CN109238369A

CN109238369A - 一种基于mems传感器的应力及应变测试方法

Info

Publication number: CN109238369A
Application number: CN201811195196.9A
Authority: CN
Inventors: 孟达; 彭凯贝; 郑梦雨; 高文生; 王涛; 马飞; 罗虎
Original assignee: BEIJING LEIYUDA TECHNOLOGY Co Ltd; JIANYAN FOUNDATION ENGINEERING LLC; Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: BEIJING LEIYUDA TECHNOLOGY Co Ltd; JIANYAN FOUNDATION ENGINEERING LLC; Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，包括如下步骤：步骤100、在结构‑基础或者结构‑结构的测试界面中根据现有数据确定测试列阵；步骤200、根据测试列阵选取位移挠曲线与水平或垂直基准线夹角最大的位置，确定一个或者多个标准基点，依次放置应力‑应变‑位移测试仪，并直接获得测量数据；步骤300、通过获得测量数据进行累加得到结构的最大位移；从标准基点出发并沿着测试列阵进行震动波的收集，能够全面、快速、准确的直接获得测量数据，能够综合考虑结构的位移，通过作图法降低测量的各种误差，避免繁杂的数据计算即可获得准确的结果，采用相应的保护结构，防止机械结构被损坏，从而实现数据的自动采集和处理。

Description

一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法

技术领域

本发明涉及土木工程应力测试技术领域，具体为一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法。

背景技术

在土木工程中，三维应力状态是一种常见的应力状态形式，但是，其测试工作却是工程中的一项难点。应力状态及应变的测试是进行定量力学分析和工程安全评价的前提。为了准确直观的获取岩土体的应力状态，有必要进一步完善对岩土体内部的应力状态测试工作。

在涉及大岩土行业结构与岩土体、结构与结构等界面之间及介质间力的传播规律中应力与应变的测试技术，应用较为广泛的是压力盒，在现有技术中，压力盒一般分为钢弦式压力盒、油腔压力盒等类型。常用的钢弦式压力盒，原理是当被测结构内土应力发生变化时，土压力计感应板感受应力的变化，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，电磁线圈激励振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构的压应力值；油腔式主要类型是格鲁茨尔压力盒；电阻应变片测量的基本原理是用电阻应变片作为传感元件，将应变片粘结或安置在构件表面上，随着构件的变形，应变片敏感栅也相应变形，将被测对象表面指定点的应变转换成电阻变化，电阻应变仪将电阻变化转换成电压信号，静放大器放大后由指示仪表或记录仪记录，也可以输出到计算机等装置进行数据处理。

为了提高检测的可行性和准确性，除了上述测量方法之外，在现有技术中还广泛的应用了MEMS传感器，MEMS传感器分为MEMS气体流量传感器、MEMS 压力传感器、MEMS非接触温度传感器。而MEMS是指集微型压力传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。使应力和应变的测试变得简单、精确和智能化。

虽然MEMS传感器在测量的过程中具有很多无与伦比的优势，但是如何将其有效的应用的土木工程测量中，却是长期存在的问题，另外，如何设置MEMS 传感器也是由一定要求的，而在现有技术中，还没有一个统一、高效、准确的设置方法。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，从标准基点出发并沿着测试列阵进行震动波的收集，能够全面、快速、准确的直接获得测量数据，能够综合考虑结构的位移，通过作图法降低测量的各种误差，避免繁杂的数据计算即可获得准确的结果，采用相应的保护结构，防止机械结构被损坏，从而实现数据的自动采集和处理，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，包括如下步骤：

步骤100、在结构-基础或者结构-结构的测试界面中根据现有数据确定测试列阵；

步骤200、根据测试列阵选取位移挠曲线与水平或垂直基准线夹角最大的位置，确定一个或者多个标准基点，依次放置应力-应变-位移测试仪，并直接获得测量数据；

步骤300、通过获得测量数据进行累加得到结构的最大位移。

作为本发明一种优选的技术方案，在步骤100中，现有数据包括已有工程的监测数据、采用数值计算以及解析计算的结果，其中解析计算公式具体为：

其中，S为地基表面各点沉降量(mm)；B为矩形荷载的宽度或者圆形荷载的直径(m)；P_(x)为地基表面分布荷载(kPa)；E₀为地基土的变形模量；ω为各种沉降影响系数；γ为常数。

作为本发明一种优选的技术方案，在步骤200中，应力-应变-位移测试仪的具体安装方法为：

步骤201、在待测试界面两侧的地表均设置标准基点，在标准基点之间设置底板标高板，并且在底板标高板下方设有固定在两根预埋注浆管之间的监测系统集成箱；

步骤202、将MEMS加速度传感器模块按照测试列阵安装在待测试界面上。

作为本发明一种优选的技术方案，在步骤300中，得到结构最大位移的具体计算方法为：从基准点的位置开始计算，根据测试列阵的布置，将沿线的应变进行累积叠加，得到位移挠曲线的最大值，即得到结构的最大位移。

