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建筑基坑实时数据采集监控系统 中国海洋大学硕士学位论文建筑基坑实时数据采集监控系统姓名:王婷婷申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:郑冰20070601建筑基坑实时数据采集监控系统摘要本文将电子信息技术与建筑施工技术有机结合起来,设计了建筑基坑丌挖中的一种实时数据采集监控系统,并在实际工程中得以应用。该系统主要由数据采集模块、无线传输模块、主控计算机等部分组成,将基于无线传输技术的数字化网络化数据采集技术应用到建筑工程施工过程中,具有结构简单、功能强的特点,克服了以往人工测量数据周期过长、计算复杂、时效性差等缺点。当前在许多工业测控系统中。传统的数据传输是通过有线电缆实现的,随着射频技术、集成电路的发展,无线通信功能的实现越来越容易,与有线传输相比具有成本低、建网快捷、适应性强、设备维护容易等优点,具有广阔的应用前景。本论文阐述了数据采集系统的基本结构,提出了基于无线数据传输的分布式数据采集系统的总体框架,主要研究的了基于的无线数据传输系统的硬件电路设计;重点介绍了系统中采用的以为核心芯片的无线数传模块、单片机,以及硬件设计:通过对软件功能和工作流程的全面规划,圆满解决了基坑开挖过程中的实时轴力监控问题,有效的预防基坑事故的发生。最后论文对无线数据传输系统的研究设计工作进行了总结,并提出了以后需要解决和完善的问题。关键词:实时数据采集;监控;无线数据传输? . ,. , . . , ., , . . .,. . . . , ,. :侍,独创声明研究成果。小人叫所。炎的学论史址小人相:甘指圩卜逍的研究:;及墩彳扪我所戋.除了文?特别加以,:泣和致谢的地方外.论文:包含他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含未获得适湮直甚;煎噩拄剔彦盟曲:奎拦互窑或其他教育机构的学位或证书使用过的材幸斗.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意.签字同期:年月。同学位论文作者签名:工窍磅学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅.本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书导师签字扩学位论文作者签名:王暗寿翮粹弘签字日期:加年月和日辩嗍。冲中学隹支者毕、:后去同乜青丁仃缸:邮编通讯地址:建筑早坑实时效抛采壤临拧系统前言.选题背景随着社会经济的发展,我国的基础建设币处在一个飞速发展的阶段。电子信息技术不断渗透到建筑施工领域,解决了诸多传统建筑施工方法中比较棘手的问题。在现代化的建筑施工过程中,施工现场的数据采集及监控系统的实时性、准确性已成为施工安全和工程质量的重要保障。因为在施工过程中往往会出现一些难以预料的变化,监控信息的实时反馈分析能较好的预测系统的变化趋势,当出现险情预兆时,可做出预警以便及时采取应急措施。如何把电子信息技术和建筑施工方法完美结合起来,是当前建筑施工信息化发展急需解决的课题。在基坑开挖过程中支护轴力的监控关系到整个施工系统的安全,数字化的监控已成为施工安全和质量保障的重要手段。本文将电子信息技术与建筑施工技术有机结合起来,设计了建筑基坑丌挖中的一种基于无线传输的实时数据采集监控系统,并在实际工程中得以应用。.课题任务及论文安排本课题来源于基坑开挖过程中支护轴力的监控项目,并致力于提高施工过程中应力数据采集监控的实时化、自动化程度。课题要完成的工作:.总体方案的研究。.系统软硬件的设计。.系统的调试与试验。在论文中第一章主要对基坑支护施工监控系统作简要的介绍,第二章介绍了基坑支护轴力的实时数据采集系统的采集原理及其硬件组成。第三章介绍本系统的数据传输部分:无线数据传输。第四章介绍系统软件设计以及人机交互界面的实现。第五章对本论文进行总结分析并对以后的发展进行展望。第六章介绍了系统的试验及分析总结。矬筑堆坑实时数摧采集啦挣系统基坑支护施工监控系统.问题的提出近十几年来随着我国经济和城市建设的飞速发展,地下工程越来越多,丌发和利用地下空白的需要渐迫切。与此同时,高层、超高层建筑物的兴建随处可见,据不完全统计我国已有高层建筑幢以上,仅上海市就已有幢以上。这些高层建筑多有较深的地下室,有的平面尺寸已达数力平方米,深度最深达.米。需要解决高层、超高层建筑基础工程方面的技术问题不仅越来越多而且越来越复杂。近年来全国发生的高层建筑基础工程重大事故中仅深基坑的事故就达上百起,据不完全统计,一般的发生率约占基坑数量的%左右,有的城市甚至占%左右,基坑事故的频频发生,给国家和人民生命财产及安全造成了重大的损失。