专利名称：模型试验位移数据自动测试系统及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种模型试验位移数据自动测试系统及其测试方法，可在水电、交通、 能源、资源和国防工程领域的地下工程模型试验中实现模型位移测量的数字化、可视化和智能化。
背景技术：
在水电、交通、能源、资源和国防工程领域的地下工程中，随着埋藏深度的增加，深部洞室岩体在高地应力条件下，洞室围岩的结构、力学特性和工程响应出现了分区破裂、大变形、冲击破坏等一系列新的特征科学现象，针对这些特征科学现象，一方面要借助理论研究，另一方面，更多地要借助模型试验手段进行研究。要进行模型试验，就必须具备高效、稳定的模型位移测试系统，目前国内相关模型试验模型位移测试系统的研究现状如下申请号为200810138973的中国专利公开了一种用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，包括弹簧片、钢丝绳、应变片等，钢丝绳的两端分别连接弹簧片上端和模型内部测点。该位移测量装置无法数字化自动测量模型位移。申请号为200820187742的中国专利公开了一种模型试验的柔性传递式内置微型多点位移测试系统，其包括台架、位移传感器、钢丝绳、信号转换装置。该位移测量系统无法数字化自动测量模型位移。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模型试验位移数据自动测试系统及其测试方法，其可实现模型位移自动测量的数字化、可视化和智能化。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案—种模型试验位移数据自动测试系统，包括设置于模型体内的若干位移传递单元，每个位移传递单元均通过高强钢丝杆与模型体外的位移测量单元相连，位移测量单元通过传输电缆与信号转换单元相连，信号转换单元通过传输电缆与数据处理单元相连，数据处理单元通过传输电缆与可视化人机交互界面相连。所述位移传递单元是外部带定位套管的高强钢丝杆，高强钢丝杆前段连接锚头测点。位移传递单元置于模型体内，用于将模型体内各部分产生的位移传递至模型体外的光栅尺位移传感器。所述位移测量单元采用高精度光栅尺位移传感器测量位移。光栅尺位移传感器将模型位移转化为脉冲信号并传送至信号转换单元。该脉冲信号为TTL电平信号，其脉冲个数与模型位移量对应，符合正比例关系。S = K*N。(S:位移量。K:光栅尺精度。N:脉冲个数。)所述信号转换单元采用信号转换电路板。信号转换单元将接收到的TTL电平信号处理转换为数据处理单元能够识别的PNP型正逻辑信号，用于数据处理。所述数据处理单元采用可编程序控制器，它是一种专门为在工业环境下应用而设
3计的数字运算操作的电子装置，它将预先编制好的程序存储在中央控制单元的内存中，负责将信号转换单元输出的脉冲个数记录下来，并通过公式S = K*N计算出模型位移量。所述可视化人机交互界面采用工控机。将得到的模型位移在可视化人机交互界面系统上进行实时存储和显示，并生成位移时程曲线，供试验人员实时动态观察和监控模型位移。一种模型试验位移数据自动测试方法，其特征在于，包括以下步骤A.通过高精度光栅尺位移传感器测量得到模型体位移后，输出脉冲个数与位移量成正比的脉冲信号；B.信号转换单元接收步骤A的脉冲信号并处理转换为可识别的正逻辑信号，通过传输电缆传输给数据处理单元；C.数据处理单元接收步骤B的正逻辑信号并统计脉冲个数，计算得到模型位移数据；D.将步骤C的模型位移数据实时记录和存档，通过系统自动生成模型位移时程曲线，试验人员在可视化人机交互界面系统上实时动态观察和监控模型内部位移发展状况。本发明包括位移传递单元、位移测量单元、信号转换单元、数据处理单元和可视化人机交互系统。位移测量单元测量得到模型体位移后，输出其脉冲个数与位移量成正比的脉冲信号。信号转换单元将脉冲信号处理转换为可识别的正逻辑信号，由数据处理单元统计出脉冲个数，从而计算得到模型位移，并在可视化人机交互界面系统上进行实时存储和显示，同时自动生成模型位移时程曲线，供试验人员实时动态观察、监控模型位移。模型位移数据自动测试系统可实现模型位移量测的数字化、可视化和智能化。本发明与国内外同类型的位移测量系统相比具有如下显著的技术优势(1)通过数字化测量技术，克服了以往靠人工手动记载数据的缺点，提高了数据传输的精准度，实现了模型位移自动测量的数字化、可视化和智能化。 (2)通过可编程控制器，实现模型内部任意部位多点位移的同时采集，可实时动态监控模型内部的变形发展，对模型洞室变形情况进行动态追踪监测。(3)通过程序控制的人机交互界面系统，可快速方便地获得模型位移时程曲线、并对采集的位移数据进行实时记录和存档，达到高效、快捷、精准、直观进行模型位移测量的目的。(4)该系统可广泛应用于水电、交通、能源、资源、国防等工程领域的结构模型试验研究，应用前景广阔，经济效益显著。
