土木工程测试技术 教学课件 ppt 作者 赵望达

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1、电话：13974814968,Email:,目录 第一章 绪论 第二章 测试技术传感器基础 第三章 混凝土测方法 第四章 混凝土缺陷的超声检测探伤及声发射诊断 第五章 混凝土测温技术 第六章 应变测量及应用 第七章 超声检测仪及智能超声检测仪开发技术 第八章 土木工程测试数据处理方法 第九章 土木工程测试应用实例,1.1 土木工程测试技术概述 1.2 土木工程测试技术体系结构 1.3 无损检测技术发展趋势 1.4 神经网络在土木工程测试中的应用,第1章 绪论,第1章 绪论,1.1 土木工程测试技术概述 1.课程涉及的学科 土木工程：桥梁、隧道、结构、岩土、铁路、防灾、消防等 机械工程 信息学科

2、：自动化、电子工程、计算机技术、人工智能电路与系统（信号处理)等,2.课程的数学与信息技术基础 统计分析理论：回归分析、关联分析、支持向量机（SVM） 灰色系统理论 小波分析：故障诊断、图像识别和重构 模糊数学 神经网络：BP、RBF、CMAC 遗传算法：免疫遗传算法 软测量技术 数据融合（信息融合）,1.2 土木工程测试技术体系结构 1、智能传感器技术 智能传感器（intelligent sensor）是具有信息处理功能的传感器 智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力 智能传感器是传感器集成化与微处理机相结合的产物 2、先进无损检测技术 无损检测是在不损伤材料和成品的条件下研

3、究其内部和表面有无缺陷的手段 无损检测技术在很大程度上是一种信息技术，它是一个获取信号、提取信 息、导出结论的过程 3、先进信息处理技术 信息处理技术是指用计算机技术处理信息，计算机运行速度极高，能自动处理大量的信息，并具有很高的精确度,1.3 无损检测技术发展趋势,1.3.1无损检测技术国内外发展概况 国际： 20世纪30年代，人们开始探索和研究混凝土无损检测技术 1948年瑞士人施密特(E.Schmid)研制成功回弹仪 1949年加拿大的苹斯利(Leslie)等运用超声脉冲进行混凝土检测获得成功 60年代罗马尼亚的费格瓦洛(I.Facaoaru)提出超声回弹综合法。 国内： 技术规程 回弹

4、法检测混凝土抗压强度技术规程JGJ/T23-92) 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程(CECS02-88) 后装拔出法检测混凝土强度技术规程(CECS69-94) 超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS02-90),1.3.2 无损检测技术的应用 无损检测技术可直接检验结构物的混凝土强度、缺陷及其他物理力学性能指标，可以确保结构质量，节约材料，提高劳动生产率和加快施工进度 特别适用于确定不利条件(火灾、冰冻、超载、地震、各种化学介质的侵蚀等等)下混凝土的损害程度，研究和评价同一试样随时间而变异的各种能，在这些方面，无损检测方法的优越性较传统的破损检测方法更为突出 已成为工程事故的检测和分析

5、手段之一，而且正在成为工程质量控制和构筑物使用过程中可靠性监控的一种工具 伴随着电子技术的不断进步，仪器处理能力得到提高，模糊聚类分析、神经网络甚至人工智能等先进的数据处理手段将得到更广泛的应用，使其能进行快速的、大量信息的处理，使检测结果更加可靠、检测水平不断提高,1.3.3 无损检测技术的分类和特点 按检测目的，无损检测方法分为四类： （1）检测结构、构件混凝土强度值； （2）检测结构、构件混凝土内部缺陷（如裂缝、孔洞和不密实区、结合面质量、损伤层等）； （3）检测几何尺寸（如钢筋位置、保护层厚度、板面或墙面厚度等）； （4）结构混凝土强度质量的匀质性检测和控制； 按检测对结构、构件是否造

