（机械设计及理论专业论文）高速公路软土基沉降仪的研究.pdf

摘要： 随着我国高速公路建设的飞速发展，对高速公路的结构性能检测和监测技术也日益受 到工程技术人员和科研工作者重视。由于我国北方地区冬夏温差变化大，还要通过一些软土 地带，在这样的寒冷地区软土基上修建高速公路还存在一些需要解决的实际工程问题。为了 解决这些问题，同时也是为了保证投入巨资的高速公路能够处于正常完好状态，就应积累充 分的连续观测数据和记录，作为工程技术人员进行工程决策的依据，因此精确地检测高速公 路的重要参数是一项非常重要的任务。 本文将介绍一种基于数字信号处理和现场总线技术的新型高速公路沉降仪，不仅提高 了沉降测试的自动化程度，而且通过在线误差补偿手段提高了测试精度，并且具备现场总线 通讯和强大的数据存储能力，可实现信号的远距离传输或长期存储。本文以s i m a t i c $ 2 0 0 系列p l c 为核心，配以总线通讯模块和相关硬件，提出了完整的硬件设计方案。并编制了p l c 和上位机的部分相关程序。 传感器存在着非线性、温度漂移等现象，要实现高精度测量，必须采取相应的补偿措 施。本设计采用软件的方法进行补偿。对于位移测量过程中的非线性和温度补偿采用多元线 性回归法进行曲线拟合，进一步采取分段处理方式，将高阶回归方程变为分段一次方程，并 将分段直线的端点数据存在e p r o m 中，供补偿时调用，这就提高了c p u 处理速度。 针对恶劣环境下，测试仪容易受干扰或发生故障的问题，为提高检测装置的抗干扰能 力和可靠性，本文提出了一系列提高系统抗干扰能力的软硬件措施，并采用了一种算法简单 的针对高速公路沉降仪常见故障的在线自诊断方法，对检测装置的常见故障进行简单但有效 的诊断。 现场总线技术是工业自动测控领域的第三次革命。现场总线技术融合了先进的计算机 技术、通信技术和控制技术，现场总线控制系统可以实现真正的全分散式控制，开放式系统 结构，具有互操作性，尽管现场总线技术正在处于发展和完善之中，其前途是非常光明的。 网络化智能测试技术跟随现场总线技术发展而发展，一定有广泛的应用前景。 关键词：沉降检测高速公路现场总线误差补偿 束经们：君、导吗舻 纫全文公布 a b s t r a c t ： w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ef r e e w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n a t h et e c h n i q u e o fe x a m i n a t i o na n dm o n i t o r i n gt oi t sc o n s t r u c t i o n a lf u n c t i o ni sr e g a r d e dm o r ea n d m o r eb ys c i e n t i s t sa n de n g i n e e r s b e c a u s et h e r ei sag r e a fd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e b e t w e e nw i n t e ra n ds u m m e ri nt h en o r t h e r nr e g i o no fo u rc o u n t r y a n ds t i l lw i t ht h e p a s so fs o f tl a n d t os e tu pt h ef r e e w a yi nt h i sc i r c u m s t a n c ei s s t i l lap r a c t i c a l p u z z l et h a tw eh a v et os o l v e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s t h ee n g i n e e r ss h o u l d b es u p p l l e ds u f f i c i e n ta n de o n t i n u o u sd a t af o rd e c i s i o n - m a k i n g i ta l s oh e l p st om a k e t h ef r e e w a yt h a th a sc o n s u m e du sm a n yf u n d si np e r f e c ts t a t u s s ot h ep r e c i s e e x a m i n a t i o no ft h em a j o rp a r a m e t e ro ff r e e w a yi sa ni m p o r t a n tt a s k t h i st h e s i sw i l li n t r o d u c ean e wf r e e w a ys e d i m e n t a t i o nt e s ti n s t r u m e n tt h a tb a s e d