測控技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中應用-張廣遠

1、測試系統(tǒng)設計及其在結(jié)構(gòu)健康測試系統(tǒng)設計及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用監(jiān)測中的應用主講：張廣遠2017.10主要內(nèi)容內(nèi)容內(nèi)容 基本原則基本原則 一般步驟一般步驟 抗干擾設計抗干擾設計測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)典型組成典型組成 傳感器、傳感器、信號調(diào)理信號調(diào)理、信號處理、顯示與記錄、信號處理、顯示與記錄測測試試對對象象傳感器傳感器信號調(diào)理信號調(diào)理顯示顯示/記錄記錄電電 源源數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理信號處理信號處理1 1、基本原則、基本原則測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)設計原則設計原則p 測量裝置選用測量裝置選用 滿足關(guān)鍵指標滿足關(guān)鍵指標 合理的帶寬合理的帶寬 接口標準接口標準p 誤差分配誤差分配 綜合誤差最小或合成不

2、確定度最小綜合誤差最小或合成不確定度最小 選擇直接測量量的測量精度適中的方案，降低難度選擇直接測量量的測量精度適中的方案，降低難度p 傳感器選用傳感器選用 優(yōu)先考慮功能、然后再是指標優(yōu)先考慮功能、然后再是指標p 其它：成本、實現(xiàn)其它：成本、實現(xiàn)1 1、基本原則、基本原則步驟步驟F確定測試任務確定測試任務F選擇測量方法選擇測量方法F選擇傳感器選擇傳感器F后續(xù)測量系統(tǒng)的選定后續(xù)測量系統(tǒng)的選定F相應的軟件設計與編制相應的軟件設計與編制F測量系統(tǒng)的性能評定測量系統(tǒng)的性能評定2 2、一般步驟、一般步驟p 確定測試任務確定測試任務 在如下環(huán)境中完成如下任務在如下環(huán)境中完成如下任務 任務任務參數(shù)監(jiān)測參數(shù)監(jiān)測

3、/ /檢測檢測/ /監(jiān)控監(jiān)控參數(shù)計算（功率測量、傳遞函數(shù)）參數(shù)計算（功率測量、傳遞函數(shù)）場分布，面、陣測量場分布，面、陣測量組組/ /復合傳感器復合傳感器 環(huán)境環(huán)境高壓、高溫、高沖擊高壓、高溫、高沖擊 工作介質(zhì)工作介質(zhì): :水、油、空氣或蒸氣水、油、空氣或蒸氣被測表面被測表面: :材質(zhì)、偏差材質(zhì)、偏差2 2、一般步驟、一般步驟p 選擇測量方法選擇測量方法 功能功能在線測量在線測量/ /離線測量離線測量是否固定是否固定實時測量實時測量/ /離線分析離線分析是否現(xiàn)場給出結(jié)果是否現(xiàn)場給出結(jié)果實時測控實時測控數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)布數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)布/ /數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸指標指標非線性度、精度、量程、分辨率

4、非線性度、精度、量程、分辨率穩(wěn)定性、溫漂、零漂穩(wěn)定性、溫漂、零漂頻響頻響成本成本簡易：傳感器電壓表；傳感器簡易：傳感器電壓表；傳感器A/DA/D板計算機板計算機適中：傳感器信號處理信號測量適中：傳感器信號處理信號測量先進：傳感器信號處理測量、分析、傳輸先進：傳感器信號處理測量、分析、傳輸2 2、一般步驟、一般步驟p 選擇傳感器選擇傳感器被測參數(shù)被測參數(shù)傳感器類型傳感器類型振動、位移、溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩振動、位移、溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩測試部位測試部位對被測量的影響對被測量的影響加速度傳感器加速度傳感器對傳感器的影響對傳感器的影響渦流傳感器渦流傳感器選擇傳感器選擇傳感器指標：指標：靈敏度、線

