土木工程构造物变形监测智能装置研制

卞步喜 张小楠 赵秀文 孙嘉辉

摘  要：土木工程构造物在运行期间因设备或其他原因导致变形量的实时监测在一些地方还不能实现，即使监测有时也是间歇性的。文章因此研制智能化实时监测装置，通过全桥应变传感器测得形变微量，将模拟信号输入差动放大器电路、A/D转换、传送到单片机中处理，可以实时显示并记录数据。通过设置阈值达到智能预警功能。该装置获取的测试数据与部分构造物的理论值、数值模拟分析结果比对后，精度满足工程要求。

关键词：土木构造物;变形;智能;监测装置;精度

中图分类号：TV698.1 文献标志码：A         文章編号：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

近年来，我国土木工程迅猛发展，而土木构造物安全是确保其运行稳定、高效的必要条件。随着信息科技的发展，我国工程监测系统从人工监测到自动化监测，再发展至GPS自动化监测。但由于GPS等技术设备成本高及我国技术水平与国际水平对比存在一定差距等原因，限制了先进监测系统的使用。在数据传输方面，有蓝牙、WiFi、有线传输等多种方式。由于我国经济发展不平衡，一些工程构造物由于技术或者其他原因不能做到实时监测，以致给安全运行带来隐患。本文着眼于经济性、实用性，可靠性原则使用有线传输研制出了测试装置，并能存储显示所有监测数据。该装置对提高我国土木构造物安全运行有重要意义。

1 装置测试原理

由于工程构造物在运行期间发生的变形大多是微小的弹性小变形，因此给直接测量带来困难，必须通过一定的装置将直接测得的数据通过技术路径放大提高测量精度。电阻应变测量是将应变通过电路转换为电量，实验中是将应变片粘贴或预埋在构造物表面或内部，当构造物发生变形时，应变片随着一起变形，应变片的阻值发生变化，通过的电流和电压也发生变化。

如图1所示，在一定的变形范围内，电阻丝的电阻变化率与应变成线性关系。当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，并使敏感栅的栅轴方向与应力方向一致时，应变片电阻值的变化率？驻R/R与敏感栅栅轴方向的应变？着成正比[1]。图2中使用应变片R1～R4作为电桥桥臂，当输入端加有电压U1时，电桥的输出电压[2]为

2 装置制作思路

2018年9月起，在已掌握的现有资料的情况下，为清楚了解到现行中小型水坝的实际监测模式，我们对周边的一些构造物进行了实地调查，我们对水库大坝监测方法进行了调研比对，主要比对GPS监测系统和全站仪、激光准直仪等传统监测方法，就其传输精度、成本耗费、点位布设等方面进行研究[3]，如表1所示。

通过量化对比发现，现阶段传统的监测方法仍是主流方法，其精度是GPS无法抗衡的。通过对比调研结果及咨询指导老师意见，我们选择就现今普遍使用且综合性较高的传统监测方法进行实践改进。

从成本、功耗、精度及传输距离等方面比对后，我们从各种传输方式中选择了适合项目实验的最优方案，即有线网络的传输方式，利用由全桥应变传感器组成的测量电路测出坝体特征位置的形变微量，以模拟信号的方式差动放大器电路。其次，由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送至A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到单片机中进行处理，由单片机控制显示电路，最后实现数据显示，形成应变检测系统。

在研制过程中，主要考虑以下几点：（1）探究低耗能通信协议在大坝安全监控系统上实现的可行性。在目前的无线传感网搭建过程中，传输数据精度高时消耗功率大，而低功率协议又常常会造成数据可靠性降低等问题，据此将通过对现在主流的通信协议进行分析，选择并改进一种耗能可变的协议，该协议在数据正常传输时可对数据的重要性进行判断，自动选择数据更新的精度，达到降低功耗的效果。根据目前的调查，有线传输成为了选择项，先利用有线传输系统监测形变值，将数据传至终端显示器。（2）数据处理可视化。以往系统的图形可视化处理与数据信息仅是将监测数据或分析结果数据转化为图形，无法对图形中的数据进行查询或计算，属于正向图形化过程，只是简单比对拟合曲线数据。本文运用matlab这一强大的图形操作软件对前端所采集到的数据进行数学建模，根据数学模型构造出精确且可视化程度的图像将实时的水坝位移情况进行呈现。另一方面，也找出水平位移最大值可供多种专题图形（如范围图、方图、饼图等）对监测数据进行多种直观的可视化分类分析。（3）探究解决有线传输系统的监测精度。首先针对实物模型所处环境的温度、湿度、受力条件进行测量分析，所测变形数据存储在装置中，可以实时调出测试数据与其他既有数据进行结果比对。装置对接收信号进行时域傅氏变换，降低传感信号的分段混沌影响，提高数据的敏感度。通过多径传输机制，针对可能发生的频率偏移进行参数估计，降低峰值噪声信号对传感信号的渗透影响，提高测试精度。（4）建立安全报警机制。在装置软件里设置特殊数据，可以建立安全阈值范围。在有线传输系统中连接警报器与灯泡，当监测数据超过安全阈值时，警报器鸣笛且灯泡亮起，从而更加有效地进行安全监督。

3 实例

为了验证装置测试精度，我们通过测试纯弯梁[4]变形试验比对测试数据精度。为了有效减少测试误差，采取等量逐级加载，测得载荷递增100N时的平均应变。通过对比理论值、数值模拟值和测试数据，可见该有线应变监测装置传输精度较高、误差小，传输速度较快，可运用于实际监测。

4 结论

本文研制的智能测试装置，是通过全桥应变传感器测得形变微量，将模拟信号输入差动放大器电路、A/D转换、传送到单片机中处理，可以实时显示并记录数据。通过设置阈值达到智能预警功能。该装置获取的测试数据与部分构造物的理论值、数值模拟分析结果比对后，测试精度可以满足工程要求，装置研制是成功的。

参考文献：

[1]贾有权.材料力学实验（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1984.

[2]张如一，等.应变电测与传感器[M].北京：清华大学出版社，1999.

[3]高开强，徐泮林，丁鹏文.全站仪三角高程测量方法及精度分析[J].测绘与空间地理信息，2018，41（12）：201-204，207.

[4]杨伯源.材料力学（I）[M].北京：机械工业出版社，2001.