o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s sa n df i e l d b u s i tc a ni n c r e a s et h ea u t o m a t i cd e g r e et o s e d i m e n t a t i o nt e s ta sw e l1a si m p r o v ei t st e s ta c c u r a c yb yo n 一1i n ee r r o rc o m p e n s a t i o n a n dh a v et h ea b i1it yo ff i e l d b u sc o m m u n i c a t i o na n dd a t as t o r a g e ，s ot h ei n f o r m a t i o n c a nb ec o m m u n i c a t e df o rl o n g - d i s t a n c eo rs t o r e df o rl o n g t e r m w i t ht h es i m a t i c $ 2 0 0 s e r i e sp l ca sac o r ea n dm a t e dw i t ht h ef i e l d b u sc o n m u n i c a t i o nm o d u l ea n dr e l a t e d c o m p o n e n t s ，ib r i n gf o r w a r dac o m p l e t ed e s i g no fh a r d w a r e ，a n dd e s i g ns o m er e l a t e d p r o c e d u r eo ft h ep l ca n dm o n i t o rc o m p u t e r b e c a u s et h a tt h es e n s o rh a st h ep r o b i e mo fn o n - l i n e a ra n dt e m p e r a t u r ed r i f t ，s o m e c o m p e n s a t o r y m e t h o ds h o u l db et a k e nt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e i nt h i sd e s i g n ， t h ec o m p e n s a t i o ni sp r o c e s s e db ys o f t w a r e t ot h en o n - 1 i n e a re r r o ra n dt e m p e r a t u r e d r i f t i n ge r r o ro fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e ia d o p tt h em e t h o do f m u l t i v a r i a b l el i n e a r s i m u l a t i o n t h e nt u r nt h eh i g h r a n ke q u a t i o nt ol o w r a n ke q u a t i o nb yt h em e t h o do f d i v i d i n ga n ds t o r ee n d p o i n t d a t ai nt h ee p r o mt oi n c r e a s et h es p e e do fp r o c e s s t ot h ep r o b l e mt h a tt h es e n s o ri se a s yt ob ed i s t u r b e do rg od o w ni nt h ea t r o c i o u s c i r c u m s t a n c e ，ip u tf o r w a r das e r i e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e a s u r e st oi m p r o v et h e a h i l i t yt oa n t i d i s t u r b a n c ea n dr e l l a b i l i t yo f t h ei n s t r u m e n t ia l s oa d o p tan e w s i m p l eo n l i n es e l f - d i a g n o s ec a l c u l a t i n gm e t h o dt h a tc a nj u d g et h ec o n l m o n f a u l to f t h ei n s t r u m e n tb a s i c a l l yb u te f f e c t i v e l y t h ef i e l d - b u st e c h n i q u ei st h et h i r dr e v