監測系統論文范文

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第1篇

供電電壓自動測控系統技術方案和特點

監控模塊根據接收到以CAN通訊卡傳來的指令來控制電機的停止/啟動，同時檢測取芯儀供電電源的運行狀態，并將電壓、電流、溫度、運行信息及故障信息等參數通過CAN通訊傳給上位機進行處理和顯示。電壓一次側由芯片3875發出的移相脈沖控制H橋的IGBT模塊，正弦脈寬調制（SPWM）波由SPWM輸出模塊編程實現，并且實現電機軟起動和軟停車，驅動負載電機自適應等功能。方案結構（圖略）。測控系統特點測控系統采用凌陽公司的16位高速微型計算機SPMC75F2413A為核心，CAN控制器采用MCP2515，CAN驅動器采用TI公司的低功耗串行CAN控制器SN65HVD1040D，通過CAN總線能夠實時地檢測和傳遞數據，實現數據通訊和共享，更能夠實現多CPU之間的數據共享與互聯互通，其它電子元件均選擇150℃溫度的等級。此外系統還設計有散熱器、風扇等。該測控系統具有極高的高溫可靠性，能夠確保系統在高溫環境下可靠工作，控制、檢測、顯示的實時性好，可靠性高。測控系統采用智能化控制算法軟件來實現馬達機的高性能運行，其具有效率高、損耗小、噪音小、動態響應快、運行平穩等特點。

硬件電路設計

CAN通信電路檢測系統采用SPMC75F2413A凌陽單片機，不集成CAN外設模塊，選擇外部CAN模塊控制器MCP2515，該模塊支持CAN協議的CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0BPassive和CAN2.0BActive版本，是一個完整的CAN系統，直接連接到單片機的SPI總線上，構成串行CAN總線，省去了單片機I/O口資源，電路簡單，適合高溫工作。CAN通信電路原理圖（圖略）MCP2515輸出只要加一個收發器就可以和上位PC機進行CAN通信，收發器采用TI公司生產的SH65HVD140D。電機溫度檢測電路該系統中供電電源溫度的檢測由溫度傳感器PT100來完成。PT100與高頻變壓器、供電電源散熱器、高頻電感發熱器件的表面充分接觸，當器件的溫度變化時，PT100的阻值也隨之變化，將溫度傳感器的阻值轉換為電壓信號，電壓信號放大整形送給單片機，再由單片機計算出供電電源各發熱點的實際溫度。當溫度過高，供電電源自動停止運行。同時實時將檢測到的各發熱點的溫度通過CAN通訊發給上位PC機。輸入直流電壓檢測電路檢測電路（圖略）。供電電源為多電壓變化環節，前級變換為AC/DC，儀器要深入井下工作，交流高壓從地面通過長達7000m的電纜線供給，直流阻抗（電阻）值約為240Ω，一般由兩根電纜導線并聯使用[5]。系統不工作時，電纜導線無電流，供電電壓相對較高，電機電流約1.5A。系統運行時電纜中有電流，電纜線路就會有壓降，電機電流會達到3A。由于采用了高頻變壓器，變比約18，當負載電流增加1.5A時，原邊電流就增加約27A，如果重載，原邊電流增加更多，就會拉垮輸入電源。所以對輸入的一次側直流電壓電流進行監控就非常必要，根據檢測值來調整輸入的直流高壓[6]。檢測電路采用的是差分電路采樣直流電壓，檢測時，直流高壓加到分壓電阻的兩端，通過分壓電阻運放調理后輸入到CPU。

軟件設計

CAN通信協議系統CAN總線的節點流程圖。上位機向監控模塊發送指令幀，幀號為0x11，用來控制電機啟停和SPWM輸出。監控模塊向上位機發送狀態幀，幀號為0x21，用來反饋電機的狀態信息。軟件流程圖監控模塊根據上位機的指令控制電機的停止/啟動，同時檢測取芯器供電電源的運行狀態，并將參數傳給上位機進行顯示。軟件分為兩大模塊，主程序模塊和定時器T1中斷服務模塊。主程序模塊主要實現上電初始化功能、CAN通訊功能和定時器T1中斷設置等功能；定時器T1中斷程序模塊實現電機參數采樣及發送，并能根據CAN總線接收的指令控制輸出參數。

實驗結果

上述檢測系統安裝在井壁取芯儀上得以成功實現運行。將安裝有檢測控制系統的井壁取芯儀整體放在恒溫箱里面做加溫運行帶載實驗，恒溫箱145℃恒定不變，連續運行24h，每隔0.5h使電機帶載運行10min，即電機憋壓運行。同時改變電機的給定轉速（從500r/m到3000r/m），觀測測量的電機實際運行速度穩定，又根據電機的帶載運行調整輸入直流高溫。檢測控制系統經高溫24h連續運行，電機在空載和帶載時能夠可靠運行，滿足要求。（a）（b）（c）是實驗時測得的CAN總線數據幀。（a）為CAN總線數據一幀的數據波形，由10個字節組成。為測控系統CAN總線數據幀發送接收，每隔120ms傳送一幀數據。

