测控技术在结构健康监测中应用-张广远

1、测试系统设计及其在结构健康测试系统设计及其在结构健康监测中的应用监测中的应用主讲：张广远2017.10主要内容内容内容 基本原则基本原则 一般步骤一般步骤 抗干扰设计抗干扰设计测试系统测试系统典型组成典型组成 传感器、传感器、信号调理信号调理、信号处理、显示与记录、信号处理、显示与记录测测试试对对象象传感器传感器信号调理信号调理显示显示/记录记录电电 源源数据采集数据采集数据处理数据处理信号处理信号处理1 1、基本原则、基本原则测试系统测试系统设计原则设计原则p 测量装置选用测量装置选用 满足关键指标满足关键指标 合理的带宽合理的带宽 接口标准接口标准p 误差分配误差分配 综合误差最小或合成不

2、确定度最小综合误差最小或合成不确定度最小 选择直接测量量的测量精度适中的方案，降低难度选择直接测量量的测量精度适中的方案，降低难度p 传感器选用传感器选用 优先考虑功能、然后再是指标优先考虑功能、然后再是指标p 其它：成本、实现其它：成本、实现1 1、基本原则、基本原则步骤步骤F确定测试任务确定测试任务F选择测量方法选择测量方法F选择传感器选择传感器F后续测量系统的选定后续测量系统的选定F相应的软件设计与编制相应的软件设计与编制F测量系统的性能评定测量系统的性能评定2 2、一般步骤、一般步骤p 确定测试任务确定测试任务 在如下环境中完成如下任务在如下环境中完成如下任务 任务任务参数监测参数监测

3、/ /检测检测/ /监控监控参数计算（功率测量、传递函数）参数计算（功率测量、传递函数）场分布，面、阵测量场分布，面、阵测量组组/ /复合传感器复合传感器 环境环境高压、高温、高冲击高压、高温、高冲击 工作介质工作介质: :水、油、空气或蒸气水、油、空气或蒸气被测表面被测表面: :材质、偏差材质、偏差2 2、一般步骤、一般步骤p 选择测量方法选择测量方法 功能功能在线测量在线测量/ /离线测量离线测量是否固定是否固定实时测量实时测量/ /离线分析离线分析是否现场给出结果是否现场给出结果实时测控实时测控数据存储、数据发布数据存储、数据发布/ /数据传输数据传输指标指标非线性度、精度、量程、分辨率

4、非线性度、精度、量程、分辨率稳定性、温漂、零漂稳定性、温漂、零漂频响频响成本成本简易：传感器电压表；传感器简易：传感器电压表；传感器A/DA/D板计算机板计算机适中：传感器信号处理信号测量适中：传感器信号处理信号测量先进：传感器信号处理测量、分析、传输先进：传感器信号处理测量、分析、传输2 2、一般步骤、一般步骤p 选择传感器选择传感器被测参数被测参数传感器类型传感器类型振动、位移、温度、转速、压力、扭矩振动、位移、温度、转速、压力、扭矩测试部位测试部位对被测量的影响对被测量的影响加速度传感器加速度传感器对传感器的影响对传感器的影响涡流传感器涡流传感器选择传感器选择传感器指标：指标：灵敏度、线

5、性范围、精确度、频响、稳定性等灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等 工程考虑：传感器工程考虑：传感器种类种类越少越好越少越好合并：位移振动合并：位移振动类型优化：一种传感器多种测量类型优化：一种传感器多种测量( (涡流传感器：位移、涡流传感器：位移、振动、转速振动、转速) )输出标准：输出标准：减少信号处理难度减少信号处理难度电流电流 420mA420mA、电压、电压5V; 5V; 数字通讯（数字通讯（TCP/IPTCP/IP）2 2、一般步骤、一般步骤切角面切角面3x探头直径探头直径圆柱面圆柱面3x探头直径探头直径传感器传感器p 后续测量系统的选定后续测量系统的选定传感器与信号调理装置的

6、匹配问题传感器与信号调理装置的匹配问题 各个测量装置的静动态特性匹配问题各个测量装置的静动态特性匹配问题测量系统的精度设计测量系统的精度设计指标指标频响频响p 相应的软件设计与编制相应的软件设计与编制 实现测试系统的自动化、智能化实现测试系统的自动化、智能化 成本成本 人机交互界面人机交互界面p 测量系统的性能评定测量系统的性能评定 经济合理性经济合理性 抗干扰能力抗干扰能力 测试精度分析测试精度分析2 2、一般步骤、一般步骤干扰源干扰源 外部干扰外部干扰环境环境 电磁场、振动、温度、湿度等电磁场、振动、温度、湿度等 内部干扰内部干扰电路电路 元器件干扰元器件干扰 信号回路干扰信号回路干扰 负

