城市地下工程多功能模型实验系统的制作方法

本发明涉及测量应力应变等变化量的技术领域，具体地说涉及一种城市地下工程多功能模型实验系统。

背景技术：

如今城市地下工程日益得到重视，不论在过程现场与岩土实验室中，监测开挖过程中应力应变的过程尤为重要。现有的城市地下工程多功能模型实验系统，因系统完整度不高，软硬件整合不好，大多通过应变仪采集数据后，再导入计算机进行处理，无法实现计算机对应变仪和传感器的实时数据交互。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明实施例提供了一种城市地下工程多功能模型实验系统，通过具有应变测试分析功能的处理器实现了对应变仪、传感器的直接控制，并将传感器测得的数据实时反馈到处理器(如计算机)上，实现对岩土体监测数据的数显、多功能、实时便携的采集与分析。

一方面，本发明实施例提供了一种应力应变采集分析方法，包括：

按照监测要求，选择相应传感器，将传感器安置于试件相应位置，并按照预定方式将传感器连接至应变仪；

将具有应变测试分析功能的处理器与连接好传感器的应变仪相连；

根据选择的传感器和需要测量的物理量设置应变仪所采集的参数和采集方式；

启动测量后，控制应变仪根据设置的采集参数和采集方式，采集传感器输出的测量数据；

将测量数据实时传输至处理器进行计算得到测量结果，显示该测量结果。

另一方面，本发明实施例提供了一种城市地下工程多功能模型实验系统。该系统包括传感器、应变仪和处理器，传感器安置在试件的相应位置，传感器与应变仪相连接，应变仪与处理器相连接；

传感器，根据试件的应力应变输出测量数据；

应变仪，采集传感器输出的测量数据，并传输至处理器；

处理器中设置有控制模块，分析模块和显示模块；其中，

控制模块，向应变仪发送控制信号，控制应变仪从传感器收集测量数据并实时传输至分析模块；以及，

分析模块，对测量数据进行计算得到测量结果，并输出至显示模块进行显示。

本发明实施例为克服现有监测系统监测结因软硬件整合程度不高，应变仪控制不够方便直观，采集数据不可实时显示，应变仪与传感器兼容性差等问题，提供了一种控制逻辑将传感器、应变仪、处理器三者进行整合，使得数据采集方便、控制仪器直观。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的应力应变采集分析方法流程图。

图2(a)至2(c)是本发明一个实施例提供的具体桥路结构示意图。

图3(a)至3(b)是本发明一个实施例提供的测量通道配置示意图。

图4是本发明又一个实施例提供的应力应变采集分析方法流程图。

图5是本发明又一个实施例提供的一种城市地下工程多功能模型实验系统结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和操作说明来对本发明作进一步详细的说明。以下操作说明仅用于更加清楚地说明本发明的升级与改进，而不能以此来限制本发明的使用范围。

本发明实施例将传感器、数显式多功能静态应变仪、处理器进行整合，以软件实现对应变仪的直观控制，及采集数据的直观反馈。

本发明一个实施例提供的一种应力应变采集分析方法，参见图1，包括如下步骤：

S100：按照监测要求，选择相应传感器，将传感器安置于试件相应位置，并按照预定方式将传感器连接至应变仪。

首先按照监测要求，选择相应传感器，将传感器安置于试件相应位置。若是应变片则用胶水粘贴于试件表面；若为土压力盒，则埋设于模型相应位置；其他类型传感器则依照要求安装。并对已放置的传感器进行检测，保证安装质量，再将传感器与数显多功能静态应变仪连接。

其次，根据传感器类型选择应变仪测点的桥路类型，按照预定方式将该传感器连接至应变仪，使该传感器接入的测点组成选定类型的电桥电路。测点组成的桥路类型包括全桥电路、半桥电路或者1/4桥电路。

本实施例中，在应变仪中设置有多个测点，每个测点具有与外部传感器连接的端口和测点电路；在应变仪中还设置有与每个测点对应的多个电阻，该电阻中的一个或多个可接入相应测点的测点电路或从测点电路断开；进行测量时，将外部传感器的接入端插入测点的相应端口，导通或断开测点电路中的相应电阻，测点组成预定类型电桥的电路。