6、成破损分为： （1）非破损检测方法 回弹法、超声法、超声-回弹综合法、磁测法、电测法、电磁法等。 （2）半破损检测方法 钻芯法、拔出法、射钉法、拔出法等。,无损检测技术的主要特点有： 非破坏性 随机性 远距离探测 间接性 现场检测等 总结：无损检测技术检测数据可连续性采集，并通过数理分析和逻辑判断，能够比较准确地推定出工程质量的状况,1.3.4 无损检测的发展动向 （1）检测仪器逐步向高、精、尖方向发展。 （2）传感系统越来越多样化 （3）无损检测系统正朝着专用化、小型化、一体化、集约化的趋势发展 （4）无损检测结果评定 按国家标准GBJ107-87（试件、试块） 以统计方法为基础的抽样评定法

7、则 （5）缺陷检测判断依据 概率法判据 PSD判据（斜率与差值乘积） 湖南大学吴慧敏教授提出 NFP判据（多因素概率法） 多因素模糊综合判据,1.4 神经网络在土木工程测试中的应用 人工神经网络（Artificial Neural Networks，简写为ANNs）也称为 神经网络（NNs）或称作连接模型（Connection Model），它是一 种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数 学模型。 1.4.1 神经网络在土木工程中应用的可行性 神经网络的特点： 1）分布式存储信息：网络结构和连接权 2）自适应性：自学习、自组织、泛化和训练 3）并行性：每一神经元独立，各神经

8、元并行处理 4）联想记忆功能 5）自动提取特征参数 6）鲁棒性（容错性）,土木工程应用可行性分析： 1）专家系统成为工程设计中必不可少的工具，但系统存在一些缺陷，神经网络的上述特点正好可阶级解决这些问题； 2）在损伤诊断中通过损伤模式匹配和特征参数的自动提取来成立复杂的非线性、不确定性问题。 1.4.2 神经网络在土木工程中的应用领域 神经网络在土木工程中的应用领域主要包括： 1）结构分析与初步设计 2）结构优化设计 3）结构损伤检测和诊断 4）结构控制 5）科学决策 6）结构材料与本构关系 7）回归分析,1.5 课程在土木工程中的地位 （1）土木工程防灾与安全学科群的概念 以防灾减灾工程及防

9、护工程学科为核心二级学科，此外还包括边缘交叉学科消防工程二级学科以及桥梁与隧道工程、结构工程和岩土工程等土木工程领域传统的优势学科的安全与防灾研究方向。 （2）课程由来及发展 结构损伤测试技术（硕士）结构损伤测试与诊断（博士）土木工程测试技术（大土木工程专业）。1998年防灾减灾工程及防护工程硕士点成立以来，一直是该专业的学位课程，包括其后设立的消防工程专业所有硕士、博士以及工程硕士的培养方案都列入了该课程。 （3）课程建设的目标 针对大土木工程专业，今年新修订的研究生培养方案即是按此目标 实行。,参考教材历史： 【1】吴慧敏编.结构混凝土现场检测新技术-混凝土非破损检测第二版，湖南大学出版社

10、，1998 【2】新编混凝土无损检测技术编写组.新编混凝土无损检测技术（应用新规范），中国环境工业出版社，2002 【3】姜绍飞.基于神经网络的结构优化与损伤检测.科学出版,2002 【4】刘君华.智能传感器系统.西安电子科技大学出版社, 1999,第二章 智能传感器技术基础 2.1传感器的基本原理 2.2智能传感器的特性 2.3无线传感器网络 2.4 传感器在土木工程测试领域的应用 2.5 测试计算机型式 2.6 传感器与物联网,2013.10,第二章 智能传感器技术基础,2.1传感器的基本原理,2.1.1 传感器的定义 传感器：Sensor / Transducer 能感受规定的被测量并按

