CN104900116A - 一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台 - Google Patents

Abstract

一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，安装灵活简单，体型相对较小，方便拆卸，便于运输，并且能实时在线推演示范，达到工程结构的健康安全监测，精准有效地演示桁架结构、悬臂结构、框架结构等多种结构的荷载-响应变化如应力、应变、位移和加速度等，并演示系统组建的全过程，实时采集多传感器数据并通过列表、图表以及三维云图等多种方式实时显示，实时保存采集数据并实时导出，通过智能算法实现实时查看结构模型全模型荷载响应信息。包括软件和硬件，分为传感器系统、数据采集与处理系统、通信系统、安全评估系统，由：通信系统，计算机设备，数据线，传感器系统，传感器接线端子，通道串口，数据采集仪，数据采集与处理系统等构成。

Description

一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台

技术领域

本发明涉及工程监测演示平台，尤其是一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台。

背景技术

目前，1.结构荷载-响应变化是土木结构工程师和土木科研工作者关注的核心内容，关于结构荷载-响应变化的课程如结构健康监测和结构振动控制等课程是土木工程学科教学计划中非常重要的课程，而这类课程往往具有过于理论抽象、与实际工程相差较大等特点，理论研究相对枯燥且不够直观，不易被学习人员所理解掌握。又由于土木工程结构往往工程体型庞大，在现场演示结构荷载-响应变化系统比较困难，因为组织人员实地参观耗时耗力，且在土木施工现场不确定因素很多，很难保证参观人员的安全，如何能够很方便的使学习人员了解结构荷载-响应变化的全过程，并可以很好的解决，是本领域一项新的技术问题；

然而，研究结构荷载-响应变化往往需要掌握传感器选型与布置、传感器线路的连接、采集箱与传感器的通信、采集箱与电脑的连接配置，数据的同步实时采集显示等多方面因素，是一个十分繁琐且复杂的体系；直观的反应所采集的数据以及实现大数据量的同步采集并实时保存成为亟待解决的问题。

现有的结构演示系统多面向专业的技术人员，其中往往包含了很对的专业参数配置、专业的分析模块，给使用人员造成一定困扰。其实在实际操作的过程中，对于对结构荷载-响应变化并不是十分深入了解的人员来说，他们通常更加关心采集数据的时程以及是否操作设置的警戒值，而不关心一些基本参数的配置。

常规的结构监测系统只能够处理采集位置处的响应数据，对于其他杆件以及节点的荷载响应无法获得，而研究人员又往往需要知道更多的结构实时信息，以对结构的整体状态进行全方位的把握。布置更多的传感器以及使用更多采集通道的采集箱，既耗时耗力又不经济，工作效率低，使工程结构监测系统受限，是本领域进一步发展中的瓶颈，影响推广应用，不能满足市场和用户的需求。

鉴于上述原因，现有的结构监测系统需要改进、创新。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，安装灵活简单，体型相对较小，方便拆卸，便于运输，并且能实时在线推演示范，达到工程结构的健康安全监测，精准有效地演示桁架结构、悬臂结构、框架结构等多种结构的荷载-响应变化如应力、应变、位移和加速度等，并演示系统组建的全过程，实时采集多通道数据并通过列表、图表以及三维云图等多种方式对监测结果进行实时显示，实时保存采集数据并实时导出，通过智能算法实现实时查看结构模型全模型杆件荷载信息与全节点位移信息。

本发明为了实现上述的目的，采用如下的技术方案：

一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，包括软件和硬件，分为传感器系统、数据采集与处理系统、通信系统、安全评估系统，传感器系统可使用多种类型传感器如振弦式应变传感器、压电式加速度传感器等，数据采集与处理系统可以使用多种采集仪如振弦式应变采集仪、NI数据采集仪等，响应包括各种结构常见荷载响应如应力、应变、位移、加速度等，选择最优选例子对系统进行说明，系统由：通信系统1，计算机设备2，数据线3，传感器系统4、传感器接线端子5，通道串口6，数据采集仪7，数据采集与处理系统8、待测工程结构实体模型9，杆件节点板10，工程结构连接杆件11，振弦式应变计12，通信电缆13，传感器安装块14，传感器线圈15，USB端口16构成；待测工程结构实体模型9上设置传感器系统4，传感器接线端子5的信号输入端端口一侧由通信电缆13连接工程结构连接杆件11，传感器接线端子5的信号输出端端口连接设置于数据采集与处理系统8信号输入端，数据采集与处理系统8的通道串口6一侧通过数据线3连接设置于通信系统1的USB端口16，通信系统1内设置安全评估系统，进行工程结构荷载-响应变化智能监测、模拟演示，实时监测并以合理的方式进行显示，将采集的所有数据实时保存，分析与使用。