o l u t i o no fa u t o m a t i cm e a s u r ea n d c o n t r o l i ni n d u s t r y i ti sac o m b i n a t i o no fa d v a n c e dt e c h n i q u eo fc o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n a n dc o n t r 0 1 i tc a nr e a l i z et h et r u ed i s p e r s ec o n t r o la n do p e nt y p es y s t e m , w h i c h h a v ep e r f e c tm u t u a lm a n i p u l a t ea b i l i t y a l t h o u g ht h et e c h n i q u ei ss t i l li nt h ep h a s e o fd e v e l o p m e n t ，i t sp r o s p e c ti sg r e a t n e t w o r ki n t e l l i g e n c e t e s tt e c h n i q u et h a t f o l l o w sb e h i n dt h ed e v e l o p m e n to ff i e l d - b u st e c h n i q u ec e r t a i n l yh a st h ee x t e n s i v e f u t u r eo fp r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：s e d i m e n t a t i o nt e s t ，f r e e w a y ，f i e l d b u s ，c o m p e n s a t i o n o fe r r o r 一一 壹婆坌堕竺圭茎堡竖堡盟堡塞 1 概述 1 1 引言 改革开放以来，我国高速公路建设取得了飞速发展“。到目前为止，我国的高速公路 通车里程已超过1 9 万公里，居世界第二位”。随着我国高速公路里程的不断增加，人们在 享受高速公路带来的便利的同时，高速公路建设中存在的问题也同时显现出来。而无论是设 计中的问题还是施工中的问题，都需要一种高效、可靠的监测技术对建成的高速公路进行评 价。与此同时，设计施工部门也希望可以方便地获得各种检测数据以找出可能存在的问题， 提高其设计施工水平。 在高速公路建设中，软基工后监测一直是众人关注的焦点之一。在我国，软土地分布范 围较广，如：沿海软土( 滨海相、三角洲相、泻湖相、弱谷相) 、内陆平原淤泥和淤泥质( 湖 相沉积、河流漫滩与废河道相沉积) 、山地型( 谷地相) 等。特别是对于三角洲地区，由于淤 泥层厚，软土的工程性质极差，给高速公路软基沉降的预测与监测都带来极大的困难。有些 高速公路在建成通车后不久就因路基沉降过大而导致路面开裂或桥头错台，甚至经过多次翻 修也未能整治病害，在人力物力方面造成很大浪费和损失。例如，深汕高速公路四标实验段 某断面预测沉降1 5 0 c m ，实际沉降达1 9 0 c m ：京珠高速公路广珠段k 1 2 + 7 8 0 处断面预测沉降 6 4 c m ，实际沉降在未稳定的情况下已达2 4 0 c m “。此外，在我国北部寒冷地区存在冻害的问 题，这无论对铁路还是公路都是一个难以解决的问题。因此，为了积累必要的工程数据以及 尽量将耗资巨大的路桥工程的损失降到最小程度，开展对软基进行长期、重点监测是非常必 要的。 1 2 国内外高速公路检测技术发展现状 随着世界各国高速公路建设的飞速发展，对高速公路的结构性能检测和监测技术也日益 受到工程技术人员和科研工作者重视。近5 年来，我省的高速公路建设里程数逐年快速增加， 但是我省冬夏温差变化可达7 0 0c 左右，还要通过一些软土地带，在这样的寒冷地区软土基上 修建高速公路还存在一些需要解决的实际工程问题。为了解决这些问题，就应积累充分的连 续观测数据和记录，一方面作为工程技术人员进行工程决策的依据，另一方面也是为了保证 投入巨资的高速公路能够处于正常完好状态，因此精确地检测高速公路的重要参数是一项非 常重要的任务”。目前的问题是监测手段不够先进检测的数据也存在较大误差，受条件 限制监测的数据量不够充分，自动化的程度太低( 需要人工记录等) ，特别是在冬季使野外 东北林业火学硕士学位论文 检测成为异常困难的事情。为此，研究先进的数字监测技术己势在必行。 目前在施工中常见的检测内容有：变形检测、应力检测和其它检测。检测项目有地表位 移、土体位移、地基孔隙水压力、土压力、地下水位等。“。从目前工程实际来看，在变形检 测方面，对地表竖向位移采用精密水准仪配合铟钢尺观测。对地表水平位移采用视准线法或 单三角前方交会法观测。对土体分层竖向检测可采用电磁式沉降仪进行观测。对土体分层水 平位移采用伺服加速度式测斜仪进行观测。在应力检测方面，通常是用钢弦式孔隙水压力计 测量孔隙水压力，用钢弦式土压力计测量土压力。此外，还有基堤温度、湿度检测等。