现代结构试验的创新与应用技术
李炳生1，洪伟2，陈爱忠2
（1. 同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所,上海200092； 2.超源仪器厂，江苏溧阳213300）
摘要:
随着我国四十年改革开放的不断深入发展，也促进了结构试验技术的高新科技有了长足的进步，尤其是互联网到人工智能的大潮头的发展到区块链的大时代的到来，由计算机网络与信息化从4G、5G大数据的大量涌现和应用，促使了现代结构试验与检测技术向自动化、智能化、多功能无线信息网络化进展，从而大大的促使结构试验有了新理念新变革和创新发展！
本文本着上述的宗旨，结合到某工程PC大体积混凝土温度和应变长期检(监)测项目和某工程改造加固安全检(监)测的需要，走厂丶所丶校和产丶学丶研和用合作道路，进行了全套测试方案设计，从传感器、测试分析系统的选型、信息网络和无线远程传输等硬软件设计等工作，经过各方通力协作，克服了各种困难，尤其是无线GPRS网络的成功应用，从而取得了各共同合作单位之间满意的试验结果。
关键词: 人工智能化、多功能无线信息网络化、区块链大时代、智物云平台。
Innovation and application of technology of modern structural tests
Li Bingsheng, 1, Hong Wei 2, Chen Aizhong 2
(1. Tongji University School of civil engineering, structural engineering and Disaster Prevention Research Institute, Shanghai 200092; 2. super source instrument factory, Jiangsu Liyang 213300)
Abstract: with the continuous development of the forty years of reform and opening up in China, the high and new technology of structural test technology has been made great progress, especially the big tide of the Internet to artificial intelligence to the big era of block chain, and the large numbers of large data from 4G and 5G are emerging and applied by computer network and information. It has promoted the development of modern structure test and detection technology to automation, intelligence and multi-function wireless information network, which greatly promoted the new concept and new innovation and development of the structure test. PC()()GPRS
In this text, the purpose of this text is combined with the needs of PC mass concrete temperature and strain long-term inspection (supervision) project and the needs of a project reform and strengthening inspection (supervision), and the whole set of test scheme is designed by the cooperation road of the factory and the production, learning and research, from the selection of the sensor, the test and analysis system, the information network and the wireless remote. Cheng Chuanshu and other software design work, through the cooperation of all parties, overcome various difficulties, especially the successful application of the wireless GPRS network, thus obtaining the satisfactory experimental results between the various cooperation units.