第2篇

關鍵詞：健康監測監測系統監測項目橋梁

20世紀橋梁工程領域的成就不僅體現在預應力技術的發展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結構實施智能控制和智能監測的設想與努力。近20年來橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的開發推動了大距度橋梁的發展；同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關注，橋梁健康監測的研究與監測系統的開發應運而生。由于橋梁監測數據可以為驗證結構分析模型、計算假定和設計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結構及其環境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結構和結構環境未知問題的調查與研究擴充了橋梁健康監測的內涵。本文結合近十年來橋梁健康監測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發展，較系統地闡述橋梁健康監測的內涵，并由此探討監測系統設計的有關問題。

一、橋梁健康監測系統與理論發展簡況

1．監測系統

80年代中后期開始建立各種規模的橋梁健康監測系統。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監測環境風和結構溫度場。該系統是最早安裝的較為完整的監測系統之一，它實現了實時監測、實時分析和數據網絡共享。建立健康監測系統的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿大的ConfederatiotBridge橋[5]。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規模的結構監測系統，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8]。

從已經建立的監測系統的監測目標、功能以及系統運行等方面看，這些監測系統具有以下一些共同特點：

（1）通常測量結構各種響應的傳感裝置獲取反映結構行為的各種記錄；

（2）除監測結構本身的狀態和行為以外，還強度對結構環境條件（如風、車輛荷載等）的監測和記錄分析；同時，試圖通過橋梁在正常車輛與風載下的動力響應來建立結構的"指紋"，并藉此開發實時的結構整體性與安全性評估技術；

（3）在通車運營后連續或間斷地監測結構狀態，力求獲取的大橋結構信息連續而完整。某些橋梁監測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監控施工質量；

（4）監測系統具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現數據的網絡共享。

這些特點使得大跨度橋梁健康監測區別于傳統的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監測的對象已不再局限于結構本身：一些重要輔助設施的工作狀態也已納入長期監測的范圍（如斜拉索振動控制裝置[4]等）。

2．理論研究

十多年來，橋梁健康監測理論的研究主要集中于結構整體性評估和損傷識別。由于基于振動信息的整體性評估技術在航天、機械等領域的深入研究和運用，這類技術被用于土木結構中除無損檢測技術以外的最重要的整體性評估方法并得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力于基于振動測量值的整體性評估方法研究的另一個原因是，結構振動信息可以在橋梁運營過程中利用環境振動法獲得，因此這一方法具有實時監測的潛力。

結構整體性評估方法可以歸結為模式識別法、系統識別法以及神經網絡方法三大類【1】。結構模態參數常被用作結構的指紋特征，也是系統識別方法和神經網絡法的主要輸入信息。另外，基于結構應變模態、應變曲率以及其他靜力響應的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整體性評估技術已在一些簡單結構上有成功的例子，但還不能可靠地應用于復雜結構。阻礙這一技術進入實用的原因主要包括：①結構與環境中的不確定性和非結構因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋梁結構贅余度大并且測量信號對結構局部損傷不敏感。

另外，從評估方法上，目前對大跨度橋梁的安全評估基本上仍然沿襲常規中小橋梁的定級評估方法，是一種主要圍繞結構的外觀狀態和正常使用性能進行的定性、粗淺的安全評價。

二、橋梁健康監測新概念

橋梁健康監測的基本內涵即是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護濰修與管理決策提供依據和指導。為此，監測系統對以下幾個方面進行監控：

·橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態；

·橋梁重要非結構構件（加支座）和附屬設施（如振動控制元件）的工作狀態；

·結構構件耐久性；

·大橋所處環境條件；等等。

與傳統的檢測技術不同，大型橋梁健康監測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結構整體行為的實時監控和對結構狀態的智能化評估。

然而，橋梁結構健康監測不僅僅只是為了結構狀態監控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結構特點以及所處的特定環境，在大橋設計階段完全掌握和預測結構的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設計依賴于理論分析并過風洞、振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而，結構理論分析常基于理想化的有限元離散模型，并且分析時常以很多假定條件為前提。在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環境不全相符。因此，通過橋梁健康監測所獲得的實際結構的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上，國外一些重要橋梁在建立健康監測系統時都強調利用監測信息驗證結構的設計。

橋梁健康監測信息反饋于結構設計的更深遠的意義在于，結構設計方法與相應的規范標準等可能得以改進；并且，對橋梁在各種交通條件和自然環境下的真實行為的理解以及對環境荷載的合理建模是將來實現橋?quot;虛擬設計"的基礎。