不论 是国内还是国外，这些都还是以通用型数字化测量仪器为主，也就是上述的一些常规仪器， 而且大多需要手工抄表，测量精度还有一定潜力可挖。主要的问题是测量仪器自动化程度低， 测量效率低，测量人员劳动强度大，测量数据少。 路面破损自动检测系统是一种针对路面破损状况进行检测的车载摄影系统，包括2 0 世纪 8 0 年代中期由美国地球技术公司开发的路面状况评价系统( p c e s ) 、2 0 世纪8 0 年代末期由 f 1 本k o m a t s u ( 小松) 财团丌发的k o m a t s u 破损自动检测系统、2 0 世纪9 0 年代中期由瑞典的 i m e 公司开发的p a v u e 系统等。从目前看来，这类系统都主要通过成像系统获得路面的图像 数据，并通过图像处理手段对路面破损状况进行分析。美国5 可肯色大学的k e l v i nw a n g 教 授研制的装有数码摄像机的监测车采用网络技术可以将高清晰度的图片传送到工程师的计算 机上，任何与该网络联机的技术人员都能查看到这些相关的数据。该研究小组还研制了基于 多媒体技术的公路信息系统( t 肼l l s ) ，该系统利用录像压缩技术以及高速网络把已有的录像 资料和工程数据连接起来，从而使用户更容易访问，可以更有效地修复损坏的公路。w a n g 认 为，该技术的前景非常好，因为，路面的坑洼问题将成为一个非常“昂贵”的问题，驾驶员 们可以对出路面坑洼问题造成的车辆损失提出赔偿请求。估计公路管理部门宁可配备监测车 及时修复路面破损也不愿对簿公堂”。 将探地雷达技术应用于公路质量的探测目前也已经取得较大的进展。其基本原理是通过 宽带时域发射天线向地下发射高频窄脉冲电磁波，电磁波在地下传播过程中遇到不同电性介 质界面时产生反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，再由计算机将接收到的信号进行 分析计算和成像处理，即可识别不同层面反射体的空间形态和介质特性。同路面破损检测系 统相比，探地雷达系统可以对路面下的空洞、积水、脱空、基础疏松进行有效的检测”。但 这剃检测方法曰河亟待解次的问题匙执一卜扰问趣。 智能结构系统( i n t e l l i g e n to rs m a r ts t r u c t u r e ss y s t e m s ) 是近年来发展的新兴技术， 是将具有仿生命功能的元器件融合于基体材料中，使制成的构件( 结构) 具有人们期望的智 功能。可见，智能结构是传统结构的功能的升华，智能结构在土木结构中的应用便称为智 能土木结构”。智能土木结构概念是为了进一步解决评估土木结构性能问题而提出的。用于 高速公路软土基沉降仪的研究 对土木建筑结构的性能进行监测及预报，不仅会大大减小维修费用，而且能增加预报的能力 “。上述的几种无损检铡技术均不能对结构进行实时监测，也不能很好地预报结构的破损情 况和进行完整性的评估。这些方法的致命缺点是预报方式是自外而内的，从信息的传播角度 看，难免会夹杂进各种干扰信息，从而使检测结果失真、效率低，甚至会导致完全错误的检 测结果。在结构内部埋入传感器，组成网络，就可以实时监测结构的性能，这就是智能土木 结构的自内而外的预报方式“”。 1 9 8 9 年，m e n d e r s 等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构的检测，并给出了 实验结果。美国2 0 世纪8 0 年代中后期开始在多座桥梁上布设传感器，用以验证设计中的一 些假定，监测施工质量和服役安全状态，如在佛罗里达州的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 桥上就 安装了数酉个传感器。英国2 0 世纪8 0 年代后期开始研究和安装大型桥梁的监测仪器和设备。 在我国，香港的l a n t a nf i x e dc r o s s i n gb r i d g e 、青马大桥、以及大陆的虎门桥、江阴长 江大桥也都在施工期问装设了传感系统，用以监测建成后大桥的服役安全状态。1 9 9 3 年加拿 大在c a l g a r y 建造的b e d d i n gt r a i l 大桥上首次布置了光纤布拉格光栅传感器，用以监测桥 梁内部的应变状态。在其他如采油平台、大坝、船闸等大体积混凝土结构中，也曾经尝试布 置传感器来构建智能结构“1 。 与此同时，国内技术人员和科研工作者也为提高我国的高速公路检测水平进行了不懈的 努力。在工程应用方面，各公路检测部门都积极致力于引进世界各国的先进检测设备，在实 践过程中对各种检测设备的改进进行了许多有益的探索。在理论研究方面，各科研院所及高 等学校的科研工作者也进行了卓有成效的研究。在路面弯沉测试技术方面，和松等综述了路 面弯沉测试技术3 。在沉降预测与监测方面，任国旭等分析了沉降预测中的误差因素，提出 了减少预测误差的对策“；刘增贤观测与分析了软基工后的沉降问题；罗志强撰文论述了边 坡工程监测的技术分析问题“。在新技术研究方面，符玉梅等研究了桥梁远程状态自动监测 系统“；雷俊卿等研究了长大跨桥实时监测预警系统“；朱桂新等介绍了g p sr t k 技术在虎 门大桥运营安全监测中的应用情况“。 