Key words: artificial intelligence, multi-functional wireless information network, block chain era, and intelligent cloud platform.
前言
随着我国四十年改革开放的深入发展，高新科技在各项各业有了飞速发展，也促进了各类结构试验技术有了长足的发展，尤其是互联网到人工智能的大潮头的发展到区块链的大时代的到来，由计算机网络与信息化4G、5G大数据的大量涌现和应用而促使了结构试验与检测技术向无线信息网络化、自动化、智能化、多功能化进展，从而大大的促使结构试验有了重大的变革和创新发展！
随着我国国民经济的不断发展，大量在建既建的土木结构工程，随着新材料新结构的应用和研究和发展也离不开结构试验和检测技术的创新和探索，如对新老结构(大型结构、桥梁、高铁、道交、地下管廊等)的长期安全检(监)测提出了对检(监)测测试分析系统，不仅需要满足测试各种物理和力学性能的智能化、多功能、多品种、复合型的多种类的长期稳定的优质传感器产品，对于与不同变换功能的传感器(变换器)相适应的适配器和后接的测试分析系统及相匹配的无线远传人工智物云平台，可通过GPRS网络不仅在现场实测以外，还将把信息远程传输到各自的办公室进行测控，这样的创新技术改变了检(监)测人员，一定要在试验现场进行的老习惯和老方法中解放出来，GPRS网络不仅由一人测控而且可由多人同时共享测试数据的成果，从而推动和实现结构试验与检测技术信息网络化、人工智能化方向的创新快速发展。
1、现代结构试验测试分析系统，必要具备的基本组成和功能作如下介绍
1.1传感器(变换器)部分，它的作用在于把非电量的物理量，通过不同的变换方式转换成电量的参数的重要部分，比较通用的是采用R、L、C、光(激光、光纤、光栅)、电(电磁、磁电、磁致伸缩)、霍尓效应、核子和红外线等;
1.1.1结构试验常用传感器的品种和选用原则
1.1.1.1秤重测力传感器，含拉压力、荷重、液压、气圧、土压力、空隙水压力、微型土压力;
1.1.1.2位移传感器，含应变式(无线智能)、电感式(LVDT)、电容式、拉线式、静力水准式沉降仪;
1.1.1.3应变传感器，含高灵敏工具式表面和内埋式、光纤式、直贴式电阻应变计(常、中和高温、水下、大应变计);
1.1.1.4倾角传感器，含机械式、电介液式、园薄模式(单双向);
1.1.1.5动态测试用传感器，可分为静态、准静态、动态和超动态，从机-电变换方式上可分为磁电式、应变式、电容式、压阻式、磁致伸缩式、压电式、霍尔效应式、激光式、光纤式;
1.2适配器部分，它的主要作用在于与相应的传感器机-电变换原理相匹配，把微电量转换放大成为(电压、电流或电功率)，可供后接的数据采集器良好接配，在选用适配器时，必须做到根据各种不同的传感器变换原理选用不同的适配器;
1.3 信号采集和测试分析系统部分
信号采集和测试分析系统，主要用于把模拟电信号，通过A/D转换转变成数字信号便于信号采集，并有专门软件进行数据的分析，包含计算机底部驱动程序和电信号采集存储、传输、回放、直到编写测试分析报告一次生成等功能，目前已经发展到了人工智能云平台和互联网的大量应用和开发，如用GPRS无线远传测控操作方式，改变了试验不能远离试验现场的传统习惯，从而实现了测试可进入技术人员寻常办公室进行测控，大大节省了人力物力，并且确保了测试信息的实时性(即时性)，测试数据可由多人同时共同分享，从而推动和实现结构试验与检测技术信息化丶网络化丶智能化方向发展成为现实。
1.4 国内外对现代结构试验测试分析系统的简介
随着国内外微电子技术和半导体集成器件和网络信息化、4G、5G大数据的时代的到来把传统的有线传输到分布式串并联方式连接直到无线传输信息技术的高新科技的迅速发展，国内外科技人员在信号采集和测试分析系统的研发生产中已经取得了突飞猛进的进展，美国NI仪器公司为代表的外国仪器公司，江苏的DH和TST公司等是国内代表公司，欧美大地、上海邑成测试设备有限公司等，是国内外测试设备的知名代理公司，他们为我国的传感器、信号采集和测试分析系统的开发推广应用方面做出了具大贡献，产品已经逐步在我国各项各业的传感器、信号采集和测试分析系统中得到了广泛应用和发挥着极大作用。