5、性范圍、精確度、頻響、穩(wěn)定性等靈敏度、線性范圍、精確度、頻響、穩(wěn)定性等 工程考慮：傳感器工程考慮：傳感器種類種類越少越好越少越好合并：位移振動合并：位移振動類型優(yōu)化：一種傳感器多種測量類型優(yōu)化：一種傳感器多種測量( (渦流傳感器：位移、渦流傳感器：位移、振動、轉(zhuǎn)速振動、轉(zhuǎn)速) )輸出標準：輸出標準：減少信號處理難度減少信號處理難度電流電流 420mA420mA、電壓、電壓5V; 5V; 數(shù)字通訊（數(shù)字通訊（TCP/IPTCP/IP）2 2、一般步驟、一般步驟切角面切角面3x探頭直徑探頭直徑圓柱面圓柱面3x探頭直徑探頭直徑傳感器傳感器p 后續(xù)測量系統(tǒng)的選定后續(xù)測量系統(tǒng)的選定傳感器與信號調(diào)理裝置的

6、匹配問題傳感器與信號調(diào)理裝置的匹配問題 各個測量裝置的靜動態(tài)特性匹配問題各個測量裝置的靜動態(tài)特性匹配問題測量系統(tǒng)的精度設計測量系統(tǒng)的精度設計指標指標頻響頻響p 相應的軟件設計與編制相應的軟件設計與編制 實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動化、智能化實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動化、智能化 成本成本 人機交互界面人機交互界面p 測量系統(tǒng)的性能評定測量系統(tǒng)的性能評定 經(jīng)濟合理性經(jīng)濟合理性 抗干擾能力抗干擾能力 測試精度分析測試精度分析2 2、一般步驟、一般步驟干擾源干擾源 外部干擾外部干擾環(huán)境環(huán)境 電磁場、振動、溫度、濕度等電磁場、振動、溫度、濕度等 內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾電路電路 元器件干擾元器件干擾 信號回路干擾信號回路干擾 負

7、載回路干擾負載回路干擾 電源干擾電源干擾 數(shù)字電路干擾數(shù)字電路干擾3 3、抗干擾設計、抗干擾設計干擾傳播路徑干擾傳播路徑F靜電感應：導體之間通過分布電容耦合到的有靜電感應：導體之間通過分布電容耦合到的有效輸入成分效輸入成分F電磁感應：變化的電流通過互感作用在另一回電磁感應：變化的電流通過互感作用在另一回路中引起的感應電動勢路中引起的感應電動勢F輻射電磁干擾：周圍強烈的電磁場產(chǎn)生的感應輻射電磁干擾：周圍強烈的電磁場產(chǎn)生的感應電動勢造成的干擾電動勢造成的干擾F漏電流干擾：電器元件絕緣不良或功率器件間漏電流干擾：電器元件絕緣不良或功率器件間距不夠產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象距不夠產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象F公共阻抗：阻抗不等

8、的兩個電路與另一公共阻公共阻抗：阻抗不等的兩個電路與另一公共阻抗串聯(lián)產(chǎn)生的干擾抗串聯(lián)產(chǎn)生的干擾En Un Zi Cm Un Zc In En Zi R Un 3 3、抗干擾設計、抗干擾設計 Un Zi M In 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù) 靜電屏蔽：靜電屏蔽：在靜電場作用下，在靜電場作用下，導體導體內(nèi)部各點等電位內(nèi)部各點等電位 利用銅、鋁等利用銅、鋁等低阻導電材料，做成低阻導電材料，做成接地金屬容器，隔離內(nèi)外部接地金屬容器，隔離內(nèi)外部電力線，消除靜電耦合電力線，消除靜電耦合磁屏蔽：磁屏蔽：導體層以導體層以渦流方式渦流方式消耗高頻干擾磁場的能量消耗高頻干擾磁場的能量 鐵磁材料鐵磁材料（硅鋼、坡莫合金）制成

9、容器（硅鋼、坡莫合金）制成容器電磁屏蔽：電磁屏蔽：用導電良好的用導電良好的金屬材料金屬材料（銅箔（銅箔,鋁箔鋁箔/板）做成的接板）做成的接地電磁屏蔽層，同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用地電磁屏蔽層，同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用 屏蔽導線、屏蔽電纜屏蔽導線、屏蔽電纜3 3、抗干擾設計、抗干擾設計 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù) 簡單的屏蔽簡單的屏蔽接地、浮置接地、浮置 在高電壓強磁場的環(huán)境下，測量儀器經(jīng)常采用浮地系統(tǒng)在高電壓強磁場的環(huán)境下，測量儀器經(jīng)常采用浮地系統(tǒng) 為了防止在外殼上感應出高電壓，外殼必須接大地為了防止在外殼上感應出高電壓，外殼必須接大地o安全可靠安全可靠o制造工藝復雜制造工藝復雜o飛機

