專利名稱：模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)及其測試方法，可在水電、交通、 能源、資源和國防工程領域的地下工程模型試驗中實現(xiàn)模型位移測量的數(shù)字化、可視化和智能化。
背景技術：
在水電、交通、能源、資源和國防工程領域的地下工程中，隨著埋藏深度的增加，深部洞室?guī)r體在高地應力條件下，洞室圍巖的結構、力學特性和工程響應出現(xiàn)了分區(qū)破裂、大變形、沖擊破壞等一系列新的特征科學現(xiàn)象，針對這些特征科學現(xiàn)象，一方面要借助理論研究，另一方面，更多地要借助模型試驗手段進行研究。要進行模型試驗，就必須具備高效、穩(wěn)定的模型位移測試系統(tǒng)，目前國內相關模型試驗模型位移測試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下申請?zhí)枮?00810138973的中國專利公開了一種用于地質力學模型試驗的微型內置懸臂梁式位移計，包括彈簧片、鋼絲繩、應變片等，鋼絲繩的兩端分別連接彈簧片上端和模型內部測點。該位移測量裝置無法數(shù)字化自動測量模型位移。申請?zhí)枮?00820187742的中國專利公開了一種模型試驗的柔性傳遞式內置微型多點位移測試系統(tǒng)，其包括臺架、位移傳感器、鋼絲繩、信號轉換裝置。該位移測量系統(tǒng)無法數(shù)字化自動測量模型位移。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)及其測試方法，其可實現(xiàn)模型位移自動測量的數(shù)字化、可視化和智能化。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案—種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，包括設置于模型體內的若干位移傳遞單元，每個位移傳遞單元均通過高強鋼絲桿與模型體外的位移測量單元相連，位移測量單元通過傳輸電纜與信號轉換單元相連，信號轉換單元通過傳輸電纜與數(shù)據(jù)處理單元相連，數(shù)據(jù)處理單元通過傳輸電纜與可視化人機交互界面相連。所述位移傳遞單元是外部帶定位套管的高強鋼絲桿，高強鋼絲桿前段連接錨頭測點。位移傳遞單元置于模型體內，用于將模型體內各部分產(chǎn)生的位移傳遞至模型體外的光柵尺位移傳感器。所述位移測量單元采用高精度光柵尺位移傳感器測量位移。光柵尺位移傳感器將模型位移轉化為脈沖信號并傳送至信號轉換單元。該脈沖信號為TTL電平信號，其脈沖個數(shù)與模型位移量對應，符合正比例關系。S = K*N。(S:位移量。K:光柵尺精度。N:脈沖個數(shù)。)所述信號轉換單元采用信號轉換電路板。信號轉換單元將接收到的TTL電平信號處理轉換為數(shù)據(jù)處理單元能夠識別的PNP型正邏輯信號，用于數(shù)據(jù)處理。所述數(shù)據(jù)處理單元采用可編程序控制器，它是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設
3計的數(shù)字運算操作的電子裝置，它將預先編制好的程序存儲在中央控制單元的內存中，負責將信號轉換單元輸出的脈沖個數(shù)記錄下來，并通過公式S = K*N計算出模型位移量。所述可視化人機交互界面采用工控機。將得到的模型位移在可視化人機交互界面系統(tǒng)上進行實時存儲和顯示，并生成位移時程曲線，供試驗人員實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型位移。一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試方法，其特征在于，包括以下步驟A.通過高精度光柵尺位移傳感器測量得到模型體位移后，輸出脈沖個數(shù)與位移量成正比的脈沖信號；B.信號轉換單元接收步驟A的脈沖信號并處理轉換為可識別的正邏輯信號，通過傳輸電纜傳輸給數(shù)據(jù)處理單元；C.數(shù)據(jù)處理單元接收步驟B的正邏輯信號并統(tǒng)計脈沖個數(shù)，計算得到模型位移數(shù)據(jù)；D.將步驟C的模型位移數(shù)據(jù)實時記錄和存檔，通過系統(tǒng)自動生成模型位移時程曲線，試驗人員在可視化人機交互界面系統(tǒng)上實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型內部位移發(fā)展狀況。本發(fā)明包括位移傳遞單元、位移測量單元、信號轉換單元、數(shù)據(jù)處理單元和可視化人機交互系統(tǒng)。位移測量單元測量得到模型體位移后，輸出其脈沖個數(shù)與位移量成正比的脈沖信號。信號轉換單元將脈沖信號處理轉換為可識別的正邏輯信號，由數(shù)據(jù)處理單元統(tǒng)計出脈沖個數(shù)，從而計算得到模型位移，并在可視化人機交互界面系統(tǒng)上進行實時存儲和顯示，同時自動生成模型位移時程曲線，供試驗人員實時動態(tài)觀察、監(jiān)控模型位移。