实现具体类型的电路时，外部传感器的接入端插入测点的相应端口，断开测点电路中的所有电阻，测点组成全桥电路；外部传感器的接入端插入测点的相应端口，连通测点电路中的2个电阻，测点组成全半桥电路；外部传感器的接入端插入测点的相应端口，连通测点电路中的3个电阻，测点组成1/4电路。

参见图1与图2(a)至2(c)，每个测点具有五个端口201，分别为端口A、端口B、端口BQ、端口C和端口D；

图2(a)为全桥电路连接示意图，包含4个应变片202的外部传感器的接入端插入测点的端口A、端口B和端口C时，测点组成全桥电路；

图2(b)为半桥电路连接示意图，包含2个应变片的外部传感器的接入端插入测点的端口A、端口B和端口C时，测点组成半桥电路；

图2(c)为1/4桥电路连接示意图，包含1个应变片的外部传感器的接入端插入测点的端口A和端口BQ，测点组成1/4桥电路。

通过设置多个测点，例如20个测点和1个特定的测力点，所有测点都内置对应的精密低温漂电阻，每个测点都可通过不同的组桥方式组成全桥、半桥、1/4桥的形式，能够根据实际测量需求切换不同的测量电桥，为复杂的工程测试提升了灵活性。

S101：将具有应变测试分析功能的处理器与连接好传感器的应变仪相连；

具有应变测试分析功能的处理器可以实现为安装有静态应变测试分析系统软件的计算机。计算机与应变仪、传感器接通时，连接方式可以分为有线连接和无线连接。各无线应变仪与网关自动组网，且每台应变仪都具有路由功能，构成大型分布式城市地下工程多功能模型实验系统。也可各静态应变仪之间通过总线连接，计算机和第一台USB线连接，构成有线式静态城市地下工程多功能模型实验系统。

S102：根据选择的传感器和需要测量的物理量设置应变仪所采集的参数和采集方式。

进一步的，测量前一般首先要进行平衡操作，读取各测点的初始不平衡值，用以修正测量的结果。这是正式测量前的准备，如果本次测量与以前某次测量设置的参数一样，甚至平衡结果也一样，可以省去平衡操作。

在步骤S102之前，本实施例还包括：进行平衡操作，读取各测点的初始不平衡值；则所述采集传感器输出的测量数据包括：将测点的测量数据减去相应的初始不平衡值，对测量数据进行修正。

步骤S102中，根据传感器的类型和要测量的物理量配置测量通道，为每个测量通道生成一条配置数据，配置数据包括通道标识、测量内容、物理量参数；具体的，根据传感器的类型和要测量的物理量配置应力应变通道、桥式传感器通道、热电偶通道、热电阻通道、电阻通道、电压通道、非线性电压通道、非线性电阻通道和振弦计通道；通过调整各通道的配置数据，设置应变仪所采集的参数(如所需采集的物理量参数)和采集方式。

参见图3(a)至3(b)，显示了应力应变通道、桥式传感器通道、热电偶通道、热电阻通道、电阻通道、电压通道和非线性电阻通道。通道标识包括通道名称、通道序号和通道描述(如11-1)，测量内容指示该通道所需测量的物理量。图3(b)显示了通道为应力应变通道时的一种配置方式，每个通道对应的物理量参数不同，应力应变通道对应的物理量参数包括应变片电阻、导线电阻、弹性模量、泊松比、满量程和工程单位等。