所述待测工程结构实体模型9不限于钢桁架模型，可为悬臂结构、框架结构等，此最优选例子由40根工程结构连接杆件11与16个工程结构杆件节点板10通过螺栓连接成钢桁架结构，四个杆件节点板10之间对应设置四根工程结构连接杆件11构成400mm*450mm的长方形，长方形内两个对角杆件节点板10之间设置工程结构连接杆件11构成长方形连接单元，三个杆件节点板10之间对应设置三根工程结构连接杆件11构成直角三角形连接单元，两个长方形连接单元两侧各设置直角三角形连接单元构成桁架结构的等腰梯形侧面，所述等腰梯形侧面由八个对角杆件节点板10和十三根工程结构连接杆件11构成，两个等腰梯形侧面的上边设置五根工程结构连接杆件11构成桁架结构的上表面，两个等腰梯形结构侧面的下边设置九根工程结构连接杆件11构成桁架结构的下表面，桁架结构下方两侧设置一对方形支架支撑；

所述桁架结构的等腰梯形侧面、桁架结构的上表面、桁架结构的下表面、工程结构连接杆件11、杆件节点板10、桁架结构重要部位截面图、桁架结构接头示意图均采用二次开发的AutoCAD软件绘制；

所述待测工程结构实体模型9使用机械加工标准软件Catia建立，模型呈现结构的细部且与实际加工尺寸对应，将模型保存成stl格式导入Labview开发平台进行显示与查看。

传感器系统4由：振弦式应变计12，传感器安装块14，传感器线圈15构成；振弦式应变计12采用不锈钢制造的振弦式应变计传感器，精度与灵敏度误差低于0.12‰、防水性能和耐腐蚀性符合国家相关标准GB/T的要求，适应各种工程结构在重力、风、寒、暑外界条件下，四季长期监测结构的应变与温度变化；

数据采集与处理系统8由：数据采集设备如数据采集仪7、数据采集与处理系统软件构成；

数据线3采用RS232转USB数据线；

通信系统1采用计算机设备2。

工程结构连接杆件11上设置至少一对传感器安装块14，传感器安装块14之间设置振弦式应变计，振弦式应变计中部设置传感器线圈；

所述的传感器安装块14根据振弦式应变计12传感器两端之间的长度，与所需要测量工程结构连接杆件11的位置，焊接在相应的工程结构连接杆件11上，通过传感器安装块14将振弦式应变计12定位，之后使用传感器线圈15将振弦式应变计12与通信电缆13固定连接在一起；通信电缆13由专用四芯屏蔽电缆将应变频率信号和温度电阻信号传输到数据采集与处理系统8，使传输出的频率信号距离匹配通信电缆13的长度。

所述的数据采集仪7至少为8通道，可实现至少8个传感器接线端子5应变与温度数据的同步采集和实时传输，本发明预设的待测工程结构的荷载-响应结构，即健康监测演示平台使用其中至少4个通道，可根据待测工程结构的荷载-响应结构需要随机更改或者添加测量的通道数量。

所述的结构荷载-响应变化监测开发软件系统即根据待测工程结构的荷载-响应结构，由荷载-响应变化监测演示平台开发的结构荷载-响应变化监测软件，与数据采集仪7通过通道串口6进行通信，实时监测待测工程结构的荷载-响应结构相应位置的荷载响应，以列表与曲线图形两种方式对采集数据进行显示，并通过至少一种办公文本文件组件格式对采集数据进行导出管理；

通过编程开发的结构荷载-响应变化监测软件将三维模型进行集成，可在采集数据过程进行中实时查看三维模型，通过内置选项卡实现对三维模型的坐标轴和模型本身进行旋转、放大的编辑操作，也可根据对坐标轴颜色、模型颜色和背景颜色进行改变；通过内嵌的智能算法对待测工程结构实体模型9中没有布置振弦式应变计12传感器的工程结构连接杆件11，实时监测并显示应力值和节点的位移值，通过三维云图把握待测工程结构的荷载-响应结构的实时状态变化，随时查看历史数据比较，进行使用、记录、分析并管控。

一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台及其应用，传感器系统可使用多种类型传感器如振弦式应变传感器、压电式加速度传感器等，数据采集与处理系统可以使用多种采集仪如振弦式应变采集仪、NI数据采集仪等，响应包括各种结构常见荷载响应如应力、应变、位移、加速度等，结构形式不限于桁架结构，可以使用其他结构形式，如悬臂结构、框架结构等，选择最优选例子对系统进行说明，采集具体的工艺方法依次如下：

步骤1、使用AutoCAD软件查看已经有的结构平面模型，或者根据需要自制模型的AutoCAD平面图纸，对软件的尺寸以及结构细部进行详细查看并设定，了解模型的细节。

步骤2、使用Catia软件查看结构的立体三维模型，或者根据需要自制模型的Catia立体三维模型，将模型文件保存为stl格式，移至程序主目录下的“CADModels”文件夹中，即可对模型进行三维显示，参见图1所示。

