提高工程检(监)测质量的研究与探索

提高工程检(监)测质量的研究与探索

                   李炳生¹  陈爱忠²  洪 伟³                     

(1 同济大学 2 溧阳市超源仪器厂 3 溧阳市伟涵仪器厂)

摘要:  随着我国改革开放四十多年和国民经济的迅猛发展下，大量的新结构、新材料和绿色装配式新工艺的建设工程，如雨后春笋般的拔地而起，层出不穷的高层、超高层，大跨度桥梁和超大型体育场馆及特大型展馆，普及全国城乡的高铁和轻轨、地下管廊、隧道、矿冶、水电、航空、航天和船舰工程大量发展，尤其是对于既有重大建设工程的改建和扩建，有的历史性建筑随着因城市发展而需要整体移位搬迁，为确保新建和改扩建工程的施工安全和今后工程在运行过程中的长治久安的需要，在“人工智能”、“绿色建筑检测”“5G”、“大数据”、“互联网络”等高新科技的发展下，促使“无人试验”等新技术应运而生，随着我国各检(监)测机构的改革创新整合加速，智能化、规范化、专业化、市场化和社会化成为必然发展趋势。工程检(监)测质量则成为各项建设工程中的重中之重，并越来越受到广大科技检(监)测人员及国家计量检测部门和生产厂商的关注和重视,尤其是一大批科技检(监)测团队的积极参于，并热心投入到了各类工程的检(监)测之中，是确保各项建设工程的建设质量的生力军和可靠的保证！

关键词：工程检（监)测质量；传感器及其测试分析系统；；虚拟仪器;人工智能; 绿色建筑检测;5G;大数据;互联网;无人试验;“虚拟零点”

作者简介:

1李炳生 同济大学土木工程学院高级工程师(教授级)，长期从亊建筑结构试验的教学、科研和技术咨询。邮箱LBS101313@126.com

2.  陈爱忠 溧阳市超源仪器厂，厂长工程师

3.  溧阳市伟涵仪器厂，厂长工程师(联系作者)洪伟

引言

随着我国改革开放的进一步深化，各类建设工程的新建、改建、扩建、加固等一系列工程中，工程检(监)测质量的好坏，则成为各项建设工程中的重中之重，广大建设科技人员，针对如何进行工程检(监)测中，存在的一系列技术难题做出了各自的努力与贡献，在国內外大量高新科技创新大发展的大潮流中，提出了人工智能、大数据、5G、互联网、伩息自动化，绿色建筑检(监)测新时代已将到来，人们对检(监)测从初级的模拟化到数字化到虚拟仪器直到无线“无人试验”的新时代，将成为历史的需要和可能，本文就长期影响工程检（监）测的质量因素和工程应用实例，对如何提高工程检(监)测质量问题进行了研究与探索，希望能引起我国广大科研院所、大学、各省市计量院所，国家各检(监)测(站)等单位，对工程检(监)测质量的重视和关注，供正在或今后拟进行工程检（监）测试验研究与探索的同行们，共同研究探索和分享！

1 工程检（监）测质量的研究内容

1-1影响工程检（监）测质量的几个主要技术难题

1-1-1 环境的影响，如耐湿和防水性能，有的还需要埋入混凝土内部，或有一 定耐压水下中工作；

1-1-2 适应气温变化范围大，一般为-30—80度，甚至在几百度高温下；

1-1-3 抗电磁波、强电磁场及微电磁波干扰，甚至核福射能力；

1-1-4 静态测试的长年稳定性(重复性)和动态测试的疲劳寿命；

1-1-5 抗风性能如风振、风压和风速等。

1-2 如何解决工程检（监）测质量中存在的技术难题

1-2-1 首要是对传感器的正确选用

1-2-1-1必须具有长期稳定性和重复性好的由专业厂生产的优 质产品，如有智能型或复合型产品则更 好，如应变与温度复合；

1-2-1-2 必须具有极高的输出灵敏系数，又要有合适的量程范围；

1-2-1-3 必须具有超低的频率响应和合适的动态范围，如从0.001-100kHz；

1-2-1-4 防护等级要高，如Ip67乃至在深水压力下;