模型位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)可實現(xiàn)模型位移量測的數(shù)字化、可視化和智能化。本發(fā)明與國內外同類型的位移測量系統(tǒng)相比具有如下顯著的技術優(yōu)勢(1)通過數(shù)字化測量技術，克服了以往靠人工手動記載數(shù)據(jù)的缺點，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳识?，實現(xiàn)了模型位移自動測量的數(shù)字化、可視化和智能化。 (2)通過可編程控制器，實現(xiàn)模型內部任意部位多點位移的同時采集，可實時動態(tài)監(jiān)控模型內部的變形發(fā)展，對模型洞室變形情況進行動態(tài)追蹤監(jiān)測。(3)通過程序控制的人機交互界面系統(tǒng)，可快速方便地獲得模型位移時程曲線、并對采集的位移數(shù)據(jù)進行實時記錄和存檔，達到高效、快捷、精準、直觀進行模型位移測量的目的。(4)該系統(tǒng)可廣泛應用于水電、交通、能源、資源、國防等工程領域的結構模型試驗研究，應用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。


圖1是模型位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)原理圖；圖2是模型位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)構成圖。圖中1-光柵尺位移傳感器；2-位移傳遞單元；3-模型體；4-信號轉換單元； 5-數(shù)據(jù)處理單元；6-可視化人機交互界面；7-傳輸電纜。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
如圖1、2所示，一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，包括位移傳遞單元2、位移測量單元、信號轉換單元4、數(shù)據(jù)處理單元5和可視化人機交互界面6。位移測量單元采用高精度光柵尺位移傳感器1，其測量得到模型體位移后，輸出脈沖個數(shù)與位移量成正比的脈沖信號。信號轉換單元4接收脈沖信號并處理轉換為可識別的正邏輯信號后通過傳輸電纜 7傳輸給數(shù)據(jù)處理單元5，由數(shù)據(jù)處理單元5統(tǒng)計出脈沖個數(shù)，從而計算得到模型位移，并在可視化人機交互界面6上進行實時存儲和顯示，同時自動生成模型位移時程曲線，供試驗人員實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型位移。模型位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)可實現(xiàn)模型位移量測的數(shù)字化、可視化和智能化。位移傳遞單元2是外部帶定位套管的高強鋼絲桿，高強鋼絲桿前段連接錨頭測點。位移傳遞單元2置于模型體3內，用于將模型體3內各部分產(chǎn)生的位移傳遞至模型體 3外的光柵尺位移傳感器1。光柵尺位移傳感器1將測量得到的模型位移轉化為脈沖信號以便傳送至信號轉換單元4。該脈沖信號為TTL電平信號，其脈沖個數(shù)與模型位移量對應， 符合正比例關系。S = K*N。(S:位移量。K:光柵尺精度。N:脈沖個數(shù)。)信號轉換單元4采用信號轉換電路板。信號轉換單元4將接收到的TTL電平信號處理轉換為數(shù)據(jù)處理單元5能夠識別的PNP型正邏輯信號，用于數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理單元5采用可編程序控制器，負責將信號轉換單元4輸出的脈沖個數(shù)記錄下來，并通過公式S = K*N計算出模型位移量?？梢暬藱C交互界面6采用工控機，將得到的模型位移在可視化人機交互界面系統(tǒng)上進行實時存儲和顯示，自動生成位移時程曲線，供試驗人員實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型位移。一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試方法，包括以下步驟A.通過高精度光柵尺位移傳感器測量得到模型體位移后，輸出脈沖個數(shù)與位移量成正比的脈沖信號；B.信號轉換單元接收步驟A的脈沖信號并處理轉換為可識別的正邏輯信號，通過傳輸電纜傳輸給數(shù)據(jù)處理單元；C.數(shù)據(jù)處理單元接收步驟B的正邏輯信號并統(tǒng)計脈沖個數(shù)，計算得到模型位移數(shù)據(jù)；D.將步驟C的模型位移數(shù)據(jù)實時記錄和存檔，通過系統(tǒng)自動生成模型位移時程曲線，試驗人員在可視化人機交互界面系統(tǒng)上實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型內部位移發(fā)展狀況。