還應看到，橋梁健康監測帶來的將不僅是監測系統和對某特定橋梁設計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的"現場實驗室"。盡管橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的出現不斷推動著橋梁的發展，但是，大跨度橋梁的設計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設計也有許多問題需要研究。同時，橋梁結構控制與健康評估技術的深入研究與開發也需要結構現場試驗與調查。橋梁健康監測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結構及其環境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供有關結構行為與環境規律的最真實的信息。另外，橋梁振動控制與健康評估技術的開發與應用性也需要現場試驗與調查。

綜上所述，大型橋梁健康監測不只是傳統的橋梁檢測加結構評估新技術，而是被賦予了結構監控與評估、設計驗證和研究與發展三方面的意義。

三、健康監測系統設計

1．監測系統設計準則

兩座大型橋梁健康監測系統的測點布置情況可以看出，兩個監測系統的監測項目與規模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環境因素外，主要是因為對各監測系統的投資額和（或）建立各個系統的目的（或者說是對系統的功能要求）不同。因此，橋梁監測系統的設計實際上有意或無意地遵循著某些準則。

顯然，監測系統的設計應該首先考慮建立該系統的目的和功能。上節所述的橋梁健康監測三方面的意義也正是橋梁健康監測的目的和功能所在。對于特定的橋梁，建立健康監測系統的目的可以是橋梁監控與評估，或是設計驗證，甚至以研究發展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統的目的確定，系統的監測項目就可以基本上確定。另外，監測系統中各監測項目的規模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監測系統時必須對監測系統方案進行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監測系統的前提。

根據功能要求和成本一效益分析可以將監測項目和測點數設計到所需的范圍，可以最優化地選擇并安裝系統硬件設施。因此，功能要求和效益-成本分析是設計橋梁健康監測系統的兩大準則。

2．監測項目

不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同。絕大多數大跨度橋梁監測系統的監測項目都是從結構監控與評估出發的，個別也兼顧結構設計驗證甚至部分監測項目以橋梁問題的研究為目的[5]。文獻［12］通過對國內多座運營中的斜拉橋進行大量病害調查與檢測分析，提出了用于斜拉橋狀態監控與評估的頗具代表性的監測項目。

如果監測系統考慮具有結構設計驗證的功能，那就要獲得較多結構系統識別所須要的信息。因此，對于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細的結構動力行為并驗證結構設計時的動力分析模型和響應預測。另外，在支座、擋塊以及某些連結部位須安設傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。

目前，某些監測系統以開發結構整體性與安全性評估技術為目的之一。結合橋梁問題研究的監測系統雖不多見，但有些系統也有監測項目是專為研究服務的。與理論研究相關的監測項目可以根據待研究問題的性質來確定。從目前橋梁工程的發展狀況看，以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監測進行深入研究或論證。

·抗風方面：包括風場特性觀測、結構在自然風場中的行為以及抗風穩定性。

·抗震方面：包括研究各種場地地面運動的空間與時間變化、土-結構相互作用、行波效應、多點激勵對結構響應的影響等。通過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監測建立恢復力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。

·結構整體行為方面：包括研究結構在強風、強地面運動下的非線性特性，橋址處環境條件變化對結構動力特性、靜力狀態（內力分布、變形）的影響等。這對于發展基于監測數據的整體性評估方法非常重要。

·結構局部問題：例如邊界、聯接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，結合梁結合面（包括剪力鍵）的破壞機制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動與減振、局部損傷機制等也值得進一步觀察研究。

·耐久性問題：橋梁結構中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。

·基礎：大直徑樁的采用也帶來一些設計問題，直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。借助大型橋梁監測系統調查大直徑樁的變形規律、研究樁的承載力問題，也是設計部門的需要。

四、小結

（1）橋梁結構健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術的簡單改進，而是運用現代傳感與通信技術，實時監測橋梁運營階段在各種環境條件下的結構響應與行為，獲取反映結構狀況和環境因素的各種信息，由此分析結構健康狀態、評估結構的可靠性，為橋梁的管理與維護決策提供科學依據。同時，大型橋梁結構健康監測對于驗證與改進結構設計理論與方法、開發與實現各種結構控制技術以及深入研究大型橋梁結構的未知問題具有重要意義。因此，健康監測為橋梁工程的發展開辟了新的空間。

（2）大型橋梁健康監測三方面的意義反映了從事橋梁維護管理、設計咨詢和理論研究不同領域人員所關注的問題。監測系統的設計應以功能要求和效益－成本分析為基本準則。此外，監測系統的設計應該通過布點優化分析，并且考慮到系統實施中的非常重要的通信問題。