1-2-1-5 可适用工程检（监）测用传感器的应用举例

可适合用于工程(尤其是长期)检（监）测传感器品种、规格、用途多样，从目前国内外大致有如下三种应变传感器比较通用，现分别介绍如下

1-3-1 振弦应变传感器

它基本原理是选用优 质金属线材，固定在传感器两端点处，并给予一 定的予拉力，然而当由专用频率测试仪，发出一个电磁信号，使振弦产生一个激振力，从而促使振弦应变传感器产生频率信息变化，再由专用频率测试仪，接收并用专用软件以传感器出厂时标定系数及计算公式，加以采集显示或由计算机，进行存储及打印记录，测取应变、压力和位移等有用参数。科技人员很早就把它应用在地基基础和钢筋砼表面或内部作应变测试传感器之一，国内外有关振弦应变传感器规格甚多，如选用优 质产品，则可使用在长期检（监）测之中，因此种产品使用时间较长，如在地下工程检（监）测之中，在普通检测工程中，应用也较普及，其优点是不受连接电缆电阻值影响，又可仅用单个采集仪，分别测定几个到数十个测点，为此信价比较好，目前在频率测试仪上，同时做成多通道进行自动测试记录，由于生产厂商提高了频率测试分辨率（如可达0. 01Hz），增加了专用分析软件，从而测试精度和自动化水平有所提高，但它主要的不足之处，是因为由于它的基本原理所定，只能进行静态测试，而不能进行动态测试，从而也影响限制了此种传感器的大量推广和应用的可能;

1-3-2 电阻应变传感器

它的基本原理是，首先采用粘贴在传感器受力弹性元件上的，由专业工厂制造的低蠕变温度自补偿金属丝式电阻应变计的电阻效应，即如（1）式表示：

R=ρL/F                   （1）

式中：  R——金属丝栅的电阻值（Ω）；

ρ——金属丝栅的电阻率（Ω/mm²/m）；

L——金属丝栅的长度（m）；

F——金属丝栅的横截面面积（mm²）。

再利用电阻应变计灵敏度系数K值，来实现非电量的相对应变量（ε）转换成为电阻量的相对变化量之比的关系式，如（2）式表示：

K=（△R/R）/（△L/L）       （2）

式中：K——电阻应变计的灵敏系数；

△R/R——电阻应变计电阻与相对变化的电阻之比；

△L/L——被测试件受力后的相对变化量即ε。

利用电阻应变电桥的桥臂和桥臂加减特性，把非电量的应变量，转换成为电压信号输出，其电阻应变电桥工作原理参见图1所示。

图1  电阻应变传感器应变电桥工作原理图

图中：

R₁，R₂，R₃和R₄——电阻应变电桥的4个桥臂电阻（Ω）；

u——电桥供桥电压（V）；

u——电桥输出电压（mV）。

可得出电阻应变电桥的电压输出关系式

如（3）式所示：

△u=uK（ε₁－ε₂＋ε_3－ε₄）/4       （3）

式中：u——电桥供桥电压V；

ε₁，ε₂，ε₃和ε₄——电桥4个桥臂相对应变；

K——电阻应变计的灵敏系数。

当传感器采用全桥接法时，又根据贴片在弹性体上的受力机理，在已知ε₁=ε₂=ε₃=ε_4，且绝 对值相等条件下，即其电压输出值△u为：

△u=uKε                        （4）

电阻应变传感器，就是充分利用上述（1）~（4）式的相关关系，可分别计算出其输出灵敏系数(Kn)比半桥独立补偿电桥提高了2倍、2（1+μ）倍或4倍，且温度又得到了自动补偿的目的。

各种电阻应变传感器的成功研制和批量工厂化生产，彻底改变了已有80多年历史传统的电阻应变计，只能使用一次和不能直接使用在环境条件恶劣的情况下，例如由同济大学经过多年研发，江苏省溧阳市超源仪器厂生产的GBY型表面或HNY型砼内部应变传感器，就具有极高的输出灵敏系数(如s=10000με/mm)，又有合适的量程范围(+-0.5mm) ，如当标距L=100mm时，其测试灵敏系数与直接粘贴式电阻应变计所测应变相等, 在设计制造应变传感器时，充分利用应变电桥的桥臂系数(Kn)及温度自补偿技术，在加工时采用了严格的加工工艺，并经过对传感器元器多重老化和二次密封技术(如在传感器内充中性油)，再经过严格的出厂标定工序，我们选择了不同规格成品，其中把HNY型砼内部应变传感器直接浸在水中，已进行了在室内常温的2000多天长期试验，均能保持良好的稳定性，认为它可具有良好的长期(年)稳定性和可靠性，当科技人员选用此种电阻应变传感器时，虽然一次性投入价格比单个电阻应变计偏大，但只要注意对传感器的正确使用和保护，如可以做到多次乃至无数次重复使用,再考虑到在工程现场直接粘贴电阻应变计的繁杂操作(试件表面处理粘贴电阻应变计粘贴接引出导线防潮密封等工序的繁复的强劳动作业) 再从人工安装的安全和成活程度的测试效果来讲，其信价比显得十分优良. 目前己有种类多样，性能优良的应变、拉压力、位移、倾角、温度、扭矩、速度和加速度等物理参量的电阻应变式传感器，可在各项工程检（监）测中的传感器产品之一，常用应变式传感器产品，请参见本文附录表1 常用工程传感器一览表所示。