由于高层、超高层建筑多建在市区内,建筑场地狭窄且周围环境复杂地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其它因素的复杂影响,很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题,而且,理论预测值还不能全面而准确地反映工程的各种变化,这已经成为当前高层、超高层建筑施工的难点。引起基坑事故频频发生的原因有很多,如支护类型选择不当、对水土压力及施工荷载估计不足、施工方法不当或施工过程中受到外界因素的干扰等,都可成为引发事故的主要原因。对有关现象作进一步分析可知,除管理因素以外,目前在基坑支护设计中尚不成熟的可兼顾考虑多种因素影响的计算理论和方法,对施工监测尚无形成较为完整的规章制度,以及尚不能依据现场采集到的量测信息对基坑开挖的安全性及时做出预测预报,并针对可能出现的险情及时确定对策等都是基本原因。因此建立一套可用于基坑安全监测及变形预测预报的系统是当前亟需解决的课题。在施工过程中跟踪施工活动,对支护结构本身、附近建筑物、地下管道等保护对象的变形及受力情况建立监控系统,将所取得的数据,与预测或计算相比较,能可靠的反映工程施工所造成的影响,能较准确地以量的形式反映这种影响程度。为了减少工程事故,保证工程的施工质量和安全,提高工程效益,近几年来在深基坑丌挖与支护工程中引入监控技术和动态信息化施工,使得设计、施工和监控三位一体化,对于较为复杂的大中型工程或环境要求严格的项目,就必须在施工建筑草坑实时数据采集舱拧系统组织设计中设置和实施监控系统。.基坑工程发展及其现状基坑是建筑工程有机组成部分,也是一个古老而有时代特点的岩土工程课题,其发展与建筑业的发展密切相关。它是随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现而出现的有效利用土地资源的有效方式之一。人类土木工程活动促进了基坑的发展。特别是二十世纪未三十年代我国主要是八十年代以来,高层建筑的兴起对基坑的要求越来越高,出现的问题也越来越多,这就促使工程技术人员不断以新的观点去关注基坑这一古老课题,从而使许多新的经验和理论及研究方法得以涌现。二十世纪年代,等人已经开始研究基坑中的岩土工程问题,以后的时间里,世界各囡的许多学者都投入到这项研究中来,并不断在这一领域取得丰硕的成果。基坑工程在我国的广泛出现,起于上世纪年代初期,随着十一届三中全会的召开,改革开放热潮在全国兴起,高层、超高层建筑大量出现,相应的基础埋深不断增加,开挖深度也就不断增加,特别是到了年代,大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段,在繁华的市区进行深基坑开挖给人们提出新的课题。那就是如何控制深基坑开挖的坑壁稳定及其环境效应问题,这一现实需要推动了我国深基坑开挖技术的研究与发展,产生了许多先进的设计计算方法,众多的施工工艺也不断付诸实施,出现了许多先进技术和成功实例,但是由于基坑工程的复杂性、地带性、时效性以及设计、施工的不当,工程事故的概率仍然偏高。和等人早在上世纪年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这一理论原理一直沿用至今,只不过有了许多改进和修正。年代,和给出可分析深基坑底板隆起的方法。年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测,此后的大量实测资料提高了预测的准确性,并从年代起,产生了相应的指导丌挖的法规。从年代初开始我国逐渐涉入深基坑设计与施工领域,在深圳地区的第一含深基坑支护工程率先应用了信息施工法,大大节省了工程造价。进入年代后为了总结建筑单坑实时数据采集雌拧系统我国深基坑支护设计与施工经验,丌始着手编制深基坑支护设计与施工的有关法规,并于年月同丌始施行建筑基坑支护技术规程?中国建筑科学研究院主编。.建筑基坑监控与预测预报研究.建筑基坑监控与预测预报研究的发展深基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题,边坡丌挖和简易木桩支护可以追溯到远古时代。人类土要工程活动促进了基坑的发展,但是由于本世纪初以前的建筑基坑一般具有工程小、丌挖面积少的特点且那时的监测仪器尚不发达,极少采用仪器监测基坑的开挖及其运行情况。本世纪初以来,在国外由于高层、超高层建筑的大量涌现,部分建筑基坑开始采用仪器进行监测,在世纪年代初期,已经开始在奥斯陆和墨西哥软土深基坑中使用仪器进行全方位的监测,经过近年的发展,国外世纪年代已经出现了监测电脑数据采集系统,实现了监控的自动化。我国的深基坑的全方位监测于世纪年代才开始起步叫。在深基坑的研究方面,国外主要侧重于支护设计和施工技术的研究,缺乏对监测分析、信息反馈及预测预报的自动化研究。安全监测工作的蓬勃发展在国内外带动了一大批监测仪器研制生产部门的发展,一些先进监测仪器在工程中得以应用。