1 3 软基路堤监测技术 软土具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性高、抗剪强度低、触变性等不利工程 性质，在软土地区修筑高等级公路，多年来一直是公路建设的一个重大技术课题。多年的 高等级公路建设说明，软土地基路堤是公路建设中问题集中的地段，也是影响商等级公路工 期、造价和营运水平的重要因素。因此，软土地基路堤监测技术就显得极为重要。 一一一j 型! 签些奎堂堡主堂垡堡塞 1 。3 。1 软基路堤监测的目的瞄3 ( 1 ) 以工程监测的结果指导现场施工，确定和优化施工参数，进行信息化施工； ( 2 ) 根据监测结果，及时发现危险的先兆，分析原因，判断工程的安全性，采取必要的措 施，防止发生工程破坏事故和环境事故； ( 3 ) 评价工程的技术状况，检验设计参数和设计理论的正确性； ( 4 ) 为设计、施工、管理和科学研究提供资料。 1 3 2 软基路堤监测内容协。 软基路堤监测工作主要包括：变形监测、应力监测和其它监测。监测项目和目的如表1 1 所列。 监测项目 当前工程中使用的仪器监测目的 竖向位移沉降扳或水杯地表以下水平沉降总量。 地表 测定路堤侧向地面水平位移量并兼测地面沉降 位移横向位移水平位移边桩 或隆起最，用于稳定监测。 变深层沉降标地基某一层位以下沉降量。 竖向位移 形 深层分层沉降标地基某一层位分层沉降量。 士体 位移 地卜水平位移标( 测斜 观测地基各层位土体侧向位移量，用于稳定监测 横向位移和了解土体备层侧向变位以及附加应力增加过程中 仪、管) 的变位发展情况。 地基7 l 隙水压力孔隙水压力计观测地基孔隙水压力变化，分析地基土固情况 应士压力r 十压力计( 盒)测定测点位置的土应力及应力分布情况。 力一般于地基或桩( 挂) 的承载能力测定。粉咬 承载力载荷试验仪 桩地基应作此项监测，其它地基必要时采用。 监测地基处理后地下水位的变化情况，校验孔隙 其地下水位地f 水位观测计 水压力读数。 它 出水量单孔山水量计 监测单个竖向排水井排水量，了解地基排水情况。 表11 路堤监测项目、目的 1 3 3 当前工程中使用的沉降仪啊 高速公路软土基沉醉仪的研究 国内外现有的沉降仪大体上可分为机械式、 舌簧式、电磁式、水管式、气压式等几种类型。 这里主要介绍工程上常用的电磁式沉降仪。 该仪器由脚架、钢卷尺、测头、沉降管和磁 环组成，其外观照片见图1 1 。 分层沉降仪主要技术性能指标是： ( 1 ) 测量深度：5 0 m 或1 0 0 m ； ( 2 ) 灵敏度：l m m ； ( 3 ) 标尺误差： l a m a 1 0 m ； i m p a 。 电磁式沉降仪的工作原理是在土体中埋设一 竖管，隔一定距离设置一磁环，当土体发生沉降 时和土体同步沉降，利用电磁测头测出发生沉降 填 后磁环的位置，将其与磁环起初的位置比较，即 可算出测点( 磁环) 的沉降量，图1 2 为测量示 意图。 一般情况下，测头的位移量为o 2 m m 的变位 时，指示器才能有指示。因此考虑到仪器的温度 飘移及人为影响、测尺影响等，其一般误差不会 超过0 5 m m 。而测尺、电缆一般做成合二为一的 铟钢丝塑料尺带，在拉力一定时，相对误差受温 度影响，当钻孔中的温度变化较大时，温度引起 的误差也较大。 图1 ，1 电磁式沉降仪 电囊和r 蕾盅 优戽蚌 班侮杆 图1 2 沉降仪的测量示意图 1 4 本文的研究内容、研究方法及要解决的关键问题 目前，高速公路软土基路堤监测手段方面虽有数字化测量仪器，但在数据采集方面还是 以人工方法为主，基本上没有采用现代化的数据采集与传输技术，测量过程中还需要人工操 作和电录。这不仪增加了测量成本和测量周】9 】。不利于大量数据的频繁采集，而且还带来了 测量过程中的人为误差、降低了测量精度。本文拟从沉降仪研究作为切入点，对高速公路软 基监测数字化进行一次探索，目前存在的i - i 题是：不能自动采集数据与传输；采集数据周期 长，数据精度不高：冬季操作受气候影响大；误差补偿方法不完善。 东北林业大学硕：e 学位论文 1 4 1 本文的研究内容与研究方法 ( 1 ) 研究内容： 高速公路软基路堤土体竖向位移测量的特点是：测量深度和位移大：室外测量，环境 恶劣、温度变化大；受施工要求限制，应考虑安装问题；测量点数多，应考虑成本问题。本 文将针对这些特点，对各种测量方案进行对比、分析，并确立最终测量方案，通过对目前现 有传感器进行研究改进，设计一个合理测量装置。 由于高速公路本身地理跨度大，而传统测试仪器输出一般为5 - 2 0 l l a 或卜5 v 模拟信号， 其有效传输距离很近，且不易存储，使得测量过程不得不在现场实时进行。智能仪表和现场 总线技术的发展使得从根本上解决这问题成为可能。出于完全采用数字信号进行信息传输， 使得信号的收、发更为可靠灵活，更重要的是：信号的传输距离理论上不受限制。采用了标 准的通信协议后，使得测试仪器像计算机样成为测控网络上的一个节点，大大提高了测试 仪的通用性。而且现场总线的组态灵活，容许的节点数较多，完全可满足高速公路测试系统 中因监测路段长度和监测密度不同而造成的规模差异大的要求。因此，本文将对现场总线技 术进行研究，并尝试将其应用到高速公路测试系统中。 传感器存在着非线性、温度漂移等现象，要实现高精度测量，必须采取相应的补偿 措施。