1-3-3 光学应变传感器

它基本原理，是利用光纤光栅的光学应变计所制成的光学传感器，在被检测试件受力后，将会产生光学效应，用于应变测量是因为放射点的距离和由于应变导致的波长的改变. ，其变化可由光学应变计数据采集系统采集及由专用软件加以计算分析，由于光学测量技术的出现，目前它可由一根光纤可带13个光学应变计，单个光纤又可以处理多个测试点，它不受电缆长度影响，安装与使用，比传统的电阻应变计更方便和快速，又可适用于高电磁和爆炸等恶劣环境下工作，从而可降低安装和使用费用，由于上述优点，可获得从力、位移、应变、温度、扭矩、速度和加速度等物理参量的高精度和可靠的数据，由于光学测量技术的出现，又给工程检（监）测的试验研究提供了，全新理念的测试系统，值得今后不断加以总结、推广和应用！唯独目前光学应变计和光学应变计数据采集系统的价格十分昂贵，不是一般单位可轻易选用，相信在不久的将来，经过产、学、研、用的共同合作，不断的开发和创新，一 定会出现价廉物美的光学测量产品，应用在各类工程检（监）测之中。

1-4 重视信号放大(适配)器的选用，是确保工程检（监）测质量的又一个关键之一，一般需注意如下几点

1-4-1 对所选用不同原理组成的传感器时，应正确选用由不同信号放大(适配)器相完全匹配，此时同样需要优先选用长期稳定和重复性能好的信号放大(适配)器；

1-4-2 静态长期稳定性能好，又要考虑合适的动态响应范围，如0.01-100kHz或更大;

1-4-3 抗干扰性能好，尤其是对50Hz交流电场的干扰性，带有高低通或选频滤波功能更 好。

1-5 对数采和测试分析系统的选择要求如下

1-5-1 与选用组成系统的不同型号的传感器和信号适配器完全相匹配且兼容;

1-5-2 长期静态稳定性能好和合适的动态响应范围;

1-5-3 采集和分析软件功能齐全，具有边采、边存和边传输，优先选用具有远程测试和控制功能好的人工智能化网络技术，如带有GPRS无线网络。

1-5-4 测试分析系统应优先选用带有无线测试人工智能化网络技木！

从整个测试分析系统来讲，选用何种传输方法，应根据工程的检（监）测的试验目的和现场环境要求来定，有时候在施工期和营运期需要不同的数据传输模式。从目前科技水平来讲，市场上可供无线检测的测试分析系统，巳经有了多品种多规格给大家选用，如江苏东华测试科技股份有限公司、江苏泰斯特电子设备制造有限公司、江苏杨州晶明科技有限公司、江苏溧阳伟涵仪器厂等均已经有了静态、动静态和动态无线测试分析系统上市，在有条件的单位应优先选用技术先进的无线传输技木，因为它免去了传感器与适配器或适配器与数采和测试分析系统连接电缆之间的大量的布线和回收的工作量，再可以防止各种电子干扰信号的带入测试分析系统中，由江苏溧阳伟涵仪器厂生产的GPRS网络的开发应用，开创了把试验室试验打造成为无人试验的新时代，改变了人们习惯的试验遥传到各自的办公室成为现实，举世嘱目的上海中心大厦施工检(监)测和江苏泰州市文峰塔托換加固工程变形检(监)测试验，是选用无线测试技术或是选用无线测试技术和有线数据传输测试技术交替复用的典范，从而使有关工程检（监）测质量有了可靠保证和取得了好的应用效果。

有关传感器、放大器(适配器)和测试分析系统的基本组成，请参见本文附录表2所示。