测控技术在结构健康监测中的应用-张广远
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数据处理
电源
1、基本原则
测试系统设计原则
测量装置选用
满足关键指标 合理的带宽 接口标准
误差分配
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
传感器选用
优先考虑功能、然后再是指标
其它：成本、实现
2、一般步骤
步骤
确定测试任务 选择测量方法 选择传感器 后续测量系统的选定 相应的软件设计与编制 测量系统的性能评定
16通道多路切换板
RS485总线 4G DTU
集中式采集方案
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1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
温度传感器1 单片机1
温度传感器2 单片机2
温度传感器nRS485总线 4G DTU
单片机n
分布式方案：采用专用的温度测量芯片
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
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 简单的屏蔽——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 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 o 制造工艺复杂 o 飞机、舰船上的设备采用浮地
Rs Us
Rc1
Ui
3、抗干扰设计
接地技术
• 接地原则：一点接地
Δ 地线应连在一起并通过一点接地 Δ 避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，产生干扰
Rc1
Rs
Us
Rc2
放
Ri 大 器
信号地线 （测试系统）
电源地线
保护地线 （机壳、机架、机箱）
系统）
A
B
UG
接地系统布置图
二、测控技术在结构健康监测中的应用
• 实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
Zc
Un
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位
利用铜、铝等低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部 电力线，消除静电耦合
• 磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量
铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器
• 电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔,铝箔/板）做成的接
2、一般步骤
确定测试任务
在如下环境中完成如下任务 • 任务
参数监测/检测/监控 参数计算（功率测量、传递函数） 场分布，面、阵测量——组/复合传感器
• 环境 高压、高温、高冲击 工作介质:水、油、空气或蒸气 被测表面:材质、偏差
2、一般步骤
选择测量方法 • 功能
在线测量/离线测量——是否固定 实时测量/离线分析——是否现场给出结果 实时测控 数据存储、数据发布/数据传输
对传感器的影响——涡流传感器
• 选择传感器
切角面
3x探头直径
指标ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等
工程考虑：传感器种类越少越好 Δ 合并：位移＋振动 Δ 类型优化：一种传感器多种测量(涡流传感器：位移、 振动、转速)
输出标准：减少信号处理难度
Δ 电流 4~20mA、电压±5V; 数字通讯（TCP/IP）
测控技术在结构健康监测中的应用张广远
主要内容
一、测试系统设计步骤 二、测控技术在结构健康监测中的应用实 例
一、测试系统设计步骤
内容
1. 基本原则 2. 一般步骤 3. 抗干扰设计
1、基本原则
测试系统典型组成
传感器、信号调理、信号处理、显示与记录
测
试
传感器
对
象
信号调理 显示/记录
信号处理
数据采集
圆柱面
3x探头直径
2、一般步骤
后续测量系统的选定
• 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 • 测量系统的精度设计指标 • 频响
相应的软件设计与编制
• 实现测试系统的自动化、智能化 ——成本 • 人机交互界面
测量系统的性能评定
• 经济合理性 • 抗干扰能力 • 测试精度分析
Ri
A
Rc2
机壳
机壳
机壳
绝缘层
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 电缆屏蔽层
Δ 单地原则 Δ 屏蔽线的接地应与公共端连接
Us
1
放 大
器
Us
C1
1放
C2
大 器
2
C3
2
正确连接
UG
UG
正确连接
3、抗干扰设计
隔离技术 ——切断地环路电流干扰
两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰 数字电路很适用 模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件
3、抗干扰设计
干扰源
• 外部干扰——环境 电磁场、振动、温度、湿度等
• 内部干扰——电路 Δ 元器件干扰 Δ 信号回路干扰 Δ 负载回路干扰 Δ 电源干扰 Δ 数字电路干扰
3、抗干扰设计
干扰传播路径
静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有 效输入成分
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
测试电路1
光耦合器件
测试电路2
滤波技术——阻止某一频带信号通过测试系统
0.5-2mH
直
流
+
C2 100μF
电
C1 0.01~0.1μF
源
直 流
+
C2 2000μ
电
C1 0.01μF
源
3、抗干扰设计
接地技术
• 接地作用：
Δ 安全、基准电位 Δ 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）
• 接地方式
Δ 并联接地 Δ 串联接地 Δ 串并联接地
优点：系统实现简单； 缺点：精度依赖于温度芯片的测量精度校准过程比较复杂
• 实例2 桥梁挠度测量系统
• 指标
非线性度、精度、量程、分辨率 稳定性、温漂、零漂 频响
• 成本
简易：传感器＋电压表；传感器＋A/D板＋计算机 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
2、一般步骤
选择传感器
• 被测参数——传感器类型
振动、位移、温度、转速、压力、扭矩
• 测试部位
传感器
对被测量的影响——加速度传感器
• 实例1 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1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
温度传感器1 温度传感器2 温度传感器n
多路温度测量系统 高精度采集器
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
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
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
Cm En
Zi Un
M
In
Zi
Un
Ra Φ
EI
Ri
a)
b)
R 图7-23 产生差模干扰的例子