多年来，由江苏溧阳市伟涵仪器厂和超源仪器厂等厂的各自努力下，实行优势互补强强合作，根据市场开发需要，顺应着创新开发大时代，努力开发出具有高新科技水平，尽量使传感器、适配器测试分析系统技术先进、功能多且可配套成龙，多年来开发的YBY-2001型应变测试分析系统，是一种对各种电阻应变计及应变式传感器，包括全桥、半桥、四分之一桥，进行应变测试分析系统的产品之一。该产品采用全新设计理念，选用320*240液晶显示屏，能同时釆集和显示20-40个通道的全部数据。系统实现了由人工测读和电脑自动釆集两种操作方式。
该测试分析系统，具有以下几个特点：
（1）采用24位高分辨率AD转换芯片，数据稳定可靠；
（2）采用320*240液晶显示屏，可直观显示所有测量值。用户在没有通用电脑的情况下，也可以进行数据的测量与观察；
（3）通过短接片短接来实现全桥、半桥、四分之一桥测量的转换；
（4）每个通道都是独立芯片采集数据，用户可将各个通道分别接不同类型电阻应变式（全桥、半桥、四分之一桥）、电位器式、压阻式、振弦式和电感式等传感器兼容且可同时测试采集数据;
（5）系统带有USB接口，可与通用电脑进行联机采集；
（6）工业级器件选择且经过器件和组件成品的老化工艺处理，满足在-20℃~50℃环境下使用;
（7）用多机串联功能，可扩大到160个通道，且不影响测试准确度级別;
（8）可以连接该厂生产的GPRS无线发射设备。
可以通过GPRS网络，进行远程无线数据检(监)测，不仅可在现场实时检测以外，还将可通过人工智物云平台，以互联网络型式，把信息远程传输到用户各自的办公室进行测控，这样的创新技术改变了检(监)测人员，一定要在试验现场进行的理念中介放出来，GPRS网络不仅由一人测控，而且可由多人同时观察了介试验进展情况，来共享测试数据和成果，从而推动和实现结构试验与检测技术信息化丶网络化丶智能化方向的快速发展，通过GPRS无线网络及专用软件 与分析系统，包含计算机底部鸥动部分和存储、传输、回放等功能，该产品还可以根据用户所需设置前或后触发等的预报警装置，给测控人员以一个工程测试项目的安全措施，用来确保试验的安全顺利的进行！
2、新型结构试验与检(监)测分析系统在建筑结构工程中的应用举例
2.1 钢筋混凝土温度-应变长期检(监)测试验研究中的应用技术
本试验研究是针对某一新建工程的大体积钢筋混凝土温度-应变施工长期检(监)测需要，对工程中的大底板砼在实体施工(浇捣)过程中，观察砼温度-应变在浇筑砼过程中的变化，观察是否会给基础砼底板产生内部微裂缝的损害可能，可根据事先的设计计算出理论予故值，由测试分析系统中，用予警设置技术措施，可及时发出予警信息，以便加以必要的干予，并采取有效降温技术措施，来迏到砼底板的施工质量。
2.1.1 钢筋混凝土温度-应变(应力)长期检(监)测试验方案简介
2.1.1.1 测点布置(参见如下图1所示)
在西区选取3、8两仓作为1、2两个监测仓，分别布置1、2、3、4、5、6测点。
图1.测区平面图
Figure 1. plot plan
2.1.1.2 传感器在底板中位置参见 图2传感器在底板中位置图
延板厚截面依次布置3个传感器（红点代表传感器）（以车库底板为例），上部传感器距板表面50mm，下部传感器距板底面50mm，中部传感器在板中位置。
图2.传感器在底板中布置图
Figure 2. sensor layout in the floor
2.1.2 传感器及测试分析系统的选用
测试用应变传感器是选用，由江苏溧阳市超源仪器厂生产的复合型内埋式应变(应力)-温度传感器，数量共18个，该传感器具有高灵敏(S=10000微应变/mm，当标距L=100mm时与直接粘贴式应变计相当，且有严密的防水技术措施因而长期稳定性好)，为减小体积，专门把PT-100温度器件组安装在传感器内部，从而特制了应变(温度)复合型传感器供本项目所用,请参见图3所示
图3. HNY（WD）复合型内埋式应变-温度传感器外形照片图
Fig. 3. HNY (WD) Composite Embedded strain(temperature sensor profile drawing