如仪器主要用于大坝、隧道、边坡、桥梁等工业及民用结构的安全监控,已经在我国的三峡工程,小浪底水利工程等工程中得以应用;公司已提供可用于岩士及结构位移、应力监测的传感器及一些相应的数据处理等软件;在我国的北京、武汉、南京等地也有监测仪器研制生产单位。近十多年来,国内外对建筑基坑安全监测开始越来越重视,许多学者开始对基坑边坡安全监测工作进行研究。张文波”研制了边坡监测信息微机管理系统,该系统利用、混合编程,具有对边坡监测资料纪念性数据管理、数据处理、变形预报以及绘图等功能。袁宝远”研究了一个具有监测信息管理,可视化查询分析、边坡不稳定先兆分析等功能的边坡监测信息系统,该系统具有面自对象风格和可视化特征,具有在专家参与下对监测信息分析预报让组堆坑实时效据采浆临托系统的特点。钟矿雄”研究建立了基坑监测数据库管理系统,该系统能全面地将基坑监测信息的各种信息按数据库格式输入,其中包括一些不确定的信息,并能客观地评价监测项目的稳定状态,设置含报警及相应的规程和规范指标等窗口。故友健”研究了深基坑监测数据处理与预测报警系统,该系统对深基坑的监测数据实施数掘库管理,利用狄色系统理论建立变形预测模型,采用若干定性和定量指标进行深基坑工程极限状态的分析判别与险情预报。近年来,由于动态设计及信息化施工技术的提出,国内外学者对建筑基坑预测预报在技术进行了更加深入地研究。现在常用的建筑基坑预测预报分析方法有神经网络预测预报方法,实时建模时序分析预测预报法、模糊数学预测预报分析法及狄色系统预测预报法。.建筑基坑支护施工监控系统的设置原则施工监控工作是一项系统工程,监控工作的成败与监控方法的选取及测点的布设直接相关。监控系统的设计原则可归纳为以下条。“?。.可靠性原则可靠性原则是监控系统设计中所要考虑的最重要的原则。为了确保其可靠,必须做到:第一,系统需采用可靠的设备。一般而言,机械式测试仪器的可靠性高于电子测试式仪器,所以如果使用电测仪器,则通常要求具有目标系统或与其它机测式仪器互相校核;第二,应在监控期间内保护好测点。.多层次监控原则多层次监控原则的具体含义有点:在监控对象上以位移为主,但也考虑其它物理量监控。在监控方法上以仪器监控为主,并辅以巡检的方法。在监控仪器选型上以机测式仪器为主,辅以电测式仪器,为了保证监控的可靠性,监控系统还应采用多种原理不同的方法和仪器。考虑分别在地表、基坑土体内部及邻近受影响建筑物与设施内布点以形成具有一定测点覆盖率的监控网。矬筑壮坑实时数据采鬣临拧系统.重点监控关键区的原则掘研究,在不同支护方法的不同部位,其稳定性是各不相同的。一般地说,稳定性差的部位容易失稳塌方,甚至影响相邻建筑物的安全。因此,应将易出问题而且一旦出问题就将带来很大损失的部分,列为关键区进行重点监控,并尽早实施。.方便实用原则为了减少监控与施工之自的相互干扰,监控系统的安装和测读应该尽量做到方便实用。.经济合理原则考虑到多数基坑都是临时工程,因此其监控时间较短。另外,监控范围不大,量测者容易到达测点,所以在系统设计时应尽量考虑实用而低价的仪器,不必过分地追求仪器的“先进性”,以降低监控费用。基坑支护工程施工监控的关键是在通过监控获得准确数据之后,强调对监控数据的定量分析与评价,以便及时进行险情预报,提出合理化措施与建议,并进一步检验加固处理后的效果,直至解决问题。任何没有仔细深入分析评价的监控工作,充其量只是施工过程的客观描述,决不能起到指导基坑施工进程和实现信息化施工的作用。.监控系统预警的实现途径完善的信息施工法基坑施工监控体系和恰当的趋势预报方法是做好基坑安全预警的前提条件。在基坑施工中根据要求对需要监控的对象进行全面连续的监控,对监控数据进行采集、整理和分析,并采用适当的数值方法对变形发展趋势进行超前预测,为基坑安全预警提供数据资料。险情发生时刻是现场监控数据达到了险情发生模式中的临界极限指标的时刻。险情发生时刻,预报的实现途径可归纳如下。首先进行支护方案、场地地质条件及基坑周围环境的综合分析。从险情的形成因素入手,找出险情发生的必要因素,如岩土特性,支护结构,有效临空建筑壮坑实时数据采策临拧系统面,临近建筑物及地下设施等和某些相关的诱发因素,如地下水、地震、丌挖施工、气温、雨雪等,再结合设计支护结构稳定性分析计算,综合得出是否会发生险情的初步判断。现场监控手段是实现险情预报的必要;提。现场监控的目的是使用各种有效的监控方法,及时捕捉险情发生前所暴露出的各种静兆信息,以及诱发险情的相关因素。监控成果不仅要准确显示出险情发生动态要素的定量数据,更重要的是要利用恰当的方法体现出监控动态信息的演变趋势。因此要求及时绘出位移、应力应变数值及其速率等随时间的变化曲线,并及时进行综合分析评价。可以通过模拟试验确定各种可能的险情发生模式,确定临界状态时的相关极限指标和险情预报根据,对超过上下警戒线的情况进行报警。以往成功的险情预报实例表明,大多数的险情是可以通过肉眼巡视在早期发现的。