本文将对沉降测试软件补偿方法进行研究，并建立非线性补偿和温度补偿数学模型。 针对恶劣环境下，测试仪容易受干扰或发生故障的问题，为提高检测装置的抗干扰能力和可 靠性，本文对高系统抗干扰能力的软硬件措施进行研究，并采用采用软件方法针对高速公路 沉降仪常见的故障进行简单但有效的诊断。 在测量装置( 传感器部分) 设计基本完成的基础上，结合现场总线技术，进行高速公 路沉降仪硬件电路和应用软件方面的设计丌发工作，完成系统的具体设计，最终设计出一个 具有数据处理、数据存储、远程通信和上述其他功能的智能化的测试仪。 ( 2 ) 研究方法： 尽可能应用各种成熟技术，而将主要精力集中于关键问题的分析和解决，设计过程中采 用自上至下和自下至上相结合的方法，首先确立好测量系统总体方案，而在具体实现过程中， 尽量利用现有的通用集成模块( 元器件) ，以降低开发成本和开发周期。在补偿和自诊断等 算法的研究过程中，一方面要能达到所需要求，另一方面要使算法的最终表达式尽量简单， 以易于通过低成本系统来实现。 1 4 2 研究中要解决的关键技术问题 ( 1 ) 测量装置的研制：虽然现在位移测量装置已经发展的非常成熟，各种精度、量程的位 6 高速公路软土基沉降仪的研究 移传感器和驱动电路都可以购得，但目前高速公路沉降测试都采用手工测量方式，采用自动 化测量时，除一般位移测量系统中应考虑的问题以外，还要考虑施工安装问题和其它实际问 题。 ( 2 ) 现场总线技术：目前，现场总线协议标准不单一，每一种标准都包含一整套规范和协 议，要对这些规范和协议进行分析、比较，以应用到高速公路沉降测量系统中去。 ( 3 ) 可靠性问题：沉降测试仪工作于室外环境，工作环境较为恶劣，且测试点分散，一旦 出现故障，维修十分不方便。因此，需要对其进行可靠性设计，否则其自动化测量的优越性 就无从谈起。 ( 4 ) 误差补偿：建立非线性补偿和温度补偿数学模型。 东北林业大学硕士学位论文 2 系统总体设计及测量装置的设计 2 1 引言 2 1 1 设计原则 ( 1 ) 功能及技术指标 首先按照要求的功能和技术指标进行总体框架设计，保证仪器在规定的工作环境里能正 常工作。 ( 2 ) 可靠性要求 可靠性就是仪器在规定的条件下和规定时间里，完成规定功能的能力。设计时必须考虑 到系统的各个环节，保障仪器长期可靠地工作。 ( 3 ) 便于操作和维护 设计时要充分考虑到用户操作方便，尽量减少按键和丌关，提供良好的人机界面。应该 具有很好的可维护性，仪表结构规范化、模块化，通过故障诊断程序对现场故障进行定位。 ( 4 ) 降低成本，提高仪器的性能价格比。 2 1 2 设计思想 ( 1 ) 采用自顶向下( t o p - d o w n ) 的设计方法，从总体到局部，再到细节。先考虑整体目标， 明确任务，把整体分解成一个个子任务，并考虑子任务之间的关系。这样就把较大的、复杂 的、难解决的问题分解成若干个小的、简单的、易解决的问题。另外在某些场合也采取自 底向上的设计方法。为了完成某个测试任务，可以利用现有的电路、模块或器件，综合成一 个满足要求的系统。这种系统虽然未必是最简单、最优化的方案，但只要能完成测试任务， 仍不失为快速、高效解决问题的方法。 ( 2 ) 软硬件折衷 微计算机是智能仪器的核心，它既控制管理整个测试过程，又进行各种数据处理。智能 仪器中有些功能靠硬件实现，有些功能利用软件或硬件都可完成。硬件和软件都有各自的特 点。软件可完成许多复杂的运算，修改方便，但执行速度比硬件慢。硬件是各种元器件的物 理实体，通过物理效应实观测量。硬件的成本高，设计制作完成后不易改动。为了俐氐硬件 成本，可以将硬件的功能用软件实现，即所谓“硬件软化”。但这样做增加了程序编制的工 作量，同时增加了计算机的负担。软硬件的配置应该从仪器的功能、成本、研制周期和费用 等多方面综合考虑。 一堕堡竺堕竺圭垄望壁垡塑堡塞 2 2 测试仪的总体性能要求 通过对用户的要求、当前具备的技术条件、实际应用和经济等方面的因素的全面考虑和 权衡，对沉降测试仪提出了如下的技术要求： 性能特性 测量范围：o 6 0 0 m ( 保精度) 分辨率：0 1 m m 工作温度：一2 5 5 04 c 供电电源：2 4 v d c 2 2 0 v a c 静态特性 测量误差：0 1 5 f s ( 补偿后) 温漂：o 0 5 f s ( - 2 5 c 5 0 补偿后) 非线性： 0 0 5 f s ( 补偿后) 其它性能 通信功能：具备远程通信能力 存储容量：可存储至少1 个月数据 参数设置：可远程设置和现场设置主要参数 显示功能：可选显示器件，测试仪可独立使用 2 3 系统总体设计方案 本课题对高速公路沉降检测技术研究的意义，本质是为了喇氐手工或半手工测量方式的 劳动强度，并减少由于室外环境变化而带来的测量误差。传统的模拟测最手段或简单的数字 式测试仪己远不能达到这些要求，而具备强大数据处理、存储和通信功能的现代网络化测试 仪器却显示了巨大的优越性。利用内嚣的高性能微处理器和储存器可完成相对复杂的非线性、 温度补偿，解决了传统的模拟补偿方法灵活性差、参数配置和调整不方便的缺点。随着微处 理器、存储器等硬件技术的不断发展，这种软件补偿方法的速度和精度也日益提高，应用范 围也越来越广。 现场总线是3 c 技术( 计算机、通信、控制) 的融合。