步骤3、按照给出AutoCAD平面图纸的标准要求，进行加工，制作相应的40根钢杆、16个钢节点板与方形支撑钢架，按照AutoCAD平面图纸要求采用螺栓连接固定紧，将40根钢杆和16个节点板连接成桁架结构，之后使整个结构由两侧的方形钢支架支撑立于地面之上。

步骤4、在结构组集架立完成之后，采用焊接安装块的方式，根据传感器的长度与所需要测量杆件的位置在合适的位置将传感器安装块焊接在相应杆件的位置上。由于传感器体不能通过焊接电流，否则将造成传感器的损坏。所以，传感器的安装工作应在焊接工作进行完成后进行。安装块是成对安装的，其中带有锥尖形状固定螺钉17，焊接时表面应清理干净，并避免过热，否则会影响仪器的拆装。当焊接工作完成后，需要对安装块降温并去除里面焊渣，很重要的是需要检查两端块是否同心。之后将传感器穿入安装块的孔中，注意不要对传感器两端进行扭转或者拉压，否则会影响传感器精度。完成传感器安装后套上线圈并固定卡箍。将线圈卡在传感器中部，将卡箍套在线圈上并拧紧。操作需要先将传感器有槽的一端用螺钉固定，通过调节另一端螺钉，使传感器达到预期的初始读数，最后将螺丝拧紧固定，具体的传感器连接方式参见图2。振弦式传感器通常安装在结构上用于测量结构的应变，仪器与待测钢结构的温度膨胀系数相同，所以很少需要温度修正。当工程对精度要求较高时，通过传感器内置的温度传感器可同时监测安装位置的温度，演示平台同样会将每个时刻的温度实时显示。

步骤5、将通信电缆接入采集箱，采集箱中有8组端子即8个通道，每组端子配有5个芯，此发明中的结构健康监测演示平台使用的是振弦式传感器，所以需要按照振弦式传感器的方式进行通信电缆和每组端子的连接，振弦式传感器信号接入通道接线方式参见图3所示。在正常的连接状态下，振弦式传感器的黑与红可互换、绿与白可互换；当仅需要振弦温度计时，仅连接绿白即可。

步骤6、将RS232转USB数据线连接电脑和采集箱，通过RS232转USB数据线实现电脑与串口设备之间的连接并传输它们之间的信号，实现采集到的数据能够实时通过USB端口传输至计算机。当连接成功后，需要在计算机设备上调用“串口调试助手”检查串口状态，测试是否连接正常，发送简单命令，监测是否有返回值与返回值是否正常。

步骤7、计算机设备需安装windows7以上版本的操作系统，在完成计算机硬件设备连接后，需要下载或通过拷贝等方法，将相应驱动安装到计算机设备上，其中包括Labview2011以上版本，Visa模块和NI-DAQmx模块。

步骤8、打开计算机中的结构荷载-响应变化监测平台软件，对每个通道的基本参数进行设置：设备号码、通道号码、采集频率、材料系数、初始值以及警戒值；同时使用Labview开发平台软件，将数据采集部分通过调用串口模块，促使生产者与消费者循环开发，结构荷载-响应变化监测平台软件设有内置数据库，将数据实时保存起来，待程序调用以及后续导出使用；实时监测结构相应位置的荷载-响应变化及温度，并通过计算机设备由对应的窗口，将数据直观呈现出来进行分析、监测；结构荷载-响应变化监测平台软件通过导入三维坐标以及stl模型，将结构的三维模型导入结构荷载-响应变化监测平台软件，实时查看结构模型状态，通过内置选项对结构的三维模型坐标轴和模型本身，进行旋转放大等操作或演示，并通过计算机设备由对应的窗口将数据直观呈现出来，根据需要对坐标轴颜色、模型颜色和背景颜色进行改变操作；通过内嵌的智能算法对模型中没有布置传感器的杆件的应力值和结构中的节点位移，由对应的窗口进行实时显示，系统随机对任意抽取杆件的应力值与任何节点的位移值，进行实时查看监测，并将所有监测数据以报表的形式，通过至少由txt文件与excel文件两种格式进行数据导出及保存，导出及保存的文件待后续使用与分析；最后，系统通过三维应力云图对应的窗口，由三维云图全方位直观地显示结构的实时应力状态分布情况，进行实时监测，并由计算机设备得到结构的全局信息。

下面将结合所附图片对本专利发明提供的结构荷载-响应变化监测演示平台进行详细说明以及对使用此结构荷载-响应变化健康监测演示平台的方法进行详细说明。这里做以说明，为了使实施的例子更易于被理解且被应用，选择的实例为最优选例子，其传感器系统可使用多种类型传感器如振弦式应变传感器、压电式加速度传感器等，数据采集与处理系统可以使用多种采集仪如振弦式应变采集仪、NI数据采集仪等，响应包括各种结构常见荷载响应如应力、应变、位移、加速度等，其结构形式也不限于桁架结构，可以使用其他结构形式，如悬臂结构、框架结构等。