因此应安排有相应技术经验的人目测巡视和一般的量测手段及时捕捉险情发生的宏观前兆信息。.数据采集系统在基坑施工监控中的应用.数据采集系统概述数据采集 是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支,是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术四。数据采集系统是利用计算机、通信、测控等技术采集、记录和显示现场的各种物理参量,以供管理人员和现场操作者参考的系统;是现代测控系统的基础,用于获取各种现场测量数据。数据采集系统起始于世纪年代,年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非熟练人员进行操作,并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务,因而得到了初步的认可。大约在年代后期,国外就有成套的数据采集设备产品进入市场,此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。建筑艰坑实时数据采浆航拧系统世纪年代中后期,随着微型机的发展,诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数掘采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良,超过了传统的自动检测仪表和专用数掘采集系统,因此获得了惊人的发展。从年代起,数掘采集系统发展过程中逐渐分为两类,一类是实验室数据采集系统,另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言,实验室数据采集系统多采用并行总线,工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。世纪年代随着计算机的普及应用,数据采集系统得到了极大的发展,开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类,一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如:国际标准接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室,在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成,例如:总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构,把相应的接口卡装在专用的机箱内,然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中,如果采集测试任务改变,只需将新的仪用电缆接入系统,或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建,显然,这种系统比专用系统灵活得多。世纪年代后期,数据采集系统发生了极大的变化,工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合,用软件管理,使系统的成本降低,体积减小,功能成倍增加,数据处理能力大大加强。世纪年代至今,在国际上技术先进的国家,数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高,出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统。目前有的产品精度己达位,采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术,在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构,根据不同的应用要求,通过简单的增加和更改模块,并结合系统编程,就可扩展或修改系统,迅速地组成一个新的系统。该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展,典型系统有总线系统,、总线让筑毕坑娈时数抛采集骼拧系统系统等。数据位已达到位总线宽度,采样频率可以达到。