它把微机处理器置入现场自控设备， 使设备具有数字计算和数字通信能力，提高了信息传输精度，也为其远程传输创造了条件“。 简单地概括现场总线技术的特点就是：信号传输全数字，控制功能全分散，标准统一全丌放。 非常适合应用于测试信号路数多信号需远距离传输的场合。 鉴于以上原因，确定了本课题以设汁一个具有数据处理、存储和通信功能的智能化的测 试仪为目标，由于高速公路沉降检测仪对可靠性和耐环境能力要求较高，加之课题设计时间 9 垒j ! 签些查兰堕主兰笪笙塞 较紧，决定采用p l c 作为核心来组建测试系统。出于s i m a t i cs 7 2 0 0 系列可编程控制器具有 结构小巧、可靠性高、运行速度快和功耗小等优点，并可通过扩展模块e m 2 7 7 直接支持当今 流行且适应能力强的p r o f i b u s d p 现场总线协议，因而本系统选用这一系列的p l c 。并通过 其较强的数据储存、处理能力和丰富的指令系统完成误差补偿、数据存储等功能，达到所需 的设计要求。 另外，测试装置的设计也是一个重要方面，除了要满足系统的量程、分辨率、精度等要 求外，还要特别考虑测试装旨本身的安装问题以及测试装置对高速公路地基结构性能的影响。 因此，测试装置的设计应该采取理论分析与实验分析相结合的方法进行，并应积极同施工单 位合作，不断加以改进刹完善。跟于时闻和实验条件闯题，本文只对测试装置进行方案确定、 样机设计和室内实验方面的工作。 2 4 测量装置的设计瞳”神 2 4 1 常见的位移测量方法 ( 1 ) 电阻测量元件 电阻元t 牛 , f f j 于较大位移的测量一般采用电位器的形式，其主要优点是：结构简单，尺寸 小，重量轻，输出信号大( 一般不需要放大) ，性能稳定，信号调理电路简单。它的主要缺 点是：接触式测量，存在摩擦和磨损，因此会降低其可靠性和使用寿命，动态响应较差。适 于几m 至几十m m 的位移测量，精度一般为0 5 1 0 9 6 “。 ( 2 ) 电容测量元件 电容位移测量元件的特点是：零漂小，结构简单，功耗小，动态响应快，灵敏度高，动 态测量范围比较小，分辨力可达0 0 2 s u m ，准确度可达0 1 u m ，为非接触测试，加在被测对象 上的力极小，可忽略不计“1 。其主要缺点是测量范围小、耐环境性能差，易受干扰，存在着 非线性，且受寄生电容的影响。适用于小量程、高精度的位移测量及振动测量等。 ( 3 ) 电感测量元件 电感式位移测量元件种类较多，应用范围也广。各类电感式位移传感器的测量范围一般 可从- i - 3 u m 到1 0 0 0 m m 以上。其分辨力可达o 1 u m ，线性度可为0 1 。其中，差动变压器式 位移传感器是种常用的互感式位移传感器，由于利用了差动补偿原理，提高了传感器的灵 敏度，改善了线性。 ( 4 ) 光学及其它类型的钡i 量元件 光栅位移传感器具有测量精度高、抗干扰能力强、易于实现动态测量和自动测量以及数 字显示等特点，在坐标测量仪和数控机床的伺服系统中有着广泛的应用。近1 0 年来，光纤传 感器、超声波传感器等新型传感器发展迅速。其优点主要在于精度提高、可实现非接触测量、 1 0 高速公路软土基沉降仪的研究 抗电磁干扰能力强等方面。但目前为止，这类传感器的成本还相对较高，结构也较复杂，限 制了其应用。 2 4 2 测量装置的具体设计 本文对测量装置量程的要求是6 0 0 i r h n ，属大位移测量。在工程中，大位移测量一般采用两 种方式：( 1 ) 采用大量程传感器件；( 2 ) 采用机械手段扩大位移传感器量程或将线位移转化为角 位移来测量。本文拟采用互感式电感位移测量原理( 差动变压器原理) 进行位移测量。测量 装置示意图如下图： 。 p 其中，1 为初级线圈，2 为次级线圈，3 为铁芯( 导磁材料) ，4 为非导磁材料的骨架。总 体说来，钡8 试装置是在二节式差动变压器基础上加以改进的产物。改进的i ：1 的是为了使狈4 试 装置获得较大的测量范围，而又不至于使测试装置的部件过于细长。 由电磁学知识( 毕奥一沙伐一拉普拉斯定律) 可得，由初级线圈电流引起的磁感应强度嘶1 b ；e + 占3 ；坐丛f ；! ! 兰! 兰+ 11 ! 兰1 2 l - i ( f ，+ 2 石) 2 + 4 r2 ( f 。一2 x ) 2 + 4 r 2 j ( 等c 矗警豢+ 意赫) j 其中，b 。一山激励电流，。产生的磁场强度； b ，一由铁芯产生的附加磁场强度； 。真空( 空气) 的导磁率； ”初级线圈的匝数； o - 初级线圈激励电流； 东北林业人学硕士学位论文 设 ，f ( x ) 一 1 = ( v d 6 0 + i ) ， ( v d 6 0 + i + 2 ) ： 一l 求平均值( y x 。) o 一2 ) ，因为s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 具有丰富的数学运算指令， 蔑 因此这一过程并不复杂。但需注意运算过程中的溢出问题，因而累加过程采用双整数加法指 令+ di n l ，o u t 。 ( 2 ) 数据处理模块 数据处理模块要完成采样值的转换( 由原始1 2 位数转换为实际位移值) 、非线性补偿和 温度补偿功能，而实际上第一步是在第二步中同时实现的。 