11、照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。,2013.10,第二章 智能传感器技术基础,2.1传感器的基本原理,2.1.1 传感器的定义 定义包含了下面四个方面的含意： （1）传感器是测量装置，能完成信号获取任务;（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； （3）它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量； （4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确度。,2013.10,K型温度热电偶,压差传感器,2013.10,2.1.2传感器的结构,（1）敏感元件：指传感器中能直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一

12、物理量的部件；,2013.10,（2）传感元件：指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部件 （3）转换电路：指由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式，这一部件般称为测量转换电路。,2013.10,2.1.3 传感器的应用模式 人们通常把传感器的应用划分为三种系统类型，分别是测量系统、开环控制系统和闭环控制系统。,2013.10,2013.10,2.2 智能传感器的特性,2.2.1 智能传感器概述 美国宇航局Langleg研究中心的Breckenridgc和Husson等人认为智能传感器需要具备下列条件： 1）由传

13、感器本身消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息； 2）具有信号处理（例如包括温度补偿、线性化等）功能； 3）随机整定和自适应； 4）具有一定程度的存储、识别和自诊断功能； 5）内含特定算法并可根据需要改变。,2013.10,2013.10,2013.10,2013.10,智能传感器的特点 ：（1）使用简单 （2）易于维护 （3）精确 （4）适应性 智能传感器的应用价值 ： （1）使应用设计更简单。 （2）使应用成本更低。 （3）可以将精力集中在传感器侧的品质保障方面，不用向从前须为客户提供大量的辅助设计。 （4）客户可以采用平台技术，进行跨行业应用。 （5）搭建复合传感。 （

14、6）通用的数据接口允许第三方客户开发标准的支持设备，帮助客户或传感器工厂完成新产品的设计。,2013.10,2013.10,2.3无线传感器网络 2.3.1 ZigBee无线通信协议 包括MAC层、路由、网络层、应用层等，其完整框图如下：,2013.10,2.3.2 无线传感器的特点 （1）抗干扰能力强；（2）安装使用方便；（3）超低功耗；（4）超强的设计能力，完全的自主知识产权，可按应用定制产品 2.3.3无线传感器网络的组成概述 无线传感器网络由传感器节点、网关、网络协议、计算机采集处理软件等组成。,2013.10,2.3.4无线传感器网络节点 分类： 外接传感器；内置传感器；无线加速度节

15、点；无 线应变节点；无线温度、湿度节点。 原理框图:,2013.10,2.3.5无线基站（网关） 接收传感器节点的数据，输入计算机分析存储；USB，以太网口，串口标准接口；INTERNET，GPRS/CDMA等远程传输；GPS绝对时间同步；多个基站同时使用，扩展带宽。,2013.10,2.3.6无线传感器节点采集控制软件 （1）界面友好的WINDOWS采集控制软件； （2） 同时支持各种类型传感器节点； （3）节点采集到的数据实现实时显示，分析和存储；UFF，CSV或其他通用文件格式输出； （4） LABVIEW接口； （5）校准数据等信息写入传感器节点； （6）通讯质量，电池能量监测； （7

16、）无线节点内部程序升级； （8）节点内部数据高速下载。,2013.10,2.3.7无线传感器在土木工程测试领域的应用 （1）桥梁建筑物模态振动，应变，位移，温度测量； （2）结构静态应变，位移测量； （3）振动常规测量（飞机落振，汽车摩托车路面实验，包装跌落实验，火炮旋转震动测量，车辆舒适度测量）； （4）旋转机械扭距，应变测量； （5）混泥土浇灌温度监测；,2013.10,（6）航空发动机温度，扭矩，应变测量； （7）地震监测； （8）建筑物结构在线监测； （9）工业机械结构在线监测； （10）粮仓温度湿度监测； （11）电力传输线温度监测； （12）石油管道监测； （13）运输实验等等。,2013.10,2.4 土木工程测试传感器应用 2.4.1 DS18B20智能传感器在混凝土桥梁施工时温度应力监测中的应用 （1） DS18B20智能传感器工作原理,2013.10,2013.10,DS18B20温度测量原理是通过计算门开