權利要求
1.一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，其特征在于，包括設置于模型體內的若干位移傳遞單元，每個位移傳遞單元均通過高強鋼絲桿與模型體外的位移測量單元相連，位移測量單元通過傳輸電纜與信號轉換單元相連，信號轉換單元通過傳輸電纜與數(shù)據(jù)處理單元相連，數(shù)據(jù)處理單元通過傳輸電纜與可視化人機交互界面相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，其特征在于，所述位移傳遞單元是外部帶定位套管的高強鋼絲桿，高強鋼絲桿前段連接錨頭測點，位移傳遞單元用于將模型體內各部分產(chǎn)生的位移傳遞至模型體外的光柵尺位移傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，其特征在于，所述位移測量單元采用高精度光柵尺位移傳感器測量位移，光柵尺位移傳感器將模型位移轉化為脈沖信號并傳送至信號轉換單元，該脈沖信號為TTL電平信號，其脈沖個數(shù)與模型位移量對應， 符合正比例關系，即S = K*N，其中，S 位移量，K 光柵尺精度，N 脈沖個數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，其特征在于，所述信號轉換單元采用信號轉換電路板，信號轉換單元將接收到的TTL電平信號處理轉換為數(shù)據(jù)處理單元能夠識別的PNP型正邏輯信號，用于數(shù)據(jù)處理。
5.根據(jù)權利要求1所述的模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元采用可編程序控制器，它將預先編制好的程序存儲在中央控制單元的內存中，負責將信號轉換單元輸出的脈沖個數(shù)記錄下來，并通過公式S = K*N計算出模型位移量。
6.根據(jù)權利要求1所述的模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)，其特征在于，所述可視化人機交互界面采用工控機，將得到的模型位移在可視化人機交互界面系統(tǒng)上進行實時存儲和顯示，并生成位移時程曲線，供試驗人員實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型位移。
7.一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試方法，其特征在于，包括以下步驟A.通過高精度光柵尺位移傳感器測量得到模型體位移后，輸出脈沖個數(shù)與位移量成正比的脈沖信號；B.信號轉換單元接收步驟A的脈沖信號并處理轉換為可識別的正邏輯信號，通過傳輸電纜傳輸給數(shù)據(jù)處理單元；C.數(shù)據(jù)處理單元接收步驟B的正邏輯信號并統(tǒng)計脈沖個數(shù)，計算得到模型位移數(shù)據(jù)；D.將步驟C的模型位移數(shù)據(jù)實時記錄和存檔，通過系統(tǒng)自動生成模型位移時程曲線， 試驗人員在可視化人機交互界面系統(tǒng)上實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型內部位移發(fā)展狀況。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)及其測試方法，包括位移傳遞單元、位移測量單元、信號轉換單元、數(shù)據(jù)處理單元和可視化人機交互界面系統(tǒng)。位移測量單元與模型相連，當模型體產(chǎn)生位移時，位移測量單元將輸出脈沖個數(shù)與位移量成正比的脈沖信號。輸出的脈沖信號由信號轉換單元接收并處理轉換為可識別的正邏輯信號后，傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元通過統(tǒng)計脈沖個數(shù)而計算模型位移。模型位移最后在可視化人機交互界面系統(tǒng)上進行實時存儲和顯示，自動生成模型位移時程曲線，供試驗人員實時動態(tài)觀察和監(jiān)控模型位移。模型試驗位移數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)及其測試方法可在水電、交通、能源、資源和國防工程領域的地下工程模型試驗中實現(xiàn)模型位移自動量測的數(shù)字化、可視化和智能化。
文檔編號G05B19/04GK102322791SQ20111020432
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權日2011年7月21日
發(fā)明者劉健, 張強勇, 張魯春, 李術才, 段抗, 蔡兵, 賈超, 陳旭光 申請人:山東大學