所述模型所用材料的具体制作过程，由常规机械加工厂按照图纸加工标准要求完成即可，采用常规钢管和角钢即可实现桁架模型所需材料的制备。

本发明的工艺原理是：

本发明旨在提出一种结构荷载-响应变化监测演示平台，可以用于课程教学以及展示结构荷载-响应变化的过程使用，通过计算机程序、传感器和相关采集仪对结构全部位置的荷载响应如应力、温度和位移等进行实时监测并以合理的方式显示，将采集的所有数据实时保存方便后期分析与使用。

此发明提供的结构荷载-响应变化监测演示平台，其最优选例子包括结构平面图纸，结构三维模型，结构实体模型，振弦式应变计，传感器安装块，传感器线圈，通信电缆，数据采集仪，RS232转USB数据线，计算机设备，结构荷载-响应变化监测开发软件系统。

所述结构平面图纸由AutoCAD软件绘制，包括结构的上顶面图，结构的下底面图，结构的侧视图，结构的重要部位截面图，结构的杆件详图，结构的节点板详图，结构的接头示意图。

所述结构三维模型使用机械加工标准软件Catia建立，模型呈现结构的细部且与实际加工尺寸对应，将模型保存成stl格式导入Labview开发平台进行显示与查看。

所述结构实体由40根钢杆组成，采用16个钢节点板将其组成桁架结构，钢杆与钢节点板之间采用螺栓进行连接，同时整个结构由两侧的方形钢支架立于地面之上，方形钢支架不作为结构荷载-响应变化监测的对象，只起到支承的作用。

所述的传感器安装块根据传感器的长度与所需要测量杆件的位置通过焊接的方式焊接在相应杆件上，通过传感器安装块将传感器定位，本发明采用不锈钢制造的振弦式应变计，其具有很高的精度与灵敏度、并具有很好的防水性能和耐腐蚀性，本发明可以适应在恶劣的条件下长期监测结构的应变与温度变化。之后使用传感器线圈将振弦式传感器与通信电缆固定在一起，完成传感器与桁架结构的固定和传感器与通信电缆的连接，由专用四芯屏蔽电缆将应变频率信号和温度电阻信号传输出来，传输出的频率信号不受电缆的长度的影响。

所述数据采集仪为基康仪器有限公司生产的数据采集仪，采集仪为8通道，可实现8通道传感器应变与温度数据的同步采集和实时传输，本结构健康监测演示平台使用其中4个通道，后期可根据需要更改或者添加测量通道。

所述RS232转USB数据线适用于电脑与串口设备之间连接并传输它们之间的信号，将采集箱采集到的数据实时通过USB端口传输至计算机，计算机可通过调用相关串口，来完成采集箱与计算机的通信。

所述计算机设备泛指一般通用配置的计算机设备都可满足使用要求，兼配机箱、显示器、鼠标和键盘。

所述结构荷载-响应变化监测开发软件系统指的是根据此结构荷载-响应变化监测演示平台开发的结构荷载-响应变化监测软件，其与基康采集箱通过串口进行通信，实时监测结构相应位置的应力与温度，并通过列表与曲线图形两种方式对采集数据进行显示，并通过txt文件与excel文件两种格式对数据进行导出；通过软件将三维模型集成在软件系统之中，实现在采集过程进行中实时查看三维模型，通过内置选项卡实现对三维模型的坐标轴和模型本身进行旋转放大等操作，可根据使用者需要对坐标轴颜色、模型颜色和背景颜色进行改变，并；通过内嵌的智能算法实现了对模型中没有布置传感器的杆件的应力值和节点的位移值进行实时监测并显示的功能，由此，软件不仅能对任何时刻任何杆件的应力值与任何节点的位移值进行实时查看，同时实现了将实时监测的数据以报表的形式进行导出，使用者通过三维云图能够更好地把握结构的实时状态，并可以随时查看历史数据对其进行使用、记录和分析。

本发明的有益效果是：

安装灵活简单，体型相对较小，方便拆卸，便于运输，并且能实时在线推演示范，达到工程结构的健康安全监测，精准有效地演示桁架结构、悬臂结构、框架结构等多种结构的荷载-响应变化系统组建的全过程，实时采集多传感器数据并通过列表、图表以及三维云图等多种方式实时显示，实时保存采集数据并实时导出，通过智能算法实现实时查看结构模型全模型荷载响应信息。提高工作效率，既省时省力省心，经济效益良好，使工程结构监测系统性能最佳优化，容易推广应用，满足市场及用户的需求。

本发明公开了一种针对结构荷载-响应变化的教学及演示平台。包括采集传感器的选型与布置，数据采集传输线路的连接，数据采集设备的安装，模型的平面图纸，模型的三维实体模型，模型导入结构健康监测系统软件方法，模型结构的制作与安装，数据采集设备与电脑的实时通讯方法，数据的实时采集方法，数据的实时同步保存方法，数据的txt导出与excel导出方法，数据实时显示全模型荷载响应的智能方法、三维云图同步显示方法。