应变(应力)-温度测试分析系统，是选用由江苏溧阳市伟涵测试仪器厂YBY-2001型应变测试分析系统二台，为节省现场导线与数采测试分析系统之间采用分布式并连法的连接HNY（WD）复合型内埋式应变传感器，事先用铁丝固定在相应的测点上，再通过7芯屏蔽导线，将信号接到YBY2001-型应变测试分析系统。实验人员可以在YBY-2001应变测试分析系统显示屏上直接读取数据，也可以通过USB接口与通用电脑连接，再通过GPRS网络测控，并用人工智能云平台把网络信息传送到各自的办公室。通过所提供软件进行实时检(监)测并可同时采集、传输和存储及数据多次重分析。
采用ZI-300型数据采集单元，对传感器系统采集到的监测数据进行自动采集和汇总。总线控制单元用于控制数据采集单元进行传感器数据采集，局域无线数据传输单元用于多个数据采集单元间的组网传输，远程无线数据传输单元通过GPRS网络用于传输监测数据，短信报警单元可根据用户设置的报警值及时发送监测报警短信。数据采集传输系统将采集到的监测数据汇总后无线传输到信息管理中心的主控计算机内。图4.为 GPRS数据采集系统，包含数据采集传输系统的所有单元模块。
图4. GPRS网络数据采集系统照片
Figure 4. GPRS network data acquisition system photo
2.1.3 钢筋混凝土应变(应力)-温度施工 检(监)测测试结果分析
2.1.3.1 某工程中钢筋砼温度-时程施工检(监)测测试结果分析，从被测3仓中9个测点的统计数值和典型曲线的温度时程检(监)测结果可参见图5所示，从图5分析可得出，如以砼浇捣成型起为零时间，那么各测点的升温到最大值大约在90个小时，此时测点1-上为21度、1-中为26.8度和26.5度，而到600个小时则基本迏到稳定的常温状态(当时气象温度10度左右)，砼表层温度低于中下层测点，这一规律符合有关大体积砼施工温度变化规律相似;
2.1.3.2 应变-温度施工检(监)测测试结果分析，同样对被测3仓中9个测点的统计数值和典型曲线的温度时程检(监)测结果可参见图6所示，从应变-时程曲线的变化过程大约在90小时，而到600个小时则基本迏到稳定状态，这一规律也符合有关大体积砼施工温度变化规律相似;
2.1.3.3 应力-时程检(监)测测试结果分析，应力-时程是通过实测应变值与砼试块不同龄期的不同弹性模量E换算成不同的应力值，应力—时程曲线可参见图6右边图所示，同样可看出应变-温度施工检（监）测测试结果分析相似;
2.1.3.4 钢筋混凝土应变(应力)-温度施工检(监)测结论
通过对钢筋混凝土应变(应力)-温度施工检(监)测试验分析，可以得出如下结论，本工程测试项目制订方案正确，选用的复合型内埋式应变(应力)-温度传感器和YBY-2001型应变测试分析系统符合项目测试要求，尤其是通过GPRS网络测控技术大大节省了人力物力，并且获得了可靠稳定的测试数据，经过上述测试和分析结果，得出本此试验符合我国有关大体积砼规范要求，不论从温度时程和应变(应力)曲线上得出温升在90小时迏到较高数值，应力也同样迏到隐定数值5MPa左右，说明砼底板的温度-应变(应力)均小于有关规范的要求，这次测试结果是正确可信，被检测某工程大体积砼质量安全的结论。
| 点号 | 位置 | 应变曲线 | 应力计算结果 |
1 号 点 | 上 |  |
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中 |
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下 |
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图5. 温度-时间检(监)测结果曲线图
Figure 5. curves of temperature - time inspection (monitoring) results
| 点号 | 位置 | 应变曲线 | 应力计算结果 |
1 号 点 |
上 |
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中 |
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| |
下 |
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Figure 6. curve map of strain stress test (supervision)