7、载回路干扰负载回路干扰 电源干扰电源干扰 数字电路干扰数字电路干扰3 3、抗干扰设计、抗干扰设计干扰传播路径干扰传播路径F静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有效输入成分效输入成分F电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回路中引起的感应电动势路中引起的感应电动势F辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应电动势造成的干扰电动势造成的干扰F漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间距不够产生的漏电现象距不够产生的漏电现象F公共阻抗：阻抗不等

8、的两个电路与另一公共阻公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生的干扰抗串联产生的干扰En Un Zi Cm Un Zc In En Zi R Un 3 3、抗干扰设计、抗干扰设计 Un Zi M In 屏蔽技术屏蔽技术 静电屏蔽：静电屏蔽：在静电场作用下，在静电场作用下，导体导体内部各点等电位内部各点等电位 利用铜、铝等利用铜、铝等低阻导电材料，做成低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部接地金属容器，隔离内外部电力线，消除静电耦合电力线，消除静电耦合磁屏蔽：磁屏蔽：导体层以导体层以涡流方式涡流方式消耗高频干扰磁场的能量消耗高频干扰磁场的能量 铁磁材料铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成

9、容器（硅钢、坡莫合金）制成容器电磁屏蔽：电磁屏蔽：用导电良好的用导电良好的金属材料金属材料（铜箔（铜箔,铝箔铝箔/板）做成的接板）做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 屏蔽导线、屏蔽电缆屏蔽导线、屏蔽电缆3 3、抗干扰设计、抗干扰设计 屏蔽技术屏蔽技术 简单的屏蔽简单的屏蔽接地、浮置接地、浮置 在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统 为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地o安全可靠安全可靠o制造工艺复杂制造工艺复杂o飞机

10、、舰船上的设备采用浮地飞机、舰船上的设备采用浮地机壳机壳机壳机壳机壳机壳绝缘层绝缘层 A Us Ui Rc1 Rc2 Rs Ri 3 3、抗干扰设计、抗干扰设计 屏蔽技术屏蔽技术电缆屏蔽层电缆屏蔽层单地原则单地原则屏蔽线的接地应与公共端连接屏蔽线的接地应与公共端连接Us放放大大器器12UG正确连接正确连接Us放放大大器器12C1C2C3正确连接正确连接UG3 3、抗干扰设计、抗干扰设计 隔离技术隔离技术 切断地环路电流干扰切断地环路电流干扰F两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰F数字电路很适用数字电路很适用F模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件模拟电

11、路中，要选用线性度好的隔离器件 滤波技术滤波技术阻止某一频带信号通过测试系统阻止某一频带信号通过测试系统 测测试试电电路路 1 光光耦耦合合器器件件 测测试试电电路路 2 0.5-2mH C1 0.010.1F + C2 100F 直直流流电电源源 C1 0.01F + C2 2000 直直流流电电源源 3 3、抗干扰设计、抗干扰设计接地技术接地技术 接地作用：接地作用： 安全、基准电位安全、基准电位 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等） 接地方式接地方式 并联接地并联接地 串联接地串联接地 串并联接地串并联接地3 3、抗干扰设计、抗干扰设计接地技术接地技术 接地原则：一点

12、接地接地原则：一点接地地线应连在一起并通过地线应连在一起并通过一点接地一点接地避免公共地线各点避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，电位不均匀而形成接地回路，产生干扰产生干扰 信号地线信号地线 （测试系统）（测试系统） 接地系统布置图接地系统布置图 电源地线电源地线 保护地线保护地线 （机壳、机架、机箱）（机壳、机架、机箱） 系统）系统） Rc1Rc2RiUG放放大大器器ABRsUs3 3、抗干扰设计、抗干扰设计 实例实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测山岭重丘地区桥梁温度场监测二、测控技术在结构健康监测中的应用 实例实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测山岭重丘地区桥梁温度场监测测试任务：广东地区山区桥梁温度场测试方法：埋入式接触测量，长期监测精度：0.02传感器：PT100铂电阻测试系统设计：太阳能供电、远程无线传输 实例实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测山岭重丘地区桥梁温度场监测温度传感器2集中式采集方案高精度采集器4G DTURS485总线温度传感器n温度传感器116通道多路切换板多路温度测量系统优点：精度高，可以通过校准做到；缺点：校准过程比较复杂，系统设计计编程工作量较大 实例实例1 山岭重丘地区