使用结构荷载-响应变化演示平台能够方便对于对结构荷载-响应变化系统不熟悉的人快速了解整个系统的组集与配置的方法。随着计算机技术以及信息技术的飞速发展，计算机在结构荷载-响应变化的监测中扮演着越来越重要的角色，可更加直观的反应所采集的数据以及实现大数据量的同步采集并实时保存成为亟待解决的问题。

发明提供的结构荷载-响应变化演示系统采用一种较为先进的G语言进行编程开发，能够很好地实现数据的同步采集与实时保存，非常直观的将数据进行显示，准确性高且易于操作者读取数据和进行相关操作。

结构演示系统多面向专业的技术人员，其中往往包含了很多的专业参数配置、专业的分析模块，给使用人员造成一定困扰。其实在实际操作的过程中，对于对结构荷载-响应变化并不是十分深入了解的人员来说，他们通常更加关心采集数据的时程以及是否操作设置的警戒值，而不关心一些基本参数的配置。此演示平台将大量的理论数据以及公式内嵌至软件之中，无需使用人员进行相关设置，极大的优化了操作步骤，便于使用者进行使用。

常规的结构监测系统只能够处理采集位置处的响应数据，对于其他杆件以及节点的数据无法获得，而研究人员又往往需要知道更多的结构实时信息，以对结构的整体状态进行全方位的把握。布置更多的传感器以及使用更多采集通道的采集箱，既耗时耗力又不经济，本结构荷载-响应变化演示平台使用先进的智能算法，能够通过有限的杆件测量值推测每个时刻的模型各个位置的荷载响应，方便使用人员实时把握结构每一个部位在每一个时刻的状态，能够更好地方便用户了解结构的全局信息，同时使用三维云图显示使用户能够更直观的把握结构实时状态。

此结构荷载-响应变化监测演示平台使用3种标准的杆件，通过大小相同的节点板将其进行连接和组装，具有安装灵活简单，体型相对较小，方便拆卸，便于运输以及时常演示等特点，确实节能环保，应用范围广泛。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是的硬件连接示意图；

图2是图1中的传感器系统结构示意图；

图3是图1中的软件操作流程示意图；

图4是图3中的软件结构示意图；

图5是图4中的软件数据流向图；

图6是桁架结构立体结构示意图；

图1、2、3、4、5、6中：通信系统1，计算机设备2，数据线3，传感器系统4、传感器接线端子5，通道串口6，数据采集仪7，数据采集与处理系统8、待测工程结构实体模型9，杆件节点板10，工程结构连接杆件11，振弦式应变计12，通信电缆13，传感器安装块14，传感器线圈15，USB端口16.

具体实施方式:

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明为了使实施的例子更易于被理解且被应用，选择的实例为最优选例子，其结构形式不限于桁架结构，可以使用其他结构形式，如悬臂结构、框架结构等。传感器系统可使用多种类型传感器如振弦式应变传感器、压电式加速度传感器等，数据采集与处理系统可以使用多种采集仪如振弦式应变采集仪、NI数据采集仪等，响应包括各种结构常见荷载响应如应力、应变、位移、加速度等。所述最优选例子的模型所用材料的具体制作过程，由常规机械加工厂按照图纸加工标准要求完成即可，采用常规钢管和角钢即可实现桁架模型所需材料的制备。

实施例1：

如图所示，一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，包括软件和硬件，分为传感器系统、数据采集与处理系统、通信系统、安全评估系统，由：通信系统1，计算机设备2，数据线3，传感器系统4、传感器接线端子5，通道串口6，数据采集仪7，数据采集与处理系统8、待测工程结构实体模型9，杆件节点板10，工程结构连接杆件11，振弦式应变计12，通信电缆13，传感器安装块14，传感器线圈15，USB端口16构成；待测工程结构实体模型9上设置传感器系统4，传感器接线端子5的信号输入端端口一侧由通信电缆13连接工程结构连接杆件11，传感器接线端子5的信号输出端端口连接设置于数据采集与处理系统8信号输入端，数据采集与处理系统8的通道串口6一侧通过数据线3连接设置于通信系统1的USB端口16，通信系统1内设置安全评估系统，进行工程结构荷载-响应变化智能监测、模拟演示，实时监测并以合理的方式进行显示，将采集的所有数据实时保存，后期分析与使用。

实施例2：

如图所示，所述待测工程结构实体模型9由40根工程结构连接杆件11与16个工程结构杆件节点板10通过螺栓连接成桁架结构，四个杆件节点板10之间对应设置四根工程结构连接杆件11构成400mm*450mm的长方形，长方形内两个对角杆件节点板10之间设置工程结构连接杆件11构成长方形连接单元，三个杆件节点板10之间对应设置三根工程结构连接杆件11构成直角三角形连接单元，两个长方形连接单元两侧各设置直角三角形连接单元构成桁架结构的等腰梯形侧面，所述等腰梯形侧面由八个对角杆件节点板10和十三根工程结构连接杆件11构成，两个等腰梯形侧面的上边设置五根工程结构连接杆件11构成桁架结构的上表面，两个等腰梯形结构侧面的下边设置九根工程结构连接杆件11构成桁架结构的下表面，桁架结构下方两侧设置一对方形支架支撑；