作为本发明一种优选的技术方案，还涉及一种测试仪，该测试仪由监测系统和两块直接与介质界面贴合的接触底板组成，该监测系统包括：

MEMS加速度传感器模块，对物体运动加速度进行采集，用于接收三维方向上的震动波信号；

频率调理模块，所述频率调理模块与MEMS加速度传感器模块电性连接，该频率调理模块将MEMS加速度传感器模块采集到的模拟电压信号进行除杂和转换，用于将接收的振动波信号分解成所需频率信号；

模数转换模块，所述模数转换模块与所述频率调理模块电性连接，用于将分解后的所需频率信号进行模数转换得到数字信号；

数据处理模块，数据处理模块与所述模数转换模块电性连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到服务器完成对监测数据的接受、存储和处理等功能；

所述模数转换组与所述数据处理模组之间通过系统总线电性连接。

作为本发明一种优选的技术方案，所述频率调理模块包括：宽频带监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成宽频带所需监测信号；短周期监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成短周期所需监测信号；各频带处理单元，用于将各个频带监测所需信号进行处理得到实际可处理的模拟震动检测电信号。

作为本发明一种优选的技术方案，模数转换模块包括：用于对所需信号进行模数转换的24位的A/D转换模块；震动波采集分析应用单元，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。

作为本发明一种优选的技术方案，数据处理模块包括：服务器在线完成位移积分算法的实现，以实现对运动位置的实时检测，同时对数据的接收、存储、处理、报警、可视化展现功能。

作为本发明一种优选的技术方案，根据积分原理，从时间t₀到时间t_n的位移s与速度v的关系为：其中S₀为标准基点的初始位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过利用现有监测数据、数据计算或者解析的结果进行测试列阵的确定，并且在待测试界面上边缘确定标准基点，从标准基点出发并沿着测试列阵进行震动波的收集，能够全面、快速、准确的直接获得测量数据，之后通过沿着测量方向进行依次的叠加获得位移挠曲线，从而获得结构的最大位移，该方法的最突出特点在于能够综合考虑结构的位移，通过作图法降低测量的各种误差，避免繁杂的数据计算即可获得准确的结果；

(2)本发明利用MEMS加速度传感器技术、频率分配、计算机、通信、网络、自动控制等技术，将基坑监测系统纳入到统一的平台中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集数据采集、监测、控制、管理、预警于一体的网络化、信息化和智能化的综合系统。其目的旨在为各种震动监测数据，各种监测目标提供高自动化、高可靠性的集成监测平台，并提供一种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分系统统一的目标。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的测试方法流程图；

图3为本发明的监测系统结构框图；

图中：1-监测系统；2-接触底板；3-环板；4-中心探测设置槽；5-边缘探测设置槽；6-防护挡板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及大岩土行业结构与岩土体、结构与结构等界面之间及介质间力的传播规律中应力与应变的测试技术，具体为一种实时全程介质间应力及应变的监测方法。

如图3所示，本发明提供了一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，可以直接放置在不同介质、相同介质的界面之间，基于MEMS加速度传感器的测量原理能够综合应力和应变进行数据的自动采集，包括如下步骤：

步骤100、在结构-基础或者结构-结构的测试界面中根据现有数据确定测试列阵。

在步骤100中，现有数据包括已有工程的监测数据、采用数值计算以及解析计算的结果，其中解析计算公式具体为：

步骤200、根据测试列阵选取位移挠曲线与水平或垂直基准线夹角最大的位置，确定一个或者多个标准基点，依次放置应力-应变-位移测试仪，并直接获得测量数据。

在步骤200中，应力-应变-位移测试仪的具体安装方法为：

步骤300、通过获得测量数据进行累加得到结构的最大位移。

在步骤300中，得到结构最大位移的具体计算方法为：从基准点的位置开始计算，根据测试列阵的布置，将沿线的应变进行累积叠加，得到位移挠曲线的最大值，即得到结构的最大位移。

基于上述测试方法，该测试方法能够依据界面上的列阵排列收集数据，全面测得界面的应力分布规律、应变变化规律，还能够兼顾基础全过程的沉降位移，从而测得相对位移以及绝对位移。

