土木工程测试技术

土木工程测试技术1-1土木工程测试技术的基本概念1-2土木工程测试技术的重要性

1-3测试的任务及作用1-4测试技术的应用1-5测试系统的组成

1-6测试技术的发展方向1-7本课程的内容及要求*第一章

概论

测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，它起着类似人的感觉器官的作用。通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用它和改造它，推动科学技术的发展。科学技术的发展历史表明，科学上很多新的发现和突破都是以测试为基础的。同时，其它领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方法和装备，促进了测试技术的发展。*1-1概论----土木工程测试技术的基本概念

土木工程测试技术是一门综合性很强的技术，它是以土力学、岩体力学、钢筋混凝土力学及土木工程设计理论和方法等学科为理论基础，以仪器仪表、传感器、计算机、测试技术和信号处理等学科为技术支持，同时还融合土木工程施工工艺和积累的工程实践经验。*1-1概论----土木工程测试技术的基本概念

土木工程结构在服役过程中，不可避免地遭到环境荷载、疲劳、腐蚀、老化等等因素的影响，必然产生损伤累积，从而导致抗力衰减，如不及时采取有力措施，如维修或报废，其存在的隐患是难以估量的。

*1-2概论----土木工程测试技术的重要性

随着经济的发展，大量的现役工程结构存在损伤，如何评价其安全状况、评定其剩余使用寿命必须借助测试系统。在新建的工程结构中安设监测系统，将获得的信息验证其结构分析模型、计算假设、设计方法的合理性，对结构进行全寿命健康监测意义重大。

*1-2概论----土木工程测试技术的重要性

由于土木工程结构的特殊性，如结构型式多样、服役周期长、影响结构性能的因素复杂多变等，对其进行监测比一般的机械系统要复杂得多。对已建成的结构和设施采取有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤；对新建的结构和设施总结以往的经验和教训，增设长期的健康监测、振动和损伤控制系统，已成为世界范围的热点课题。

*1-2概论----土木工程测试技术的重要性

随着人们对土木工程施工中测试重要性认识的深入，以及国家有关法规的实施，土木工程测试已越来越成为继勘察、设计、施工、监理之后的又一个产业。由此可见，土木工程测试技术的应用前景是不言而喻的。

*1-2概论----土木工程测试技术的重要性

测试的基本任务是获得有用的信息，测试的过程是借助专门的设备、仪器、测试系统，通过适当的实验方法与必要的信号分析及数据处理，由测得的信号求取与研究对象有相关信息量值的过程，最后将其结果提供显示或输出。因此，测试技术是属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱（测试控制技术、计算技术、通讯技术）之一。

*1-3概论----测试的任务及作用

信号是传递信息的时间函数，是信息的实际载运者，只有通过处理分析后获得的信息才有意义。信息是对信号经过分析处理后的有用部分，它表征被测对象运动与状态的某种特征与属性。*1-3概论----测试的任务及作用

测量是以确定被测物属性量值为目的的一组操作。检测是有目的诊断测量。测试是具有试验性质的测量，或者可理解为测量与试验的综合。监测是动态、长期的测量、测试。

*1-3概论----测试的任务及作用

当代测试技术的作用主要体现在四个方面：(1)各种参数的测定；(2)自动化过程中参数的反馈、调节和自控；(3)现场实时检测和监控；(4)试验过程中的参数测量和分析。*1-3概论----测试的任务及作用测试技术的工程应用

在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化、海洋运输和土木等每一个工程领域。*1-4概论----测试技术的应用*1-4概论----测试技术的应用测试技术的工程应用----

1、工业自动化中的应用a)机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗*1-4概论----测试技术的应用测试技术的工程应用----

1、工业自动化中的应用b)AGV自动送货车

超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型*1-4概论----测试技术的应用

测试技术的工程应用----

1、工业自动化中的应用切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。密歇根大学数字化工厂c)生产加工过程监测

*1-4概论----测试技术的应用测试技术的工程应用----

2、流程工业设备运行状态监控

在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。

石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统*1-4概论----测试技术的应用测试技术的工程应用----

3、产品质量测量

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量*1-4概论----测试技术的应用测试技术的工程应用----

4、建筑施工过程测控

*1-4概论----测试技术的应用测试技术的工程应用----

5、楼宇控制与安全防护

为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。

图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器*1-4概论----测试技术的应用

测试技术的工程应用----

6、桥梁的健康监测*1-4概论----测试技术的应用

在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。

全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器测试技术的工程应用----

7、家庭与办公自动化*1-4概论----测试技术的应用鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服测试技术的工程应用----

