CN110068506A - 一种基于传感网络的托架耐压测试系统 - Google Patents

一种基于传感网络的托架耐压测试系统 Download PDF

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CN110068506A CN201910305133.2A CN201910305133A CN110068506A CN 110068506 A CN110068506 A CN 110068506A CN 201910305133 A CN201910305133 A CN 201910305133A CN 110068506 A CN110068506 A CN 110068506A
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Abstract

本发明提供一种基于传感网络的托架耐压测试系统，利用中央处理装置、输入器、两个力传感器、信号处理电路、图像采集装置、图像处理模块、油泵驱动器、显示器以及存储器对托架进行耐压测试，在测试过程中，在对待测托架进行耐压测试时采用分级加压和逆向卸压的方式，在分级加压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的、20%、40%、60%、80%、100%、110%依次对待测托架进行施压，在分级施压结束后，对待测托架进行逆向卸压，在逆向卸压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的110%、100%、80%、60%、40%、20%、0%依次对待测托架进行卸压。

Description

一种基于传感网络的托架耐压测试系统
技术领域
本发明涉及智能测试领域，尤其涉及一种基于传感网络的托架耐压测试系统。
背景技术
某市外环线道路项目主线高架桥第三、四联为55+3×100+55m连续刚构，是为跨越规划道路而设置。桥区地形起伏较大。桥梁处于道路平曲线内，R=1270m，桥面系随曲线变化，桥梁纵坡为3%，横坡为1.5%。第三、四联分左、右两幅，主梁及下构各自独立。桥梁上部结构采用预应力混凝土连续刚构，下部主墩采用双肢薄壁墩，引桥过渡墩采用空心墩，基础采用桩基加承台形式，整体建成效果如图2所示。
双肢薄壁墩单肢截面尺寸为7×1.8m，平均高度48.5m，采用翻模法分段浇筑施工。主桥箱梁设计单箱单室截面，顶宽14m，底宽7m，两侧悬臂长3.5m，梁高及底板厚均按二次抛物线变化。0#块与主墩顶固结成整体。单幅箱梁共设8个T构，每个T构设1个主墩0#块，箱梁0#块节段长12m，中部长度为3.9m，两侧悬挑长度为2.25m。0#块采用墩顶安装三角托架、搭设平台方法施工，悬浇段施工采用菱形挂篮悬臂浇筑。
其中，由于双肢薄壁墩托架的保障高架桥安全的重要部件，托架的耐压能力测试则显得尤为重要，现有技术中，仅仅是对托架进行施加预设力值，然后使用水准仪观测托架变形值（沉降观测点已提前标记），做好记录。然后荷载持续8小时，对千斤顶逆向逐级卸载并做好记录，卸载完成后测量观测点高程，计算托架弹性、非弹性变形值。首先，现有技术中对托架进行预压测试时，千斤顶所施压的大小偏差较大，再者，使用水准仪观测托架变形值也不能准确对待测托架的变形值进行持续、准确的观测。
对此，亟需提供一种基于传感网络的托架耐压测试系统。
发明内容
因此，为了克服上述问题，本发明提供一种基于传感网络的托架耐压测试系统，待测托架为双肢薄壁墩的托架，利用中央处理装置、输入器、两个力传感器、信号处理电路、图像采集装置、图像处理模块、油泵驱动器、显示器以及存储器对双肢薄壁墩托架进行耐压测试，在测试过程中，使用力传感器对液压千斤顶对待测托架所受力进行监测，以使液压千斤顶所对待测托架所施加的压力为工作人员所预设力值，也就是说，本发明中使用力传感器对液压千斤顶根据工作人员输入的力值所施力进行检验/校准，这样使得在对双肢薄壁墩托架进行预压的精度更高，再者，使用图像采集装置实时采集待测托架在施压过程中的图像信息，不仅能够得到托架在被施加固定力下的变形情况，还能够观测到在施力过程中托架的变形情况，相较现有技术测试更加全面。
本发明提供的基于传感网络的托架耐压测试系统包括中央处理装置、输入器、两个力传感器、信号处理电路、图像采集装置、图像处理模块、油泵驱动器、显示器以及存储器。
其中，输入器的输出端与中央处理装置的输入端连接，力传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，图像采集装置的输出端与图像处理模块的输入端连接，信号处理电路的输出端和图像处理模块的输出端均与中央处理装置的输入端连接，油泵驱动器的输入端、显示器的输入端以及存储器的输入端均与中央处理装置的输出端连接。