进一步的，本实施例还可以为所连接的传感器设置相应的预警数值，预警值包含“预警上限”、“预警下限”、“报警上限”和“报警下限”。

S103：启动测量后，控制应变仪根据设置的采集参数和采集方式，采集传感器输出的测量数据。

设置采集方式包括试采集、单次采集、定时采集和连续采集，

在试采集方式下，控制应变仪采集传感器输出的测量数据，将测量数据实时传输至处理器进行计算得到测量结果，根据该测量结果监测系统是否正常；

在单次采集方式下，控制应变仪采集传感器输出的测量数据，将测量数据实时传输至处理器得到测量结果并显示后，停止采集；

在定时采集方式下，控制应变仪每隔一段时间采集传感器输出的测量数据；

在连续采集方式下，控制应变仪在一次采集结束后立即进行下一次采集。

即本实施例提供下述四种采集方式：

1.“试采集”供系统检测时使用，开始测量前一般先选择试采集，考察测量的结果是否正常由此判断系统是否正常，测量数据计算机不保存。

2.“单次采集”供手动测量用，进行一次采集后，数据将保存到计算机中，并停止采集。

3.“定时采集”是应变仪每隔一段时间进行一次扫描测量。通过设置定时时间间隔，计算机能自动地每隔一段时间扫描测量一次，测量的结果自动保存，直到用户停止采集。

4.“连续采集”是一次采集结束后立即进行下一次采集，这样可以在最短的时间内采集到尽可能多的数据，可在观察信号较快变化时使用。

S104：将测量数据实时传输至处理器进行计算得到测量结果，显示该测量结果。

根据测量结果生成多页表格视图、单页表格视图、时间曲线视图和/或应变花曲线视图，将相应视图展示在屏幕上。本实施例提供的视图主要有以下四种：

(a)多页表格：多页式表格是用来记录测量数据的表格。它可以将多次测量的结果以表格的形式保存下来，便于浏览数据以及前后结果的比较。其记录的信息包括全部选定测量通道的数据、测量时间工程信息等内容。

(b)单页表格：单页式表格可以将一次测量的数据在一个表格中显示法出来。在测量通道较多时，能够观察到全部通道的数据。

(c)时间曲线：时间曲线用来描述选定的通道在多次扫描测量过程中，测量参数随时间变化规律的曲线。另外也可以将多个通道的测量数据放在一个图形上显示。

(d)应变花曲线：用于显示应变花时程曲线。

参见图4，本发明又一个实施例提供的应力应变采集分析方法流程图。处理向应变仪和传感器发送控制信号，传感器采集数据，并传回应变仪生成测量数据，再传输至处理器进行分析处理，最后进行输出及显示。

本发明又一实施例通过不同类型传感器的具体使用和测量情况，对本方案进行说明。

(a)应力应变：用于进行应力或应变测试时使用，首先需要选择传感器属于全桥、半桥、1/4桥中的哪一种类型，并且设置传感器(如应变片)电阻、灵敏度等参数。

(b)桥式传感器：连接桥式传感器时要设置合适的灵敏度，这样可以跟要测量的物理量直接对应。比如某位移计标注2.3u_ε/mm，这时可在通道配置中设置灵敏度为2.3，后面的工程单位设置为mm，则可通过表格或图形直接显示该位移计的位移值。

(c)热电偶：可以直接连接热电偶测量温度，传感器直接接入应变仪测点的端口“B”和“D”端。这里还需要设置“冷端温度”，即传感器测量前“自动平衡”时，传感器所处的环境温度。在“热电偶类型”一列中选择对应变的传感器类型即可。

(d)热电阻：选择“1/4桥”，将测量的热电阻直接接于测点端口“A”和“BQ”之间。选择“半桥”，将要测量的热电阻接于测点端口“A”和“B”之间，用于比较的电阻接于“B”和“C”之间。

(e)电压：可用于测量电压或输出为电压型的传感器，测量的物理量与电压成正比，信号直接接入测点端口“B”和“D”端(如果测量物理量与电压成非线性关系可以选择非线性电压)。

(f)电阻：可以测量电阻或电阻式传感器，测量的物理量与电阻成正比(如果测量物理量与电阻成非线性关系，可以选择非线性电阻)。选择“1/4桥”，将测量的电阻直接接于测点端口“A”和“BQ”之间。选择“半桥”，将要测量的电阻接于测点端口“A”和“B”之间，用于比较的电阻接于测点端口“B”和“C”之间。

(g)非线性电压：用于测量电压式传感器,测量的物理量与电压之间不是成比例关系，这时需要设置一个电压与物理量之间的非线性关系(测量物理量与电压成线性关系直接选择测量电压)。