图1是模型位移数据自动测试系统原理图；图2是模型位移数据自动测试系统构成图。图中1-光栅尺位移传感器；2-位移传递单元；3-模型体；4-信号转换单元； 5-数据处理单元；6-可视化人机交互界面；7-传输电缆。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、2所示，一种模型试验位移数据自动测试系统，包括位移传递单元2、位移测量单元、信号转换单元4、数据处理单元5和可视化人机交互界面6。位移测量单元采用高精度光栅尺位移传感器1，其测量得到模型体位移后，输出脉冲个数与位移量成正比的脉冲信号。信号转换单元4接收脉冲信号并处理转换为可识别的正逻辑信号后通过传输电缆 7传输给数据处理单元5，由数据处理单元5统计出脉冲个数，从而计算得到模型位移，并在可视化人机交互界面6上进行实时存储和显示，同时自动生成模型位移时程曲线，供试验人员实时动态观察和监控模型位移。模型位移数据自动测试系统可实现模型位移量测的数字化、可视化和智能化。位移传递单元2是外部带定位套管的高强钢丝杆，高强钢丝杆前段连接锚头测点。位移传递单元2置于模型体3内，用于将模型体3内各部分产生的位移传递至模型体 3外的光栅尺位移传感器1。光栅尺位移传感器1将测量得到的模型位移转化为脉冲信号以便传送至信号转换单元4。该脉冲信号为TTL电平信号，其脉冲个数与模型位移量对应， 符合正比例关系。S = K*N。(S:位移量。K:光栅尺精度。N:脉冲个数。)信号转换单元4采用信号转换电路板。信号转换单元4将接收到的TTL电平信号处理转换为数据处理单元5能够识别的PNP型正逻辑信号，用于数据处理。数据处理单元5采用可编程序控制器，负责将信号转换单元4输出的脉冲个数记录下来，并通过公式S = K*N计算出模型位移量。可视化人机交互界面6采用工控机，将得到的模型位移在可视化人机交互界面系统上进行实时存储和显示，自动生成位移时程曲线，供试验人员实时动态观察和监控模型位移。一种模型试验位移数据自动测试方法，包括以下步骤A.通过高精度光栅尺位移传感器测量得到模型体位移后，输出脉冲个数与位移量成正比的脉冲信号；B.信号转换单元接收步骤A的脉冲信号并处理转换为可识别的正逻辑信号，通过传输电缆传输给数据处理单元；C.数据处理单元接收步骤B的正逻辑信号并统计脉冲个数，计算得到模型位移数据；D.将步骤C的模型位移数据实时记录和存档，通过系统自动生成模型位移时程曲线，试验人员在可视化人机交互界面系统上实时动态观察和监控模型内部位移发展状况。
权利要求
1.一种模型试验位移数据自动测试系统，其特征在于，包括设置于模型体内的若干位移传递单元，每个位移传递单元均通过高强钢丝杆与模型体外的位移测量单元相连，位移测量单元通过传输电缆与信号转换单元相连，信号转换单元通过传输电缆与数据处理单元相连，数据处理单元通过传输电缆与可视化人机交互界面相连。
2.根据权利要求1所述的模型试验位移数据自动测试系统，其特征在于，所述位移传递单元是外部带定位套管的高强钢丝杆，高强钢丝杆前段连接锚头测点，位移传递单元用于将模型体内各部分产生的位移传递至模型体外的光栅尺位移传感器。
3.根据权利要求1所述的模型试验位移数据自动测试系统，其特征在于，所述位移测量单元采用高精度光栅尺位移传感器测量位移，光栅尺位移传感器将模型位移转化为脉冲信号并传送至信号转换单元，该脉冲信号为TTL电平信号，其脉冲个数与模型位移量对应， 符合正比例关系，即S = K*N，其中，S 位移量，K 光栅尺精度，N 脉冲个数。
4.根据权利要求1所述的模型试验位移数据自动测试系统，其特征在于，所述信号转换单元采用信号转换电路板，信号转换单元将接收到的TTL电平信号处理转换为数据处理单元能够识别的PNP型正逻辑信号，用于数据处理。
5.根据权利要求1所述的模型试验位移数据自动测试系统，其特征在于，所述数据处理单元采用可编程序控制器，它将预先编制好的程序存储在中央控制单元的内存中，负责将信号转换单元输出的脉冲个数记录下来，并通过公式S = K*N计算出模型位移量。
6.根据权利要求1所述的模型试验位移数据自动测试系统，其特征在于，所述可视化人机交互界面采用工控机，将得到的模型位移在可视化人机交互界面系统上进行实时存储和显示，并生成位移时程曲线，供试验人员实时动态观察和监控模型位移。
7.一种模型试验位移数据自动测试方法，其特征在于，包括以下步骤A.通过高精度光栅尺位移传感器测量得到模型体位移后，输出脉冲个数与位移量成正比的脉冲信号；B.信号转换单元接收步骤A的脉冲信号并处理转换为可识别的正逻辑信号，通过传输电缆传输给数据处理单元；C.数据处理单元接收步骤B的正逻辑信号并统计脉冲个数，计算得到模型位移数据；D.将步骤C的模型位移数据实时记录和存档，通过系统自动生成模型位移时程曲线， 试验人员在可视化人机交互界面系统上实时动态观察和监控模型内部位移发展状况。
全文摘要
本发明公开了一种模型试验位移数据自动测试系统及其测试方法，包括位移传递单元、位移测量单元、信号转换单元、数据处理单元和可视化人机交互界面系统。位移测量单元与模型相连，当模型体产生位移时，位移测量单元将输出脉冲个数与位移量成正比的脉冲信号。输出的脉冲信号由信号转换单元接收并处理转换为可识别的正逻辑信号后，传输给数据处理单元。数据处理单元通过统计脉冲个数而计算模型位移。模型位移最后在可视化人机交互界面系统上进行实时存储和显示，自动生成模型位移时程曲线，供试验人员实时动态观察和监控模型位移。模型试验位移数据自动测试系统及其测试方法可在水电、交通、能源、资源和国防工程领域的地下工程模型试验中实现模型位移自动量测的数字化、可视化和智能化。
文档编号G05B19/04GK102322791SQ20111020432
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者刘健, 张强勇, 张鲁春, 李术才, 段抗, 蔡兵, 贾超, 陈旭光 申请人:山东大学