第3篇

參考注射泵的檢測標準和出廠標準，確定微量注射泵的質量檢測流程。在Hydrograph軟件中登記微量注射泵的設備編號和所屬科室信息，將流速和測試時間分別設為10mL/h和30min，同時設置微量注射泵的流速為10mL/h，記錄流速為10mL/h的平均流速和累積流量。測試完成后分別設置Hydrograph軟件和微量注射泵的流速為60mL/h，測試10min，記錄流速為60mL/h的平均流速和累積流量。圖1所示為Hydrograph軟件記錄的60mL/h流量檢測曲線示意圖，圖中雙縱坐標分別為實時流速和累積流量，橫坐標為測試時間，可讀得平均流速和總的累積流量分別為60.31mL/h和9.82mL，測試時間共9min46s。流速相對設定值誤差在±5%內合格。流速測試完成后，分別設置Hydrograph軟件和微量注射泵的流速為99.9mL/h進行阻塞壓力報警測試，記錄報警時間、報警壓力和停止壓力。阻塞壓力分為高低兩檔，高檔阻塞壓力設定值為800mmHg，偏差值在±200mmHg內合格;低檔阻塞壓力設定值為300mmHg，偏差值在±100mmHg內合格。圖2所示為Hydrograph軟件記錄的阻塞壓力報警曲線示意圖，可見報警壓力為294mmHg，報警時間為37s，停止壓力約為120mmHg。

2結果

剔除由于數據缺失影響統計分析的檢測個案后，有效檢測個案共251例(通道)。10mL/h和60mL/h的流速測試結果分別見表1和表2。可見流速為10mL/h的合格率為64.9%，60mL/h的合格率為93.2%。表3所示為平均流速接近或大于流速設定值兩倍的流速測試原始記錄。圖3和圖4所示分別為低阻塞壓力和高阻塞壓力報警統計分布圖，結果表明低阻塞壓力分布的合格率為38.4%，低于和高于合格范圍的占比分別為50%和11.6%。高阻塞壓力分布的合格率為13.4%，低于和高于合格范圍的占比分別為84.3%和2.3%。高低阻塞壓力均合格的儀器僅有29臺。

3討論

由表1可見10mL/h流速相對誤差小于－5%的微量注射泵占30.3%，由表2可見60mL/h流速相對誤差小于－5%的微量注射泵占4.8%。由于10mL/h和60mL/h流速測試的累積流量分別為5mL和10mL，可見增加測試的累積流量可以顯著改善流速測試結果。推頭和滑桿中存在粘稠液體或金屬滑桿生銹，或者推頭松動造成推頭和滑道之間摩擦力增大，均會導致測量流速偏低。噴除銹清潔劑清洗后微量注射泵流速精度合格。

表3中序號1和2的60mL/h流速誤差在±5%內，而10mL/h流速明顯大于流速設定值的兩倍，且10mL/h流速測試的累積流量大于設定值5mL的兩倍，這里的測試誤差主要是由10mL/h測試中測試人員人為推動推頭造成的，重新測試發現流速測試合格。序號3－6流速均接近設定值的兩倍，且有部分數據缺失(表3中用“0”表示)，這里的數據缺失是由于完成一項流速測試發現流速誤差過大因而未對另一項流速進行測試，屬于測試人員的主觀行為。雖然10mL/h和60mL/h測試結果中各有一組數據缺失，不會影響10mL/h和60mL/h的流速測試結果中相對誤差的一致性，但會影響兩組流速的合格率。考慮這兩組缺失數據的影響，流速為10mL/h和60mL/h的合格率分別應該修正為64.5%和92.8%。如表3序號3－6所示，共有四臺(占比1.59%)微量注射泵流速接近設定值的兩倍，檢查發現內部芯片引腳短路，更換芯片后微量注射泵工作正常。

由圖3和圖4可見，注射泵的阻塞壓力合格率較低，且低于合格范圍的占比遠大于高于合格范圍的占比。注射泵集中檢測時反復使用，造成注射器活塞與管壁摩擦力變大，導致在較低的管路阻塞壓力下產生壓力報警，這一報警壓力并不能精確地反映注射泵正常工作時的報警功能。建議使用與注射泵匹配的全新注射器進行注射泵的質量檢測，并及時進行注射泵質量檢測結果的統計分析，在壓力報警明顯偏低時考慮更換注射器。微量注射泵的質量受到動力泵性能、檢測傳感器和壓力傳感器的靈敏度等多個因素的影響，輸液精度很大程度上取決于輸液管路的精度，使用非注射泵專用注射器和泵管會使得流速相對誤差顯著增加。微量注射泵的外觀檢查和性能測試中任意一項不符合要求即為不合格，本次統計結果顯示注射泵的總體合格率為13.4%。不合格因素主要是性能測試不達標，主要來源是阻塞壓力偏低，且高阻塞壓力相對低阻塞壓力合格率更低。