Zi En Un
In
电源
1、基本原则
测试系统设计原则
测量装置选用
满足关键指标 合理的带宽 接口标准
误差分配
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
传感器选用
优先考虑功能、然后再是指标
其它：成本、实现
2、一般步骤
步骤
确定测试任务 选择测量方法 选择传感器 后续测量系统的选定 相应的软件设计与编制 测量系统的性能评定
16通道多路切换板
RS485总线 4G DTU
集中式采集方案
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1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
温度传感器1 单片机1
温度传感器2 单片机2
温度传感器nRS485总线 4G DTU
单片机n
分布式方案：采用专用的温度测量芯片
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
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 简单的屏蔽——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 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 o 制造工艺复杂 o 飞机、舰船上的设备采用浮地
Rs Us
Rc1
Ui
3、抗干扰设计
接地技术
• 接地原则：一点接地
Δ 地线应连在一起并通过一点接地 Δ 避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，产生干扰
Rc1
Rs
Us
Rc2
放
Ri 大 器
信号地线 （测试系统）
电源地线
保护地线 （机壳、机架、机箱）
系统）
A
B
UG
接地系统布置图
二、测控技术在结构健康监测中的应用
• 实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
Zc
Un
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位
利用铜、铝等低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部 电力线，消除静电耦合
• 磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量
铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器
• 电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔,铝箔/板）做成的接
2、一般步骤
确定测试任务
在如下环境中完成如下任务 • 任务
参数监测/检测/监控 参数计算（功率测量、传递函数） 场分布，面、阵测量——组/复合传感器
• 环境 高压、高温、高冲击 工作介质:水、油、空气或蒸气 被测表面:材质、偏差
2、一般步骤
选择测量方法 • 功能
在线测量/离线测量——是否固定 实时测量/离线分析——是否现场给出结果 实时测控 数据存储、数据发布/数据传输
对传感器的影响——涡流传感器
• 选择传感器
切角面
3x探头直径
指标ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等
工程考虑：传感器种类越少越好 Δ 合并：位移＋振动 Δ 类型优化：一种传感器多种测量(涡流传感器：位移、 振动、转速)
输出标准：减少信号处理难度
Δ 电流 4~20mA、电压±5V; 数字通讯（TCP/IP）
测控技术在结构健康监测中的应用张广远
主要内容
一、测试系统设计步骤 二、测控技术在结构健康监测中的应用实 例
一、测试系统设计步骤
内容
1. 基本原则 2. 一般步骤 3. 抗干扰设计
1、基本原则
测试系统典型组成
传感器、信号调理、信号处理、显示与记录
测
试
传感器
对
象
信号调理 显示/记录
信号处理
数据采集
圆柱面
3x探头直径
2、一般步骤
后续测量系统的选定
• 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 • 测量系统的精度设计指标 • 频响
相应的软件设计与编制
• 实现测试系统的自动化、智能化 ——成本 • 人机交互界面
测量系统的性能评定
• 经济合理性 • 抗干扰能力 • 测试精度分析
Ri
A
Rc2
机壳
机壳
机壳
绝缘层
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 电缆屏蔽层
Δ 单地原则 Δ 屏蔽线的接地应与公共端连接
Us
1
放 大
器
Us
C1
1放
C2
大 器
2
C3
2
正确连接
UG
UG
正确连接
3、抗干扰设计
隔离技术 ——切断地环路电流干扰
两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰 数字电路很适用 模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件
3、抗干扰设计
干扰源
• 外部干扰——环境 电磁场、振动、温度、湿度等
• 内部干扰——电路 Δ 元器件干扰 Δ 信号回路干扰 Δ 负载回路干扰 Δ 电源干扰 Δ 数字电路干扰
3、抗干扰设计
干扰传播路径
静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有 效输入成分
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
测试电路1
光耦合器件
测试电路2
滤波技术——阻止某一频带信号通过测试系统
0.5-2mH
直
流
+
C2 100μF
电
C1 0.01~0.1μF
源
直 流
+
C2 2000μ
电
C1 0.01μF
源
3、抗干扰设计
接地技术
• 接地作用：
Δ 安全、基准电位 Δ 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）
• 接地方式
Δ 并联接地 Δ 串联接地 Δ 串并联接地
优点：系统实现简单； 缺点：精度依赖于温度芯片的测量精度校准过程比较复杂
• 实例2 桥梁挠度测量系统
• 指标
非线性度、精度、量程、分辨率 稳定性、温漂、零漂 频响
• 成本
简易：传感器＋电压表；传感器＋A/D板＋计算机 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
2、一般步骤
选择传感器
• 被测参数——传感器类型
振动、位移、温度、转速、压力、扭矩
• 测试部位
传感器
对被测量的影响——加速度传感器
• 实例1 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1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
温度传感器1 温度传感器2 温度传感器n
多路温度测量系统 高精度采集器
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
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
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
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R 图7-23 产生差模干扰的例子
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