(h)非线性电阻：用于测量电阻式传感器。测量的物理量与电阻之间不是成比例关系，这时需要设置一个电阻与物理量之间的非线性关系(测量物理量与电阻成线性关系直接选择测量电阻)。选择“1/4桥”，将测量的电阻直接接于测点端口“A”和“BQ”之间。选择“半桥”，将要测量的电阻接于测点端口“A”和“B”之间，用于比较的电阻接于测点端口“B”和“C”之间。

(i)振弦计：用于配接振弦应变计。测量种类可以选择“测温”和“不测温”，也可以编辑振弦应变计库。

参见图5，城市地下工程多功能模型实验系统。包括一个或多个传感器501、应变仪502和处理器503，传感器501安置在试件的相应位置，传感器粘贴于试件表面；或者，传感器埋设于试件内部相应位置。传感器501与应变仪相连接，应变仪与处理器相连接；传感器501，根据试件的应力应变输出测量数据；应变仪，采集传感器输出的测量数据，并传输至处理器。

处理器503中设置有控制模块5031，分析模块5032和显示模块5033，至少通过这三个模块实现处理器中的应变测试分析功能。处理器可以由计算机是吸纳。

控制模块5031，向应变仪发送控制信号，控制应变仪从传感器501收集测量数据并实时传输至分析模块5032；以及，分析模块5032，对测量数据进行计算得到测量结果，并输出至显示模块5033进行显示。进一步的，根据采集方式不同，控制模块5031，向应变仪发送控制信号，控制应变仪进行一次采集后，停止采集；或者，控制应变仪每隔一段时间进行一次扫描测量；或者，控制应变仪在一次采集结束后立即进行下一次采集。

当系统包括多台应变仪，每台应变仪中设置有无线通信模块，不同应变仪之间通过无线通信模块进行无线连接，构成无线式测试网络；或者，每台应变仪上设置有数据总线接口，各应变仪通过数据总线构成有线式测试网络。具体的，在无线式测试网络中设置有网关，各应变仪通过网关自动组网；有线式测试网络中包括至少一台计算机，计算机与第一应变仪通过USB数据线连接，网络中的其他应变仪通过数据总线串行连接后，连接至第一应变仪。

本系统的应变仪中设置有多个测点，每个测点具有与外部传感器连接的端口和测点电路；应变仪中还设置有与每个测点对应的多个电阻，该电阻中的一个或多个可接入相应测点的测点电路或从测点电路断开；进行测量时，外部传感器的接入端插入测点的相应端口，导通或断开测点电路中的相应电阻，测点组成预定类型电桥的电路。

外部传感器的接入端插入测点的相应端口，断开测点电路中的所有电阻，测点组成全桥电路；外部传感器的接入端插入测点的相应端口，连通测点电路中的2个电阻，测点组成全半桥电路；外部传感器的接入端插入测点的相应端口，连通测点电路中的3个电阻，测点组成1/4电路；其中，

每个测点具有五个端口，分别为端口A、端口B、端口BQ、端口C和端口D；

包含4个应变片的外部传感器的接入端插入测点的端口A、端口B和端口C时，测点组成全桥电路；包含2个应变片的外部传感器的接入端插入测点的端口A、端口B和端口C时，测点组成半桥电路；包含1个应变片的外部传感器的接入端插入测点的端口A和端口BQ，测点组成1/4桥电路。

进一步的，应变仪还包括补偿应变片，在应变仪上设置有补偿端子,测量时,补偿应变片通过该补偿端子连接至应变仪，测量因温度变化产生的应力或应变。

本系统中的传感器至少包括应力应变传感器、桥式传感器、热电偶传感器、热电阻传感器、电阻传感器、电压传感器、非线性电压传感器、非线性电阻传感器和振弦计，但不局限于此。

本系统实施例各器件的具体工作方式可以参见本发明方法实施例。

本发明实施例首先利用传感器采集数据，通过线缆传输与应变仪中，应变仪再将数据传输于安装有静态应变测试分析系统软件的计算机中。然后将数据加入到数据序列中以对采集的数据进行处理。计算完成后，将结果通过静态应变测试分析系统软件输出于计算机屏幕上，具有操作简单，结果直观，精度高的优点。