器2、力学振弦表面应变传感器用途：结构表面应变测量精度：1三、现代工程测控技术相关传感器2、力学振弦钢筋应力计三、现代工程测控技术相关传感器2、力学锚索计三、现代工程测控技术相关传感器2、热学热电阻温度传感器红外线测温仪三、现代工程测控技术相关传感器2、热学红外热像传感器红外热像图片红外热像仪三、现代工程测控技术相关传感器2、电学FULK示波表电流传感器三、现代工程测控技术相关传感器2、磁学磁场强度传感器电子罗盘

12、传感器四、现代工程测控技术相关采集设备1、振弦信号采集设备振弦应变采集设备振弦应变系统软件四、现代工程测控技术相关采集设备2、动态模拟信号采集设备动态模拟信号采集设备DASYLab 9.0 DASYLab 9.0 图形化多功能开发软件图形化多功能开发软件 专业图形化数据采集、显示、控制、分析软件。可以方便地完成数据采集、显示、存储、分析、统计、运算、控制、触发等功能。五、现代工程测控技术的工程案例1、一些桥梁监测系统的测量内容 五、现代工程测控技术的工程案例2、南京南站屋盖网架滑移施工测控 南京南站鸟瞰图五、现代工程测控技术的工程案例2、南京南站屋盖网架滑移施工测控 网架结构概要 站房屋盖造型

13、为周边低中间高，四周均悬挑于柱外，其中南北向悬挑达30m。屋盖网架结构平面投影为矩形。网架南北方向长度451 m，东西方向最大宽度为210m。网架厚度在07.414m间均匀变化。整个网架结构面积约为94032.8m2，投影面积约为90337.1m2。钢结构重量约为8000t，钢构件总数量约3万余件。屋顶网架结构采用双向正交正放网架结构，支撑采用周边与中间点支撑相结合的支撑方式。五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 网架滑移施工分块情况：由于南京南站的工期紧，现场作业条件复杂，充分考虑工期和经济效益，最终采用高空滑移来施工：把整个网架屋盖分为9片滑移单元和片散拼单元，在

14、临时拼接平台上拼接，通过4条轨道滑移到指定位置，最后拼接连接带，成为一个网架屋盖整体，从H1到H9依次从南向北滑移。 五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 工程监测、监控的必要性： 南京南站屋盖网架钢结构滑移施工工期紧，现场作业条件复杂，施工难度大。整个施工方案，采用了高空平台上的分块拼装、高空分块滑移、拼接连接等多个施工工序。施工过程中，屋盖网架杆件的内力始终处于变化的过程中。其变化的几个主要过程有：（1）落架：分块滑移网架高空平台拼装完成后，需要从拼装胎架落架到滑移轨道上，无论采用的是顶升落架还是切割钢管落架，屋盖网架处于重力荷载的应力和变形状态下；（2）滑移：滑

15、移顶推过程，纵向支座间的屋盖下弦网架由受拉变成受压；（3）拼接卸载：各个滑移分块滑移到位后，安装拼接带杆件，将各个分区连成整体，拆除临时滑移支座后，屋盖网架的内力再次发生重分布；五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 上述各个过程中，屋盖网架的内力变形始终处于复杂的变化过程中。这些杆件内力和变形，虽然可以利用有限元软件进行模拟计算，但由于屋盖网架及支撑体系过于复杂，计算模型具有简化性。同时，由于计算温度与实际的温度之间也存在着差异，计算结果必然会与实际情况存在着差异。因此，为了确保施工过程屋盖网架本身的安全及临时支撑体系的安全，必须对整个施工过程中关键部位杆件应力和变形

16、、屋盖网架的实际温度场、滑移启动瞬间的加速度、滑移轨道钢梁的侧向变形进行实时监测。五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 另外，根据高空滑移仿真计算结果表明，网架在滑移过程中各条轨道之间要保持一定的同步性，这也是本次施工监控的另一个任务。在两条摩擦力不等的轨道上滑移时，同步性与速度控制存在着缺陷。而这次各片网架要在高空4条轨道上滑移，如何保证网架滑移过程中4条轨道之间的同步性是本施工一个难点，所以，为了保证网架滑移的的安全施工，必须确保其同步性处于实时测控之中。五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 滑移施工过程监测主要内容包括：（1）网架顶升时

17、屋盖杆件应力及温度的监测；（2）网架滑移时屋盖杆件应力及温度的监测；（3）网架落架时屋盖杆件应力及温度的监测；（4）各片网架连接带连接时杆件应力及温度的监测；（5）各片网架连接成整体时杆件应力及温度的监测；（6）各片网架滑移过程中4条轨道之间同步性的监测与控制。五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 大集群无线应力应变监测系统监测系统架构图五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 大集群无线应力应变监测系统振弦应变传感器太阳能无线振弦应变采集箱五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 大集群无线应力应变监测系统振弦应变传感器性

18、能指标序号序号测试量测试量传感器类别传感器类别性能指标性能指标1 1应变振弦采集仪量程：4504500Hz，精度：0.2Hz2 2温度温度采集仪量程：-20100，精度：0.5五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 大集群无线应力应变监测系统数据采集与处理软件 特点： 大集群无线应力应变监测系统，可实现大型结构应力监测与安全预警。相比传统的应力监测技术，该系统具有分布式、大区域、大点数、自由布局、自主供电的特点，受施工现场复杂环境影响小，具有安装后免维护的优点。五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 大集群无线应力应变监测系统H3监测点分布图五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 大集群无线应力应变监测系统传感器安装示意图表面应变传感器五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 大集群无线应力应变监测系统软件传感器参数设置界面初始值设置： 在传感器连接到采集箱之后，就要在采集软件上做相关参数的设置：采集仪的采样频率、传感器的初始频率、初始温度以及温度修正系数等的设置。 为了提高测量的精确度，可以在传感器的表面包上聚苯乙烯泡沫板，这样可以消除钢管表面温度与传感器内部振弦温度的差异而导致偏差。五、现代工程测控技术的工程案例1、南京南站屋盖网架滑移施工测控 多轨道滑移无线激光同步系统滑