另外，基于上述测试方法，如图1所示，本发明还涉及一种测试仪，该测试仪由监测系统1和两块直接与介质界面贴合的接触底板2组成，监测系统设在两块所述接触底板之间，该接触底板能够直接与两个需要测量的界面进行接触，直接将测量信息通过接触底板传递至内部的监测系统上，且在两块接触底板2边缘通过环板3连接，所述接触底板2和环板3的中心均设有中心探测设置槽4，并以中心探测设置槽4为中心，且分别以半个板面长度为半径的圆周上设有边缘探测设置槽5，通过边缘探测设置槽5和中心探测设置槽4相结合的方式全方位的采集数据信息，所述监测系统1设在两块所述接触底板2之间，且所述接触底板2边缘设有固定安装在位于底部接触底板1 的防护挡板6，防护挡板6能够保护内部的监测系统，能够克服现实环境中的影响因素，防止机械结构被破坏，在本发明中，该检测系统只需要将MEMS 加速度传感器模块设置在界面之间，其它模块均可以通过防护挡板进行保护，所述防护挡板6设在环板3外侧，且防护挡板6顶部并不与位于顶部的接触底板2直接连接。

基于上述，如图3所示，该监测系统包括：

在上述中，MEMS加速度传感器模块，包括一个三轴MEMS加速度传感器，用于接收震动波信号。整体设备采用MEMS技术，MEMS传感器芯片是由微米级的硅芯片立体加工技术制造而成的，微型或小型传感器。MEMS技术广泛用于工业、信息、国防、医疗、汽车等行业，最常用的如智能手机、汽车冲击气囊等。MEMS芯片规模化生产后，成本较低，稳定性高，这对震动的震动监测无疑是一个巨大的发展契机，如果大规模铺设该设备，将能获取更多更丰富震动监测记录，为研究提供一些必要的资料，应用于轨道监测系统中，具有巨大的成本优势。

所述频率调理模块包括：宽频带监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成宽频带所需监测信号；短周期监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成短周期所需监测信号；各频带处理单元，用于将各个频带监测所需信号进行处理得到实际可处理的模拟震动检测电信号。

模数转换模块包括：用于对所需信号进行模数转换的24位的A/D转换模块；震动波采集分析应用单元，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。

频率调理模块与模数转换模块连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到云平台，通过中央处理器及以SDRAM、FLASH 为基础的二级数据存储技术实现，相应的，本实施例中的模数转换模块包括: 至少一路的A/D转换模块，用于对所需信号进行模数转换；震动波采集分析应用单元，集成于嵌入式操作系统中的震动波采集分析应用单元对各震动波形进行选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。

加速度计数据比较震荡，含有较多高频分量，长时间之后会有零漂，因此需要对数据进行滤波。对数据采用一介低通滤波，低通滤波的算法公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

式中：α为滤波系数；

X(n)为本次采样值；

Y(n-1)为上次滤波输出值；

Y(n)为滤波输出值；

一阶低通滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。

数据处理模块包括：服务器在线完成位移积分算法的实现，以实现对运动位置的实时检测，同时对数据的接收、存储、处理、报警、可视化展现功能。

另外，在上述中根据积分原理，从时间t₀到时间t_n的位移s与速度v的关系为：其中S₀为标准基点的初始位移。

本发明利用MEMS加速度传感器技术、频率分配、计算机、通信、网络、自动控制等技术，将轨道监测系统纳入到统一的平台中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集数据采集、监测、控制、管理、预警于一体的网络化、信息化和智能化的综合系统。其目的旨在为各种震动监测数据，各种监测目标提供高自动化、高可靠性的集成监测平台，并提供一种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分系统统一的目标。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤300、通过获得测量数据进行累加得到结构的最大位移。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，在步骤100中，现有数据包括已有工程的监测数据、采用数值计算以及解析计算的结果，其中解析计算公式具体为：

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，在步骤200中，应力-应变-位移测试仪的具体安装方法为：

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，在步骤300中，得到结构最大位移的具体计算方法为：从基准点的位置开始计算，根据测试列阵的布置，将沿线的应变进行累积叠加，得到位移挠曲线的最大值，即得到结构的最大位移。

5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，还涉及一种测试仪，该测试仪由监测系统和两块直接与介质界面贴合的接触底板组成，该监测系统包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，所述频率调理模块包括：宽频带监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成宽频带所需监测信号；短周期监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成短周期所需监测信号；各频带处理单元，用于将各个频带监测所需信号进行处理得到实际可处理的模拟震动检测电信号。

7.根据权利要求5所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，模数转换模块包括：用于对所需信号进行模数转换的24位的A/D转换模块；震动波采集分析应用单元，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。

8.根据权利要求5所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，数据处理模块包括：服务器在线完成位移积分算法的实现，以实现对运动位置的实时检测，同时对数据的接收、存储、处理、报警、可视化展现功能。

9.根据权利要求5所述的一种基于MEMS传感器的应力及应变测试方法，其特征在于，根据积分原理，从时间t₀到时间t_n的位移s与速度v的关系为：其中S₀为标准基点的初始位移。