其中，两个力传感器用于检测两个液压千斤顶的力信号，两个液压千斤顶分别设置在待测托架的两侧，力传感器将采集到的力信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的力信号进行信号处理后传输至中央处理装置，工作人员通过输入器输入需要加载的力值，输入器将工作人员输入的力值传输至中央处理装置，中央处理装置接收到力值后控制油泵驱动器启动油泵以使两个液压千斤顶开始施压，直至中央处理装置接收到的力信号等于工作人员输入的力值则中央处理装置控制油泵驱动器停止油泵以使两个液压千斤顶结束施压，图像采集装置设置于待测托架前方，用于采集待测托架的图像信息，并将采集到的图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块对接收到的图像信息进行图像处理后传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的力信号和图像信息传输至显示器进行显示，中央处理装置将接收到的力信号和图像信息传输至存储器进行储存。
在对待测托架进行耐压测试时采用分级加压和逆向卸压的方式，在分级加压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的、20%、40%、60%、80%、100%、110%依次对待测托架进行施压，在分级施压结束后，对待测托架进行逆向卸压，在逆向卸压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的110%、100%、80%、60%、40%、20%、0%依次对待测托架进行卸压。
优选的是，图像采集装置设置于待测托架前方，用于采集待测托架的图像信息，并将采集到的图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块包括图像滤波单元、图像平滑单元以及图像边缘提取单元，其中，图像采集装置的输出端与图像滤波单元的输入端连接，图像平滑单元的输出端与图像边缘提取单元的输入端连接，图像边缘提取单元的输出端与中央处理装置的输入端连接，图像处理模块对接收到的图像信息依次进行图像滤波、图像平滑和图像边缘提取处理，并将处理后的图像信息传输至中央处理装置。
优选的是，将图像采集装置传输至图像处理模块的待测托架图像定义为二维函数f(x,y) ，其中x、y是空间坐标，图像滤波单元对图像f(x,y)进行图像滤波处理，经过图像滤波处理后的图像二维函数为g(x,y)，其中G(x,y)为滤波器函数，其中，
。
。
其中为上述滤波器的滤波参数，滤波效果通过进行调节。
优选的是，图像平滑单元对图像g(x,y)进行图像平滑处理，经过图像平滑处理后的图像二维函数为h(x,y)，其中，平滑函数为q(x,y)，
。
。
其中，﹡为卷积符号，w为自定义可调常数，平滑的作用是通过w来控制的。
优选的是，图像边缘提取单元对图像h(x,y)进行图像边缘提取，首先利用方向差分运算与局部平均相结合的方法，在以图像h(x,y)为中心的3×3邻域上计算x和y方向的偏导数：
。
。
。
然后选取门限TH，判断s(x,y)＞TH的(i,j)即为阶跃状边缘点，其中，i∈(0，x)，j∈(0，y)，{s(i,j)}为图像h(x,y)的边缘图像。
优选的是，两个力传感器用于检测两个液压千斤顶的力信号，两个液压千斤顶分别设置在待测托架的两侧，力传感器将采集到的力信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至中央处理装置。
优选的是，两个力传感器用于检测两个液压千斤顶的力信号，将采集的力信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，力传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置的输入端连接。
优选的是，信号放大单元包括集成运放A1-A3和电阻R1-R7。
其中，力传感器的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R2的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，集成运放A2的同相输入端接地，电阻R3的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R3的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R4的一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R5的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R4的另一端与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R5的一端与集成运放A3的同相输入端连接，电阻R6的一端与电阻R4的另一端连接，电阻R6的另一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R7的一端与电阻R5的另一端连接，电阻R7的另一端接地，集成运放A3的输出端与信号滤波单元的输入端连接。