由第五章内容可知，非线性补偿和温度补偿的最终算式都是分段线性方程，即输入一输出 的关系为： y 鼍积+ 60 1 xs x 2 ) ( 5 1 ) 则程序实现需分两步： 输入区间判定； 将输入代入式( 5 1 ) ，求出输出值。 需注意的是：为简化补偿算法，在温度补偿时，我们只对典型位移值k 进行了标定( 见 第五章) 。因此，对非线性补偿后的数据进行温度补偿之前需进行归一化处理，进行温度补 偿后，再对其结果进行反归一化处理。对比实验表明，在本系统中，这样处理并未出现补偿 效果恶化的迹象。 ( 3 ) 通讯响应模块 本系统采用主站一多从站的网络结构，主站采用查询方式访问从站，从站以中断方式响 应主站的通信请求。下位机与上位机通信过程如下： 所有下位机的标志位s f l 簧l 处于只接收地址帧的状态。 上位机先发送一帧地址信息，其中8 位地址，第9 位为地址数据信息的标志位，该 位置1 表示该帧为地址信息。 下位机接收到地址帧后，各自将接收的地址与本机地址比较。对于地址相符的下位机， 使s f l 位清0 ，以接收上位机随后发来的所有信息，并将地址信息作为应答信号发送给上位 机；对于地址不符的下位机，仍保持s f i = i ，忽略上位机随后发来的数据直至发送新的地 址帧。 上位机收到下位机的应答地址后，确认地址是否相符。如果地址不符，发复位信号； 如果地址相符，则清s f l ，开始发送数据。 下位机收到复位命令后回到监听地址状态( s f i = i ) ，否则开始接收数据和命令。 2 7 东北林业大学硕士学位论文 当上位机和下位机通讯链路建立后，下位机( p l c ) 将上位机最先发送来的有效数据 理解为命令控制字。主要命令控制字如下： 代码( 1 6 进制)含义 o x l b 向主机发送当前测量值 o x o d发送存储区内所有记录 o x l 8进行p l c 系统参数设置 o x 0 9清除当前存储区内数据 o x a o重新开始测试过程 o x 4 f进行故障诊断并发送结果 o x f cn发送指定测量点数据 表4 1 命令控制字 从机对主机发送来的命令先进行合法性校验，再转入相应的命令处理模块进行处理。 从机完成主机任务后，向主机发送完成标志字。由主机检验合格后返回应答信息，下 位机的标志位s f l 重新置l ，双方完成一次通信过程。 ( 4 ) 故障自诊断模块 为了使高速公路沉降检测仪可以有效地进行故障自诊断而又避免采用过于复杂的算法， 我们重点对开路故障、短路故障、偏差故障、周期性振荡故障的性状特征进行了分析并在 此基础上建立了评价指标刖，盯，。，。( 见第六章相关内容) a 故障自诊断模块的任务即： ， 采样进行故障自诊断所需的n 组数据： 计算评价指标型，仃，。，。； 根据预先给定的闽值判断各指标状态； 根据状态评价规则表判断当前状态。 如果抛开具体各模块不管，单从整体上来分析，程序流程图如下图。 另外，p l c 的部分配置参数的设嚣不是通过用户程序而是在s t e p7 - - m i c r ow i n3 2 编程 软件中进行设置，并在下装用户程序的同时自动装入p l c 的r a m 和e e p r o f l 中的。设置方法是 选择菜单命令项v i e wls y s t e mb l o c k ，在弹出的对话框中进行相应的设置。 高速公路软土基沉降仪的研究 _ _ 一一，_ 一 图4 1p l _ o 程序流程图 4 3 上位机软件设计 4 3 1 编程语言m “”。 计算机科学的发展与社会发展是相互促进的，计算机科学技术的发展推动了社会的现代 化，计算机应用的不断广泛，反过来对计算机科学提出新的要求。7 0 年代，软件工程方法虽 然对改善软件生产率起到了一定的作用，但远不能满足发展的需要。计算机软件开发被两大 难题所困扰t 一是如何超越程序复杂性障碍：二是如何在计算机系统中自然地表示客观世界， 即对象模型。当人们开始寻求一种更能反映人类解决问题的自然方法时，“面向对象”技术 应运而生。 面向对象设计方法追求的是现实问题空间与软系统解空间的近似和真接模拟。它基于信 息隐蔽和抽象数据类型概念，把系统中的所有资源，如数据、模块以及系统都看成对象，每 个对象把一个数据类型和一组过程封装在一起，使得这组过程了解对这一数据类型的处理， 并在定义对象时可以规定外界在其上运行的权限。使用这一方法，设计人员可以依照自己的 意图创建自己的对象，并将问题映射到该对象上。这一方法直接、自然，可以使设计人员把 主要精力放在系统一级上，而对细节问题可以较少关心。 c + + 语言是从c 语言演化而来的。“+ + ”是c 的增量的操作符，顾名恩义，c + + 是c 的超 集。即c + + 语言在提供面向对象程序设计的同时，保留c 语言的高度简洁和高效率等优点。 c 十十是由a t & t 公司对c 语言进行改进扩充，并增加了对象机制开发而成的。它的主要特点是 将类看作用户定义类型，从而使其扩充比较自然。 v i s u a lc 十+ 是c 什语言的集成开发环境( i d e ) ，而且与w i n 3 2 紧密相连，所以，利用v i s u a l 东北林业大学硕士学位论文 c 十十开发系统可以完成各种各样应用程序的开发，从底层软件直到上层直接面向用户的软件都 可以用v i s