8、PC机中的测试技术应用*1-4概论----测试技术的应用

航天农业交通医学测试技术的工程应用----

9、其他应用水位高度测量桥梁固频测量机翼模态分析索道检测简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。

为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。*1-5概论----测试系统的组成

*1-5概论----测试系统的组成

一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。

传感器将被测物理量(如载荷、变形、位移、温度等)检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。信息转换信息提取

1.传感器土木工程的健康监测就是利用性能稳定、耐久性好的传感元件，埋入或粘贴于结构中，对最能反映土木工程安全状况的参数进行监测，评价结构的安全性、耐久性，为维修、报废、报警决策提供可靠的依据。土木工程结构与设施往往处于较恶劣的环境中，要求传感器必需满足耐久性、稳定性、与结构相容性等，智能传感材料的出现，如光纤、压电材料、形状记忆合金、碳纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、半导体材料等，为土木工程长期智能监测打下了坚实的基础。智能材料在航空、航天、机械等领域已取得实际应用，针对土木工程的实际情况，已取得以下研究结果：*1-5概论----测试系统的组成

（1）对土木工程结构进行短期检测，使用这些智能材料都是可行的。技术成熟、外部设备要求较少的电阻应变丝是比较理想的材料，但其存在性能不稳、易受干扰等问题。（2）光纤是用于长期监测的最理想材料，虽然它所需的外部设备最为复杂且昂贵，但它具有信号稳定、抗干扰、多参数准分布测量等优点，这也是近10年来在土木工程方面受到重视的原因。法布里-珀罗干涉传感器与布拉格光栅传感器是最具前途的两种传感器。*1-5概论----测试系统的组成

（3）疲劳寿命丝是寿命预测、健康评估用最理想的材料，因为它具有记录损伤积累的功能。（4）若将几种材料在制作传感器时相融合会得到更好的效果，如将光纤与碳纤维融合，在小变形时用光纤监测，大变形时用碳纤维。（5）若想在结构的监测过程中，还需对其施加作用力，形状记忆合金与压电材料最理想，因为它们除传感功能外，还具有驱动功能。*1-5概论----测试系统的组成

2.信号处理土木工程测试的结构参数较多，如载荷、应变、加速度、速度、位移、温度、旋转等，再则，大型结构的多自由度特性要求的测试布点尽可能多，从而就要求采用尽可能多的传感器，而且不同的参数测量采用的原理也大多不一样，尤其智能传感器的出现使得测量的信号差异很大。多传感器的使用会带来以下4个方面的问题：*1-5概论----测试系统的组成多传感器的使用会带来以下4个方面的问题：（1）多传感器形成了不同通道的信号；（2）同一信号形成了不同的特征信息；（3）不同的诊断途径和方法会得出有偏差的诊断结论；（4）来自多传感器的监测信息和诊断决策信息具有强烈的不确定性。如何综合利用来自多传感器的多源不确定性信息以提高确诊率成为土木工程健康监测系统亟需解决的问题。近年来，不断发展起来的多传感器信息融合技术以其强大的时空覆盖能力和对多源不确定性信息的综合处理能力，越来越成为信息处理领域的强有利工具，从而可以有效地解决上述4个方面的问题。*1-5概论----测试系统的组成

多传感器信息融合理论的基本原理就是充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述，使该传感器系统由此而获得比它的各组成部分的子集所构成的系统更优越的性能。*1-5概论----测试系统的组成

信号处理的核心内容是提取特征信息，在土木工程测试中的核心内容就是有效地提取结构损伤特征信息。充分利用现代信号处理方法，如高阶谱分析、时-频分析、小波分析、神经网络等方法，对各传感器传输来的信息进行智能处理，通过数据融合理论表征结构特征损伤信息，便于对结构进行安全与损伤评价。*1-5概论----测试系统的组成结构诊断与安全评定:

结构诊断与安全评定可分为局部诊断与评定和整体诊断与评定两种。局部诊断与评定针对的对象是具体可疑的结构构件，即通常的无损检测与无损评价，其技术已比较成熟，几乎涉及现代科学的每一分支，如射线检测、声与超声检测、电学与电磁检测、热力学与化学检测等，具体而言，如X射线法、超声回弹法、硬度测试法、涡流法、磁粉法、同位素法等。但是，这些方法的费用高，有些部位难以接近，对大型结构在事先无法预测损伤位置的情况下无法进行。正因为如此，人们设想能不能通过对结构整体特性，如动力特性和状态反应等的测量来诊断与评价损伤，实际证明这种方法是可行的。*1-5概论----测试系统的组成整体诊断与评价是对结构的特性参数如频率、相位、振型、阻尼及状态量等进行测量，通过分析这些量的变化对结构进行诊断与评价。结构整体的诊断与安全评定研究方法主要有以下几种：（1）模型修正法：通过有限元模型修正和误差定位，得到一组修正的物理参数以再现测量数据，依据修正的模型对结构进行评定其安全状况。这种方法的缺点是其可靠性难以确定。损伤信息，便于对结构进行安全与损伤评价。*1-5概论----测试系统的组成（2）对比方法，也称为动力指纹法：假设有一系列的损伤情况，包括损伤机制及位置，预测损伤的动态响应变化，将结构的实测值与之比较，最相近的也就是最可能的损伤位置。该方法的缺点是工作量太大，费用高。（3）神经网络方法：融合自动控制、数理统计、计算机技术、以及相应的识别方法，通过神经网络的系统辨识原理，充分利用其自适应、自反馈、自学习功能，以实验模态测试为手段，输入模态参数，运算处理得到损伤的位置，并对结构进行评价。由于神经网络的容错性好，对输入参数的准确性要求不高，因此，其前景比较看好。*1-5概论----测试系统的组成（4）体系可靠度分析方法：它是从概率的角度评价结构整体的安全程度。由于结构体系复杂，结构的失效模式惊人之多，加之各失效模式之间的相关性很强，所以它是一个很难的研究课题，离实际应用尚有一段距离。目前的常用方法是指标计算法，即把结构的安全状况按损伤程度人为地划分等级，损伤信息，便于对结构进行安全与损伤评价。通过鉴定结构的实际情况，评定它所处的安全等级。*1-5概论----测试系统的组成

测试技术与科学研究、工程实践密切相关。科学技术的发展促进测试技术发展，测试技术的发展反过来又促进科学技术的提高，相辅相成推动社会生产力不断前进。

第一代测试仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。当50年代出现了电子管、60年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管为基础的第二代测试仪器——分立元件式仪表。70年代出现了集成电路，产生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器——数字式仪表。随着微电子技术的发展和微处理器的普及，80年代以微处理器为中心的第四代仪器——智能式仪表迅速普及。现在，微电子技术与计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器——虚拟仪器的出现，进而产生集成仪器，再由单台仪器子系统向多台仪器组成的大的测试系统方向发展。*1-6概论----测试技术的发展方向

*1-6概论----测试技术的发展方向

1、传感器方面

a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器结构振动监控中常用智能材料：光导纤维电流变液磁流变液形状记忆合金*1-6概论----测试技术的发展方向

b)传感器+嵌入式计算机

智能传感器

振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器*1-6概论----测试技术的发展方向

2、测量信号处理方面

计算机虚拟仪器技术用PC机＋仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路优点我们的工作虚拟仪器技术指采用软件代替部分硬件功能的技术，是近些年提出的新概念，已在机械、自动化等领域得到应用。由于土木工程领域的动态信号弱、难采集，往往容易为噪声干扰，实验室与户外差别很大，而实际结构实验费用难以为人们接受，因此采用虚拟仪器技术可以大大降低成本，探测针对不同结构的监测系统的可行性很有意义，尤其对结构在自然灾害下的模拟。*1-6概论----测试技术的发展方向

3S系统指地理信息系统GIS、全球定位系统GPS与遥感系统RS。由于土木工程分布广，结构的个性很强，如何对其安全状况很好的把握，单靠独立的监测系统是不可能的，而且重复设置浪费将很大。利用已取得广泛实际应用的GIS系统将不同结构和子系统的监测系统形成一个网络式的大系统，最终实现大规模的智能监测与诊断系统。随着GPS定位系统准确度的提高，用于土木工程的变形观测指日可待。尤其值得关注的是RS系统，在恶劣自然灾害如地震、洪水、飓风、火灾等发生时，基于有线传感传输的监测系统很容易遭到破坏，而此时正是要监测系统发挥作用的时候，由此将已用于通信的遥感、无线传输技术应用到土木工程的测试中来有着非常重要的意义。*1-6概论----测试技术的发展方向

3.目前亟需解决的问题土木工程测试技术研究尚处于起步阶段。通过测量信号对结构进行健康评价还没有建立完善的科学理论，达到商业化水平还有很多问题要解决。以下问题是目前亟需解决的：（1）智能传感器的研究。根据需要的监测量，改善智能材料的性能，研究耐久性好、可埋入或附着、大规模分布式的传感元件。虽然目前的所谓智能材料在航空、航天、机械等行业已取得较好的成效，但应用到土木工程还需做一些工作，如耐久性问题、相容问题、大应变问题等；（2）传感器优化布置。由于结构损伤模态的复杂性，研究传感器的优化布置，以便全面而经济地提取结构信号。*1-6概论----测试技术的发展方向