由于采用了高密度,屏蔽型,针孔式的连接器和卡式模块,可以充分保证其稳定性及可靠性,但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是,并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展,可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信,由于采用、双绞线、电力载波、无线和光纤,所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数掘采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的发展,一个工厂管理层局域网,车自层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起,可以有效地把多台数据采集设备连在一起,以实现生产环节的在线实时数据采集与监控.数据采集系统在基坑施工监控中的应用建筑施工过程中基坑支护构件轴力大小分布及变化状况数据采集的传统方法是在各个支护构件表面等间距安装传感器,然后由专门的测量人员用应力计逐个测量,将测量的应力数据记录在表格中或者输入电脑,最后将所测得的数据代入公式计算做出相应的分析处理。这样的应力值检测是由专业测量人员每隔一段时间定时完成的,并不断将采集的数据反馈到上级监控部门,作为下一步数据分析并作为安全预警的主要依据。虽然现在各个厂家生产的应力计的精度在不断的提高,数据的准确性程度有了很大的提高,但是因为一方面这些不同位置传感器所采集到的数据并不是同时测得的,各个监控点的应力值的测量存在时间间隔,这样就不能准确反映某一时刻整个基坑支护的受力状态。另一方面,这些采集到的数据的录入计算也要花费大量的时间,并不能真正达到数据的实时采集与及时的安全预警,可见只有解决好应力数据采集的实时性,才能从根本上有效避免事故的发生。本文设计了一套分布式数据采集系统进行数据的实时采集处理。分布式数据采集系统的结构如图.所示,它是计算机网络技术的产物,它由若干个“数据采集模块”和一台上位机及通信线路组成。让筑筚坑实时数捌采集舱拧系统图.分布式数据采集系统分布式数据采集系统的主要特点是:系统的适应能力强。无论是大规模的系统,还是中小规模的系统,分布式结构都能够适应。系统可靠性高。由于采用了多个以单片机为核心的数据采集站,若某个数据采集站出现故障,只会影响某项数据的采集,而不会对系统的其它部分造成任何影响。系统的实时响应性好。各个数据采集站之间是并行工作的。对系统硬件的要求不高。由于每个单片机只完成数量十分有限的数据采集任务,可以用低档的硬件组成高性能的系统。这种结构适合于大型、高速、动态的数据采集系统。矬筑堆坑实时数据采颦畸挣系统数据采集模块基坑丌挖中支护构件轴力的测量采用了基于单片机的数掘采集模块,该数据采集模块包括钢筋计传感器和数字变送器两部分,系统选用的钢筋计传感器为振弦式传感器。振弦式传感器在受到电信号激励时会产生和受力情况相对应的下弦波振荡信号,再由数字变送器将振荡信号采集处理后转换为数字信号,以适应数据传送的要求。数据采集模块的结构框图如图.所示。图.数据采集模块结构框图振弦式传感器需要一个激励信号,所以从处理器输出一个激励电流信号给振弦式传感器,以使振弦式传感器输出足够强的频率信号。振弦式传感器输出的频率信号本身很微弱,并且经过一段距离的传输会产生一定的失真,所以需要一个放大整形电路对输出的频率信号进行预处理。.钢筋计传感器及其应用在基坑丌挖过程中,现在测量支护轴力常用的方法是使用轴力计,但轴力计与支护埋件表面无法紧贴或存在角度,致使轴力计无法准确地测量实际受力情况,安装过程复杂,长距离传输信号易受干扰,成本又高。本系统采用钢筋计传感器来代替轴力计,既能较为实时准确地反映轴力的实际情况,安装简单易操作,让筑毕坑.实时敏据采囊舱拧系统又可以利用数字变送器将采集到的模拟信号转变为数字化信息,使系统具有精度高、稳定性好、反应速度快、易于进行温度补偿等特点。.传感器的选择该系统选用的钢筋计传感器为振弦式传感器,振弦式传感器克服了一般应变传感器稳定性较差的缺点。它没有零漂,温度修正效果明显,输出信号为频率信号抗干扰能力强,有利于传输和远程测量,因此,可获得非常理想的测量效果。振弦式传感器的这些技术特点非常适合长期监控。.振弦式传感器工作原理任何弹性体都具有固有振动频率,当外界的作用力激励可以克服阻尼力时,它就可能产生振动,其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性以及激励特性有关。若激励的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时,该弹性体即可做等幅连续振荡,振荡频率为其自身的固有频率。振弦式传感器就是利用这一原理来测量物理量的嗡。振弦式传感器测量应力的原理如图.所示。型警/肚卜?口/。冈励图.振弦式传感器工作原理图振弦式传感器包括振弦金属弦、激励电磁铁、夹紧装置等主要部分。将一根细的金属丝置于激励电磁铁所产生的磁场内,振弦的一端固定、另一端与被测物体的运动部分连接,并使振弦拉紧,作用于振弦上的张力就是传感器被测量振弦的张力,振弦的振动频率,与弦的内部张力之间的关系为:七?,一刀居式中,为振弦的振动频率,:建筑举坑实时投捌采策:临拄系统,为振弦的长度.;为振弦的内部张力,;为振弦的质量密度,/。