所述桁架结构的等腰梯形侧面、桁架结构的上表面、桁架结构的下表面、工程结构连接杆件11、杆件节点板10、桁架结构重要部位截面图、桁架结构接头示意图均采用二次开发的AutoCAD软件绘制；

所述待测工程结构实体模型9使用机械加工标准软件Catia建立，模型呈现结构的细部且与实际加工尺寸对应，将模型保存成stl格式导入Labview开发平台进行显示与查看。

实施例3：

如图所示，传感器系统4由：振弦式应变计12，传感器安装块14，传感器线圈15构成；振弦式应变计12采用不锈钢制造的振弦式应变计传感器，精度与灵敏度误差低于0.12‰、防水性能和耐腐蚀性符合国家相关标准GB/T的要求，适应各种工程结构在重力、风、寒、暑外界条件下，四季长期监测结构的应变与温度变化；

数据采集与处理系统8由：数据采集设备如数据采集仪7、数据采集与处理系统软件构成；

数据线3采用RS232转USB数据线；

通信系统1采用计算机设备2。

实施例4：

如图所示，工程结构连接杆件11上设置至少一对传感器安装块14，传感器安装块14之间设置振弦式应变计，振弦式应变计中部设置传感器线圈；

所述的传感器安装块14根据振弦式应变计12传感器两端之间的长度，与所需要测量工程结构连接杆件11的位置，焊接在相应的工程结构连接杆件11上，通过传感器安装块14将振弦式应变计12定位，之后使用传感器线圈15将振弦式应变计12与通信电缆13固定连接在一起；通信电缆13由专用四芯屏蔽电缆将应变频率信号和温度电阻信号传输到数据采集与处理系统8，使传输出的频率信号距离匹配通信电缆13的长度。

实施例5：

如图所示，所述的数据采集仪7至少为8通道，可实现至少8个传感器接线端子5应变与温度数据的同步采集和实时传输，本发明预设的待测工程结构的荷载-响应结构，即健康监测演示平台使用其中至少4个通道，可根据待测工程结构的荷载-响应结构需要随机更改或者添加测量的通道数量。

实施例6：

如图所示，所述的结构荷载-响应变化监测开发软件系统即根据待测工程结构的荷载-响应结构，由荷载-响应变化监测演示平台开发的结构荷载-响应变化监测软件，与数据采集仪7通过通道串口6进行通信，实时监测待测工程结构的荷载-响应结构相应位置的应力与温度，以列表与曲线图形两种方式对采集数据进行显示，并通过至少一种办公文本文件组件格式对采集数据进行导出管理；

通过编程开发的结构荷载-响应变化监测软件将三维模型进行集成，可在采集数据过程进行中实时查看三维模型，通过内置选项卡实现对三维模型的坐标轴和模型本身进行旋转、放大的编辑操作，也可根据对坐标轴颜色、模型颜色和背景颜色进行改变，例如，桁架结构下方的工程结构连接杆件11和杆件节点板10经监测符合标准要求，可设置为绿色，上表面的工程结构连接杆件11经监测符合标准要求，可设置为蓝色，上表面的杆件节点板10经监测符合标准要求，可设置为粉红色，桁架结构各部位的监测结果如果与设定标准不相符，则为其它颜色；通过内嵌的智能算法对待测工程结构实体模型9中没有布置振弦式应变计12传感器的工程结构连接杆件11，实时监测并显示应力值和节点的位移值，通过三维云图把握待测工程结构的荷载-响应结构的实时状态变化，随时查看历史数据比较，进行使用、记录、分析并管控。

实施例7：

如图所示，一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台及其应用，具体的工艺方法依次如下：

步骤1、使用AutoCAD软件查看已经有的结构平面模型，或者根据需要自制模型的AutoCAD平面图纸，对软件的尺寸以及结构细部进行详细查看并设定，了解模型的细节，假设为工程钢桁架结构。

步骤2、使用Catia软件查看结构的立体三维模型，或者根据需要自制模型的Catia立体三维模型，将模型文件保存为stl格式，移至程序主目录下的“CADModels”文件夹中，即可对模型进行三维显示，参见图1所示。

步骤3、按照给出AutoCAD平面图纸的标准要求，进行加工，制作相应的40根钢杆、16个钢节点板与方形支撑钢架，按照AutoCAD平面图纸要求采用螺栓连接固定紧，将40根钢杆和16个节点板连接成桁架结构，之后使整个结构由两侧的方形钢支架支撑立于地面之上。