2.2 泰州某工程项目中所进行的加固安全检(监)测中，采用了静力水准仪丶双向倾斜仪和位移传感器和直贴式电应变计和 GPRS网络数据采集系统，分别检(监)测在切割中心柱时的沉降丶倾斜丶支撑应变(应力)和连梁跨中挠度等的长期检(监)测的应用技术，目前正在进行安全检(监)测之中，有关检(监)测结果，本文不作应用介绍。
3. 现代结构试验技术的创新和展望
随着我国改革开放不断深入发展的今天，国内外高新科技又随着信息网络化、5G大数据和人工智能化时代的到来，结构试验技术又将迎来了新机遇和新发展的大好时机，我们将迎头赶上这一新时代而努力投入工作，今后我们可将共同从下面几个方面共同努力。
3.1 国内外有关可供结构试验用传感器数据采集分析用部分厂商的简介，供同行选用参考！
3.1.1 美国NI国家仪器公司和泛华测控新推出的测试工程师标配MajorDAQ实现入门采集到专业的跨越.把传感器数据采
集分析向一站式解决对各类不同传感器信号的调理、采集、显示、分析、存储及回放等一系列需求，依托成熟的软硬件实现数据采集、记录和分析
3.1.2 上海邑成测试设备有限公司，该公司是在上海组建的高科技仪器服务企业，主要致力于针对土木工程(结构、桥梁、水电、环保等)几大领域的结构与力学性能检(监)测，引进世界上先进的传感器、数据采集与测试分析系统，并可提供专业的测试系统的咨询与完善的测量解决方案，又可以提供项目检测测试和仪器租赁服务，是与用户的良好的合作伙伴。
3.1.3 又 如国内江苏DH和TST公司也作出了研发、制造、服务的一条龙服务理念为用户的结构试验作出了一定贡献，新成立的泰之特物联科技股份有限公司，走业内领先的无线智能传感器、监测云服务平台及解决方案提供商之一，该公司专注于为用户提供无线智能传感系统和云数据服务帮助用户快速部署、管理、运营自己的物联网应用系统及业务，是基于物联网(传感网)的结构状态与安全、监测方案设计、产品研发、生产销售，系统集成和云计算服务的一体的高科技公司。
3.1.4 溧阳市伟涵仪器厂与超源仪器厂等采取高新科技，本着用户致上，实行各厂、之间强强合作优势互补，为广大用户提供了从传感器信号的淍理、采集、显示、分析直到试验报告的一次成功，尤其是伟涵仪器厂开发出GPRS无线网络不仅可现場进行而且可在各自办公室进行测控结构试验，变由一人测控，而且可由多人同时观察了介试验进展情况，来共享测试数据的成果，从而推动和实现结构试验与检测技术信息化网络化智能化便捷化方向的快速发展。由于该网络具有极好的信价比，应该在结构试验技术开发应用中值得加以推广！
3.1.5 北京东方振动和噪声技术研究所，提出了把试验室拎着走的新理念，并把测量、分析评估和解决成为一条龙服务这也是我们从事结构试验的教学科技人员的福音。
3.2 进一步加强各研究院所和大中专院校与专业生产厂商紧密合作走产丶学丶研丶用的发展道路，紧跟新时代的大潮头，齐心合力共同努力开创结构试验的高新发展，每二年一届的土木工程结构试验与检测技术暨结构实验教学研讨会，是一个极好的型式，通过技术交流，把各院校在结构试验和测试技术方面的创新成果分享推广应用是一个创举，应加以总结和不断提高，建议把研讨会一届又一届的继续传承下去，并努力办出更高更好的水平！【仪多多网www.ydd17.com授权发布】
参考文献
[1] 李炳生,汤海林,张其林,结构试验与加载检测技术的发展及其应用, 同济大学土木 工程学院，同济大学结构工程师,2011年增刊69-75页.
[2] 李炳生，陈爱忠，洪伟，大型结构工程长期检(监)测的试验研究与探索，第五届土木工程结构试验与检测技术暨结构实验教学研讨会论文集2016.07,68-72.
[3] 李炳生，陈爱忠，洪伟，现代电阻应变计、应变传感器与测试分析系统在结构试验中的应用和创新，第五届土木工程结构试验与检测技术暨结构实验教学研讨会论文集2016.07;60-67.
[4] 上海邑成测试设备有限公司，产品与服务综合目录2018.03.
[5] 测控技术2018年4月第37卷.
[6] 江苏泰斯特电子设备制造有限公司，产品指南.泰之特物联科技股份有限公司产品指南.2018.02.
[7] 江苏省溧阳市超源仪器厂产品指南[Z].溧阳市超源仪器厂，2016.04.
[8] 江苏省溧阳市伟涵仪器厂产品指南[Z].溧阳市伟涵仪器厂，2018.06.
[9] 北京东方振动和噪声技术研究所，测控技术2018年4月第37卷.(插3)
[9] 北京东方振动和噪声技术研究所，测控技术2018年4月第37卷.(插3).
[10] YBY-2001型应变测试分析系统使用说明书[Z]，江苏省溧阳市伟涵仪器厂，2016.06.(第3版)
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