受压时弦增加的应力与传感器所受的力成乖比,即:血尹。出以上两.式可得:?刀一刀式中,:振弦式传感器所受的力;:与弦及传感器有关的常数;:振弦式传感器受力时弦的振动频率;五:振弦式传感器的初始频率;振弦的激振方式有连续激振和间歇激振两种。连续激振方式如图.中所示。连续激振使用了两个电磁线圈,一个用于连续激励,另一个用于接收振弦的振荡信号。振弦被激励后,接收线圈产生感应电势,经放大后,正反馈给激励线圈以维持振弦的连续振荡。间歇激励方式如图.中所示,当激励电路产生脉冲电流给激励线圈后,电磁铁将把弦吸住,电流为零时,电磁铁松开振弦,振弦产生振动衰减,为克服振弦振动的衰减,须间隔一定时间激励一次。因连续激振方式存在以下缺点:需要双线圈,工艺结构相对复杂:输入和输出形成闭环,容易产生高频电磁干扰振荡,可靠性不高.所以本设计中采用了间歇激励方式,数字变送器根据主控计算机的命令对振弦式传感器进行激励。址筑皋坑实时数据采集:忾挖系统连续激振方式 间歇激振方式图.振弦式传感器激励方式图.振弦式传感器精度影响因素及措施从公式.中可以看出振弦的振动频率与弦的内部张力呈平方根关系,传感器的特性曲线是非线性的,其特性曲线如图.所示。丘厶五。如图.振弦式传感器特性曲线测试的量值需用查对率定曲线的办法进行判定,对该曲线作线形处理可大幅度减少运算量。在选择了较佳的传感器工作频段时,从实测数据对比,其线性误差可小于%,能保证较高的测试精度。毛墼筑皋坑实时数据采集雌拧系统长度微变化对测量精度的影响。当振弦内部存在应变或温度的影响时会造成振弦长度与内部张力的变化,则振弦基频公式.变为:.厂万刖珂.?/:血兰,.,公越可简慨/竽由上式可以看出,振弦的自振频率的变化主要由振弦自身张力的变化决定的,与长度变化关系不大。温度对振弦式传感器测量的影响。在温度恒定时,振弦的张力与应变有着确定的关系,当应变产生时,振弦的张力会发生相应得变化。温度升高时张力降低,温度降低时张力升高。这时无法分辨频率变化是由外界温度变化还是由外界形变应变引起的。故需要考虑振弦热膨胀和应变同时存在的情况,式.即为此情况下的基本运算公式:竺.口,.式中:振弦单位长度的质量;:振弦的弹性模量;彳:振弦的截面积;口:振弦金属材料的热膨胀系数;:温度变化。要保证侧量的精度,须根据实际情况对公式.进行温度修,除了计算振弦本身的热膨胀外,还应该考虑被测物体自身的热膨胀,由此得到温度修正公式:.式中:口:混凝土的热膨胀系数;.建筑单坑实时数据采览:忾挣系统:传感器本身的温度变化:混凝土表面的温度变化:传感器实际安装时,按照公式.进行计算,但混凝土的实际热膨胀系数口很难确定。在实际中是在无荷载的情况下读数,此时公式.的左边值为零,则:.?石?实际中根据温度传感器采集的温度值计算出与初始标定时的温差,然后根据上述公式.和.进行误差修下,这个可以在主计算机中完成。.支护轴力的计算在安装支护时先把钢筋计传感器安装在支护上,使得传感器与被测支护同步变化。考虑到在安装过程中受电焊加热的影响,在安装时应做好降温措施,安装后应立即测出传感器的频率,设此时的频率厶为零点力的频率。当支护受力后钢筋计传感器同时受力,频率发生变化生成新的频率,此时钢筋计传感器.因传感器安装后与被测支护同步变化,所以传感器的应力与被测支护所受应力相同,晚感器嚷测支撑。在钢支护中,因传感器直接安装在支护上,则被测支护的轴力尸支撑宰壤感暑导宰支撑在被混凝土包围的混合体中通常传感器安装在钢筋上,所以支护轴力钢筋凝:。钢筋和混凝士都属于弹性材料,都有其相应的弹性模量,因眨四钢筋燃地嗣步变黼所以等等 钢筋 钢筋建筑捧坑实时数据采浆惦拧系统.钢筋的轴力钢筋蠢感器爿 钢筋等效且积混凝土轴力“气刖:专业宰晚感器幸如撑面积铡筋等效血积。俐筋支护轴力:.:书锄。积挚宰幸钿蝴一钿蝴钢筋.数字变送器数字变送器中采用成熟的单片机技术,电路简单可靠,精度较高。利用单片机的/口来实现对激励电路的控制,信号采集等功能。数字变送器主要完成信号采集发送功能,主要由高压发生电路、触发电路、接收电路、放大电路、整形电路组成,并有配套的存储芯片、通信驱动电路。信号采集系统的工作原理: 由单片机通过/口控制信号,经晶闸管启动触发,将激励信号送至振弦式传感器线圈,使振弦振动,其反馈信号是一个级的正弦波振荡信号,经过接收、放大、整形后变为同频率电平的方波信号,送至单片机的中断日,启动片内计数器对传感器的频率信号计数,并由单片机分析处理计算出达到预定脉冲个数的时间长度,从而计算出弦的振动频率。选择晶闸管是因为它独特的性质:当阳极接反向电压,或者阳极接正向电压但控制极不加电压时,它都不导通,而阳极和控制极同时接正向电压时,它就会变成导通状态。一旦导通,控制电压便失去了对它的控制作用,不论有没矬筑毕坑.妾时数据采鬣髓柠系统有控制电压,也不论控制电压的极性如何,将一直处于导通状态。