步骤4、在结构组集架立完成之后，采用焊接安装块的方式，根据传感器的长度与所需要测量杆件的位置在合适的位置将传感器安装块焊接在相应杆件的位置上。由于传感器体不能通过焊接电流，否则将造成传感器的损坏；所以，传感器的安装工作应在焊接工作进行完成后进行。安装块是成对安装的，其中带有锥尖形状固定螺钉17，焊接时表面应清理干净，并避免过热，否则会影响仪器的拆装。当焊接工作完成后，需要对安装块降温并去除里面焊渣，很重要的是需要检查两端块是否同心，之后将传感器穿入安装块的孔中，注意不要对传感器两端进行扭转或者拉压，否则会影响传感器精度；完成传感器安装后套上线圈并固定卡箍。将线圈卡在传感器中部，将卡箍套在线圈上并拧紧，操作需要先将传感器有槽的一端用螺钉固定，通过调节另一端螺钉，使传感器达到预期的初始读数，最后将螺丝拧紧固定，具体的传感器连接方式参见图2；振弦式传感器通常安装在结构上用于测量结构的应变，仪器与待测钢结构的温度膨胀系数相同，所以很少需要温度修正；当工程对精度要求较高时，通过传感器内置的温度传感器可同时监测安装位置的温度，演示平台同样会将每个时刻的温度实时显示。

步骤5、将通信电缆接入采集箱，采集箱中有8组端子即8个通道，每组端子配有5个芯，此发明中的结构健康监测演示平台使用的是振弦式传感器，所以需要按照振弦式传感器的方式进行通信电缆和每组端子的连接，振弦式传感器信号接入通道接线方式参见图3所示。在正常的连接状态下，振弦式传感器的黑与红可互换、绿与白可互换；当仅需要振弦温度计时，仅连接绿白即可。

步骤6、将RS232转USB数据线连接电脑和采集箱，通过RS232转USB数据线实现电脑与串口设备之间的连接并传输它们之间的信号，实现采集到的数据能够实时通过USB端口传输至计算机；当连接成功后，需要在计算机设备上调用“串口调试助手”检查串口状态，测试是否连接正常，发送简单命令，监测是否有返回值与返回值是否正常。

步骤7、计算机设备需安装windows7以上版本的操作系统，在完成计算机硬件设备连接后，需要下载或通过拷贝等方法，将相应驱动安装到计算机设备上，其中包括Labview2011以上版本，Visa模块和NI-DAQmx模块。

步骤8、打开计算机中的结构荷载-响应变化监测平台软件，对每个通道的基本参数进行设置：设备号码、通道号码、采集频率、材料系数、初始值以及警戒值；同时使用Labview开发平台软件，将数据采集部分通过调用串口模块，促使生产者与消费者循环开发，结构荷载-响应变化监测平台软件设有内置数据库，将数据实时保存起来，待程序调用以及后续导出使用；实时监测结构相应位置的荷载-响应变化及温度，并通过计算机设备由对应的窗口，将数据直观呈现出来进行分析、监测；结构荷载-响应变化监测平台软件通过导入三维坐标以及stl模型，将结构的三维模型导入结构荷载-响应变化监测平台软件，实时查看结构模型状态，通过内置选项对结构的三维模型坐标轴和模型本身，进行旋转放大等操作或演示，并通过计算机设备由对应的窗口将数据直观呈现出来，根据需要对坐标轴颜色、模型颜色和背景颜色进行改变操作；通过内嵌的智能算法对模型中没有布置传感器的杆件的应力值和结构中的节点位移，由对应的窗口进行实时显示，系统随机对任意抽取杆件的应力值与任何节点的位移值，进行实时查看监测，并将所有监测数据以报表的形式，通过至少由txt文件与excel文件两种格式进行数据导出及保存，导出及保存的文件待后续使用与分析；最后，系统通过三维应力云图对应的窗口，由三维云图全方位直观地显示结构的实时应力状态分布情况，进行实时监测，并由计算机设备得到结构的全局信息，继而进行下一道工作。

Claims (6)

1.一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，包括软件和硬件，分为传感器系统、数据采集与处理系统、通信系统、安全评估系统，传感器系统可使用多种类型传感器如振弦式应变传感器、压电式加速度传感器等，数据采集与处理系统可以使用多种采集仪如振弦式应变采集仪、NI数据采集仪等，响应包括各种结构常见荷载响应如应力、应变、位移、加速度等，结构形式不限于桁架结构，可以使用其他结构形式如悬臂结构，框架结构等，其最优选例子由：通信系统(1)，计算机设备(2)，数据线(3)，传感器系统(4)、传感器采集端子(5)，通道串口(6)，数据采集仪(7)，数据采集与处理系统(8)、待测工程结构实体模型(9)，杆件节点板(10)，工程结构连接杆件(11)，振弦式应变计(12)，通信电缆(13)，传感器安装块(14)，传感器线圈(15)，USB端口(16)构成；其特征在于：待测工程结构实体模型(9)上设置传感器系统(4)，传感器采集端子(5)的信号输入端端口一侧由通信电缆(13)连接工程结构连接杆件(11)，传感器采集端子(5)的信号输出端端口连接设置于数据采集与处理系统(8)信号输入端，数据采集与处理系统(8)的通道串口(6)一侧通过数据线(3)连接设置于通信系统(1)的USB端口(16)，通信系统(1)内设置安全评估系统，进行工程结构荷载-响应变化智能监测、模拟演示，实时监测并以合理的方式进行显示，将采集的所有数据实时保存，分析与使用。