（3）参数识别研究。参数识别在机械领域相对成熟，但在土木工程中遇到了困难。机械领域的参数测量一般比较恒定，而土木工程就不一样，其环境因素影响很大，甚至一些非结构构件，如内墙、梯子、笨重存放物、周边建筑物等的变化都可能引起结构参数的变化，从而导致监测量的变化，这给测试与安全评估带来错误的信息；（4）专家系统研究。土木工程结构目前的设计是基于构件的，没有统一的结构标准，也就是说，测试、损伤定位与评价没一个统一的标准，具有很强的个性。如何建立反映结构特性的数据库意义重大，由此，基于专家知识与经验的专家系统是一个较好的工具；*1-6概论----测试技术的发展方向

*1-7概论----本课程的内容及要求

内容如下概论信号分析基础传感器原理测试系统特性模拟信号处理数字信号处理虚拟仪器技术土木工程应用测量误差分析

本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强实践性。理论学习、实践学习、研究学习三元并重.*1-7概论----测试技术的内容及要求

１.平时成绩：平时表现、实验。

２.论文撰写：撰写一篇不少于3000字的小论文，内容主要包括：土木工程测试技术综述(国内外研究现状及发展)；结合自己的学习专业举例说明某种测试技术在土木工程上的具体应用。３.翻译一篇有关土木工程测试技术的英文文章。４.交流。(时间)*1-7概论----本课程的内容及要求

第二章、信号分析基础2.4信号的时差域相关分析

1变量相关的概念统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了x、y之间的关联程度。第二章、信号分析基础xyxyxyxy2.4信号的时差域相关分析

2波形变量相关的概念（相关函数）如果所研究的变量x,y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)：x(t)y(t)2.4信号的时差域相关分析

这时可以引入一个与时间τ有关的量，称为函数的相关系数，简称相关函数，并有：相关函数反映了二个信号在时移中的相关性。x(t)y(t)y(t)y(t)y(t)2.4信号的时差域相关分析

算法：令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差τ，再相乘和积分，就可以得到τ时刻二个信号的相关性。

x(t)y(t)时延器

乘法器

y(t-τ)X(t)y(t-τ)积分

器

Rxy(τ)2.4信号的时差域相关分析

相关函数的性质

相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西。

（1）自相关函数是的偶函数，RX()=Rx(-)；（2）当=0时，自相关函数具有最大值。（3）周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。（4）随机噪声信号的自相关函数将随的增大快速衰减。2.4信号的时差域相关分析

（5）两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留原了信号的相位信息。（6）两个非同频率的周期信号互不相关。2.4信号的时差域相关分析

点击图片进入2.4信号的时差域相关分析

相关分析的工程应用

案例：机械加工表面粗糙度自相关分析被测工件相关分析性质3,性质4:

提取出回转误差等周期性的故障源。2.4信号的时差域相关分析

案例：自相关测转速理想信号干扰信号实测信号自相关系数性质3，性质4：提取周期性转速成分。2.4信号的时差域相关分析

案例：地下输油管道漏损位置的探测tX1X2S=vτ/22.5信号的频域分析

第二章、信号分析基础

信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz傅里叶变换X(t)=

sin(2πnft)0t0f2.5信号的频域分析

信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。

时域分析与频域分析的关系时间幅值频率时域分析频域分析时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。

2.5信号的频域分析

图例：受噪声干扰的多频率成分信号

2.5信号的频域分析

大型空气压缩机传动装置故障诊断1时域和频域的对应关系131Hz147Hz165Hz175Hz2.5信号的频域分析

频域参数对应于设备转速、固有频率等参数，物理意义更明确。2周期信号的频谱分析

周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：

x(t)

=

x(t+nT)2.5信号的频域分析

任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如三角函数集的傅里叶级数:傅里叶级数的表达形式：2.5信号的频域分析

变形为：式中:傅里叶级数的复数表达形式：T――周期，T=2π/ω0；ω0――基波圆频率；f0=ω0/2π2.5信号的频域分析

实验：方波信号的合成与分解

2.5信号的频域分析

实验：手机和弦铃声的合成2.5信号的频域分析

频谱图的概念

工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn(ω0)为横坐标，an

、bn为纵坐标画图