要想关断,只有把阳极电压降低到某一临界值或反向。.单片机的选择单片机是出公司生产的,低电压,高性能 位单片机,片内含拘可反复擦写的只读程序存储器和 的随机存取数据存储器,器件采用公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准.指令系统,片内置通用位中央处理器和存储单元。单片机是一个功能强大的单片机,但它只有个引脚,个双向输入,输出/端口,其中是一个完整的位双向/,两个外中断口,两个位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口,一个模拟比较放大器。同时的时钟频率可以为零,即具备可用软件设置的睡眠省电功能,系统的唤醒方式有、定时,计数器、串行口和外中断口,系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中,片内将被冻结,时钟停止振荡,所有功能停止工作,直至系统被硬件复位方可继续运行。单片机的主要功能特性是:与.系列产品兼容;?片内含有的程序存储器,擦写周期为次;片内含有字节的:具有线可编程/口;含有两个 位的定时器和;中断系统是具有个中断源、个中断矢量、级中断优先权的中断结构;具有可编程的串行通信口;?低功耗节电模式为空闲模式和掉电模式;级程序存储器锁定位;全静态操作为?;电源电压为.;直接驱动:让娩壮坑实时数据采壤舱拧系统?片内含有模拟比较器。.单片机引脚及其功能图.为的引脚排列/。/,.而. . .图. 引脚排列其引脚功能为:口?位双向/。.内含上拉电阻,.和.需要外接上拉电阻。.和.又是片内模拟比较器的同相输入和反相输入,端口结构图如图.所示。.一. .图.单片机端:结构框图建筑皋坑实时投捌采览临拧系统口用做输出时,输出缓冲器可驱动的灌电流负载,直接驱动显示器。口用做输入口时,应先对端口写。外部的输入信号将.拉为低电平时,通过片内上拉电阻向外输出电流。口?位,具有内部上拉电阻的双向,口。提供给用户可用做,口的是.一.。.在片内与模拟比较器的输出端相连,不可当作通用,口那样访问。口的输出缓冲器可提供 的灌电流负载。:用做输入时,应先对端口写,当外部输入信号将去拉为低电平时,通过片内上拉电阻向外输出电流。口还具有替代功能,如表.所列。表. 口的替代功能引脚 替代功能. 串行输入口. 串行输出口.?外部中断.丽外部中断. 定时器外部输入. 定时器外部输入脚?复位输入。旦变成高电平所有的/弓脚就复位到“”。当振荡器正在运行时,持续给出引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每个机器周期需要个振荡器或时钟周期。口一电源地线。圪?电源电压。脚:为振荡器反向放大器的输入和内部时钟发生器的输入。作为振荡器反向放大器的输出。本系统设计中采用片内振荡器,将石英晶体振荡器或陶瓷振荡器组成振荡器。如图.所示。让筑特坑实时投据采览航拧系统图.片内振荡器接线图.单片机的存储器组织有两个存储空间:片内的程序存储空间;片内数据存储器空自包括字节的片内数据区和片内字节的特殊功能寄存器?.与.结构完全兼容,可以使用.指令系统编程;但是由于存储空自的局限性,某些指令的应用受到限制。无条件转移指令有,。这些指令用于时,目的转移地址必须在区间。条件转移指令有,。这些指令用于时,目的转移地址必须在一区间。片内为字节,栈区的设置必须限于一区间。没有片外数据存储器,在的应用程序中不能包括类指令。的个中断矢量与.系列单片机完全一样。对于违反上述要求的指令,使用典型的汇编程序仍然可以进行汇编,但是应用系统得设计者应从存储器的物理空间和使用特性方面加以判断某些指令的有效性。.本设计中单片机各引脚具体连接在本设计中单片机各个引脚的具体连接情况:.连接的端,.连接的端,.连接的同步时钟输入端,.连矬筑堆坑实时数据采集临拧系统接的片选输入端,.输出传感器选择信号,由于要用无应力计进行补偿,所以要进行传感器的选择。.、.、.连接一组发光二极管,当整个数据变送器正常工作时发光二极管均匀闪动。如果无法常工作则发光二极管全部点亮以示报警。作为主控计算机要求数据传输的中断输入信号,作为看门狗的复位信号输入端。弓脚也连接至的复位信号输入端。.引脚连接的端,.引脚连接的端,定时器/计数器引脚连接的驱动器使能信号和接收信号使能。和组成内部振荡器提供波特率信号。传感器的激励信号由单片机给出。在本设计中计数器的应用非常关键。它关系到所采集的应力值得准确与否,所以要严格设置它的工作状态以及使用的时钟等。由于在采集传感器的频率信号时不进行数据的传输,所以此时定时器/计数器处于空闲状念,采用定时器闸门计数方法,通过设定控制寄存器的设置使定时器耐数器作在定时方式下,使得基准闸门时间瓦为,在期间,利用定时器/计数器对传感器的脉冲进行计数,所得到的计数值为被测量传感器输入信号的频率。