2.根据权利要求1所述的一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，其特征在于：所述最优选例子的待测工程结构实体模型(9)由40根工程结构连接杆件(11)与16个工程结构杆件节点板(10)通过螺栓连接成桁架结构，四个杆件节点板(10)之间对应设置四根工程结构连接杆件(11)构成450mm*400mm的长方形，长方形内两个对角杆件节点板(10)之间设置工程结构连接杆件(11)构成长方形连接单元，三个杆件节点板(10)之间对应设置三根工程结构连接杆件(11)构成直角三角形连接单元，两个长方形连接单元两侧各设置等腰直角三角形连接单元构成桁架结构的等腰梯形侧面，所述等腰梯形侧面由八个对角杆件节点板(10)和十三根工程结构连接杆件(11)构成，两个等腰梯形侧面的上边设置五根工程结构连接杆件(11)构成桁架结构的上表面，两个等腰梯形结构侧面的下边设置九根工程结构连接杆件(11)构成桁架结构的下表面，桁架结构下方两侧设置一对方形支架支承并待监测；

所述桁架结构的等腰梯形侧面、桁架结构的上表面、桁架结构的下表面、工程结构连接杆件(11)、杆件节点板(10)、桁架结构重要部位截面图、桁架结构接头示意图均采用二次开发的AutoCAD软件绘制；

所述待测工程结构实体模型(9)使用机械加工标准软件Catia建立，模型呈现结构的细部且与实际加工尺寸对应，将模型保存成stl格式导入Labview开发平台进行显示与查看。

3.根据权利要求1所述的一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，其特征在于：传感器系统(4)由：振弦式应变计(12)，传感器安装块(14)，传感器线圈(15)构成；振弦式应变计(12)采用不锈钢制造的振弦式应变计传感器，精度与灵敏度误差低于0.12‰、防水性能和耐腐蚀性符合国家相关标准GB/T的要求，适应各种工程结构在重力、风、寒、暑外界条件下，四季长期监测结构的应变与温度变化；

数据采集与处理系统(8)由：数据采集设备如数据采集仪(7)、数据采集与处理系统软件构成；

数据线(3)采用RS232转USB数据线；

通信系统(1)采用计算机设备(2)。

4.根据权利要求2或3所述的一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，其特征在于：工程结构连接杆件(11)上设置至少一对传感器安装块(14)，传感器安装块(14)之间设置振弦式应变计，振弦式应变计中部设置传感器线圈；

所述的传感器安装块(14)根据振弦式应变计(12)传感器两端之间的长度，与所需要测量工程结构连接杆件(11)的位置，焊接在相应的工程结构连接杆件(11)上，通过传感器安装块(14)将振弦式应变计(12)定位，之后使用传感器线圈(15)将振弦式应变计(12)与通信电缆(13)固定连接在一起；通信电缆(13)由专用四芯屏蔽电缆将应变频率信号和温度电阻信号传输到数据采集与处理系统(8)，使传输出的频率信号距离匹配通信电缆(13)的长度。

5.根据权利要求3所述的一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，其特征在于：所述的数据采集仪(7)至少为8通道，可实现至少8个传感器采集端子(5)荷载响应的同步采集和实时传输，本发明预设的待测工程结构的荷载-响应结构，即健康监测演示平台使用其中至少4个通道，可根据待测工程结构的荷载-响应结构需要随机更改或者添加测量的通道数量。

6.根据权利要求1或2所述的一种结构荷载-响应变化的实时在线智能监测演示平台，其特征在于：所述的结构荷载-响应变化监测开发软件系统即根据待测工程结构的荷载-响应结构，由荷载-响应变化监测演示平台开发的结构荷载-响应变化监测软件，与数据采集仪(7)通过通道串口(6)进行通信，实时监测待测工程结构的荷载-响应结构相应位置的荷载响应，以列表与曲线图形两种方式对采集数据进行显示，并通过至少一种办公文本文件组件格式对采集数据进行导出管理；

通过编程开发的结构荷载-响应变化监测软件将三维模型进行集成，可在采集数据过程进行中实时查看三维模型，通过内置选项卡实现对三维模型的坐标轴和模型本身进行旋转、放大的编辑操作，也可根据对坐标轴颜色、模型颜色和背景颜色进行改变；通过内嵌的智能算法对待测工程结构实体模型(9)中没有布置振弦式应变计(12)传感器的工程结构连接杆件(11)，实时监测并显示相应位置荷载响应，通过三维云图把握待测工程结构的荷载-响应结构的实时状态变化，随时查看历史数据比较，进行使用、记录、分析并管控。