10、、艦船上的設備采用浮地飛機、艦船上的設備采用浮地機殼機殼機殼機殼機殼機殼絕緣層絕緣層 A Us Ui Rc1 Rc2 Rs Ri 3 3、抗干擾設計、抗干擾設計 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)電纜屏蔽層電纜屏蔽層單地原則單地原則屏蔽線的接地應與公共端連接屏蔽線的接地應與公共端連接Us放放大大器器12UG正確連接正確連接Us放放大大器器12C1C2C3正確連接正確連接UG3 3、抗干擾設計、抗干擾設計 隔離技術(shù)隔離技術(shù) 切斷地環(huán)路電流干擾切斷地環(huán)路電流干擾F兩個測試電路的地電位完全隔離開，避免干擾兩個測試電路的地電位完全隔離開，避免干擾F數(shù)字電路很適用數(shù)字電路很適用F模擬電路中，要選用線性度好的隔離器件模擬電

11、路中，要選用線性度好的隔離器件 濾波技術(shù)濾波技術(shù)阻止某一頻帶信號通過測試系統(tǒng)阻止某一頻帶信號通過測試系統(tǒng) 測測試試電電路路 1 光光耦耦合合器器件件 測測試試電電路路 2 0.5-2mH C1 0.010.1F + C2 100F 直直流流電電源源 C1 0.01F + C2 2000 直直流流電電源源 3 3、抗干擾設計、抗干擾設計接地技術(shù)接地技術(shù) 接地作用：接地作用： 安全、基準電位安全、基準電位 抗干擾（抗噪聲、靜電屏蔽等）抗干擾（抗噪聲、靜電屏蔽等） 接地方式接地方式 并聯(lián)接地并聯(lián)接地 串聯(lián)接地串聯(lián)接地 串并聯(lián)接地串并聯(lián)接地3 3、抗干擾設計、抗干擾設計接地技術(shù)接地技術(shù) 接地原則：一點

12、接地接地原則：一點接地地線應連在一起并通過地線應連在一起并通過一點接地一點接地避免公共地線各點避免公共地線各點電位不均勻而形成接地回路，電位不均勻而形成接地回路，產(chǎn)生干擾產(chǎn)生干擾 信號地線信號地線 （測試系統(tǒng)）（測試系統(tǒng)） 接地系統(tǒng)布置圖接地系統(tǒng)布置圖 電源地線電源地線 保護地線保護地線 （機殼、機架、機箱）（機殼、機架、機箱） 系統(tǒng)）系統(tǒng)） Rc1Rc2RiUG放放大大器器ABRsUs3 3、抗干擾設計、抗干擾設計 實例實例1 山嶺重丘地區(qū)橋梁溫度場監(jiān)測山嶺重丘地區(qū)橋梁溫度場監(jiān)測二、測控技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用 實例實例1 山嶺重丘地區(qū)橋梁溫度場監(jiān)測山嶺重丘地區(qū)橋梁溫度場監(jiān)測測試任務：廣東地區(qū)山區(qū)橋梁溫度場測試方法：埋入式接觸測量，長期監(jiān)測精度：0.02傳感器：PT100鉑電阻測試系統(tǒng)設計：太陽能供電、遠程無線傳輸 實例實例1 山嶺重丘地區(qū)橋梁溫度場監(jiān)測山嶺重丘地區(qū)橋梁溫度場監(jiān)測溫度傳感器2集中式采集方案高精度采集器4G DTURS485總線溫度傳感器n溫度傳感器116通道多路切換板多路溫度測量系統(tǒng)優(yōu)點：精度高，可以通過校準做到；缺點：校準過程比較復雜，系統(tǒng)設計計編程工作量較大 實例實例1 山嶺重丘地區(qū)