本系统选用单片机主要是因为现场数据采集的任务不是很繁重,这款单片机可以出色的完成任务,并且价格便宜具有较高的性价比,可以大批量的推广应用。. 芯片的选用通常在数据采集中需要单片机存储一些参数,并需要外围电路提供复位信号,公司推出的可编程看门狗监控芯片可满足以上功能。该芯片把四种常用的功能:看门狗定时器,电源电压监控、上电复位控制和组合在单个封装之内,这种组合降低成本并减少了对电路板空间的要求“”。在该设计中将数字变送器号存储在芯片中。在个引脚的封装内,其主要性能可描述如下可编程的看门狗定时器;建筑毕坑实时投抛采篪舱拄系绕供电电源欠压时的复位输出;字节串行;多种形式对中数据的保护措施:低功耗工作电流、长寿命每字节可写入力.次,数据保存年。.引脚及其功能的引脚如下图.所示:图. 的引脚其引脚功能如下。:片选择输入:串行输出,数据由此引脚逐位输出;:串行输入,数据或命令由此引脚逐位写入:串行时钟输入,其上升沿将数据或命令写入,下降沿将数据输出;:写保护输入。当它低电平时,写操作被禁止:地:电源电压:复位输出.作原理内含.的串行,可以直接与微控制器的/口串行相接。内有一个位指令寄存器,该寄存器可以通过来访问。数据在的上升沿由时钟同步输入,在整个工作期内,必须在低电平且必须是高电平。如果在看门狗定时器预置的超时时间内没有总线的活动,那么将提供复位信号输出删。硅筑皋坑实时数据采囊嘛挣系统内部有一个“写使能”锁存器,在执行写操作之该锁存器必须被置位,在写周期完成之后,该锁存器自动复位。还有一个状态寄存器,用来提供状态信息以及设置块保护和看门狗的超时功能。对的操作是通过四根口线、进行同步串行通信来完成的。是外部输入的同步时钟信号,对芯片更改指令或数据时,时钟前沿将引脚信号输入,在读取数据时,时钟后沿将数据输出弓脚上。表. 的指令集操作指令名 指令格式设置写使能锁存器允许写操作复位写使能锁存器禁止写操作读状态寄存器写状态奇存器从开始于所选地址的存储器中读出数据把数据写入开始于所选地址的存储器其中读指针和写指针的工作方式完全不同,读指针的全部位用来计数,写指针只用最低两位计数,所以连续写的实际结果是在四个单元中反复写入。单片机内部没有接口硬件,因此本系统利用了单片机的根口线乏季、和软件模拟读写时序的方式与通信。与单片机直接连接,该电路既提供看门狗定时器及检测电路控制的复位,又可手动复位。图.中,使用了单片机的.脚,当然也可使用口和口的任意个引脚。由于的为漏极丌路的输出端,所以应接上拉电阻。建筑牿坑实时数据采览临拧系统图. 与单片机的接口电路.信号预处理电路由于从振弦式传感器输出的频率信号比较微弱,并且不很规则,所以需要对采集到的信号进行放大和整流。本系统中数字变送器的放大整流电路如图.所示。信号图.信号预处理电路矬筑堆坑宴时数挺采集啦挣系统无线数据传输系统.提出背景在许多测控现场中,传统的数据传输是通过有线电缆实现的,即通过串、并行总线,总线进行数据的传输,随着射频技术、集成电路的发展,无线通信功能的实现越来越容易,数据传输速率也越来越快,抗干扰能力也越来越强,因此,越来越多的场合采用了无线传输技术。无线数据传输相比于有线传输有许多优点:一是成本低,省去了大量的布线;二是建网快捷,只需在每个终端连接无线数传模块和架设适当高度的天线即可;三是适应性好,无线数据传输在一些特殊的应用环境,比如遇到山地、湖泊、林区、建筑工地等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候,能解决因布线困难、电缆接插件松动、短路等带来的问题;四是扩展性好,采用有线传输方式,不能随意移动,设备重新布局就要重新布线,但采用无线数据传输,只需将设备与无线数传模块相连接就可以了:五是设备维护容易,有线通信链路的维护需沿线路检查,出现故障时,一般很难及时找出故障点,而采用无线数据传输方式只需要维护数传模块,出现故障时则能快速找出原因,采用无线数据传输显示出巨大的优势,无线传输不受地理环境、气候、时间等的限制,具有广阔的应用前景。传统的集中式监测系统采用的逐点、串行采集信号进行监测不仅费时,而且监测效率较低,已很难满足具有分布性、开放性、大信息量和较高复杂程度的大型复杂装备发展需求。而分布式监测系统可以实现同步、并行地对系统的各个重要部分进行信号采集和处理,不仅大大提高了效率,而且所采集的信号具有同步关联性,便于采用多传感器信息融合方法,以提高监测诊断的准确性,确保系统安全可靠。目前,各种分布式监测系统都是基于有线方式,下位机与上位机之间的数据传输是通过一定数量的电缆完成。由于工业装置组成结构复杂,需要测试的参数多,测试点分布广,采用有线方式对其进行监测时,传输电缆布置困难,需要的电缆量很大,不仅降低了系统的可靠性,增加了调试难度同时也造成成本升高,并且在恶劣环境下,使用电缆传输信号时会受到很大干扰,需要额外的抗干建筑桀坑娈时数据采集临托系统扰措施。随着科学技术的发展,无线数据通信在测控领域的应用越来越广泛,很多控制系统都需要对分