优选的是，信号滤波单元包括其特征在于，信号滤波单元包括电阻R8-R14、电容C1-C2以及集成运放A4-A6。
其中，信号放大单元的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R10的一端与电阻R8的另一端连接，电阻R10的另一端与集成运放A4的输出端连接，电阻R11的一端与电阻R10的另一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，电阻R11的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R12的一端与电容C1的另一端连接，电阻R12的另一端与集成运放A6的反相输入端连接，集成运放A6的同相输入端接地，电阻R12的另一端还与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与集成运放A6的输出端连接，电阻R13的一端与电阻R10的一端连接，电阻R13的另一端与集成运放A6的输出端连接，电阻R14的一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R14的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A6的输出端与中央处理装置的输入端连接，信号滤波单元将电压信号V1传输至中央处理装置。
优选的是，中央处理装置接收到的力信号等于工作人员输入的力值则中央处理装置控制油泵驱动器停止油泵以使两个液压千斤顶结束施压，液压千斤顶在保持上述力值对待测托架持续施力10分钟。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明提供一种基于传感网络的托架耐压测试系统，利用中央处理装置、输入器、两个力传感器、信号处理电路、图像采集装置、图像处理模块、油泵驱动器、显示器以及存储器对双肢薄壁墩托架进行耐压测试，在测试过程中，使用力传感器对液压千斤顶对待测托架所受力进行监测，以使液压千斤顶所对待测托架所施加的压力为工作人员所预设力值，也就是说，本发明中使用力传感器对液压千斤顶根据工作人员输入的力值所施力进行检验/校准，这样使得在对双肢薄壁墩托架进行预压的精度更高，再者，使用图像采集装置实时采集待测托架在施压过程中的图像信息，不仅能够得到托架在被施加固定力下的变形情况，还能够观测到在施力过程中托架的变形情况，相较现有技术测试更加全面。
（2）本发明提供的一种基于传感网络的托架耐压测试系统，本发明的发明点还在于由于力传感器采集的信号的信噪比不理想，因而信号放大单元通过集成运放A1-A3和电阻R1-R7对力传感器输出的电压V0进行放大处理，由集成运放A1-A3和电阻R1-R7构成的信号放大单元只有0.1μV/℃的漂移、和0.1Hz到50Hz宽带内2.4nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R8-R14、电容C1-C2以及集成运放A4-A6对经过放大后的电压信号进行滤波处理，从而提高了力检测的精度。
（3）本发明提供的一种基于传感网络的托架耐压测试系统，本发明的发明点还在于图像处理模块对采集的图像依次进行图像滤波、图像平滑和图像边缘检测处理，可高效、快速的提取图像采集装置的图像边缘信息，可提高对所述待测托架在预压测试过程中图像的辨识精度，有效地减少误判情况发生。
附图说明
图1为双肢薄壁墩托架快速预压施工工艺流程图；
图2为主线高架桥第三、四联建成效果图；
图3为实体载荷划分示意图；
图4为本发明的双肢薄壁墩托架预压测试结构图；
图5为墩身预埋件开孔示意图；
图6为墩身预埋件安装示意图；
图7为双肢薄壁墩托架预压顺序图
图8为本发明的基于传感网络的托架耐压测试系统的功能图；
图9为本发明的图像处理模块的功能图；
图10为本发明的信号处理电路的电路图。
附图标记：
1-中央处理装置；2-输入器；3-力传感器；4-信号处理电路；5-图像采集装置；6-图像处理模块；7-油泵驱动器；8-显示器；9-存储器；61-图像滤波单元；62-图像平滑单元；63-图像边缘提取单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提供的基于传感网络的托架耐压测试系统进行详细说明。
双肢薄壁墩0#块托架反力架快速预压施工工艺流程见图1所示，本桥双肢薄壁墩平均高度为48.5m，施工场地复杂，依据现场实际情况，采用墩顶安装反力架、在反力架与托架之间放置千斤顶对托架进行预压方法。依据力矩平衡及力的等效转换法原理，对反力架进行简化设计，设计了以双拼63c工字钢为主构件、Φ32精轧螺纹钢为锚固杆件的反力架，和常规反力装置相比，计算简单、选材及加工要求低、成本低廉、吊装转运方便；同时对埋入墩身锚固装置进行优化设计，避免了预压施工中锚固杆件因受力过大而拔出砼面的风险，提高了材料循环利用率；提出合理的预压顺序，单肢薄壁墩托架预压完成后，仅需移动千斤顶即可完成另外一肢预压，缩短了反力架安装及托架预压时间，提高了施工效率。
在对待测托架进行耐压测试时采用分级加压和逆向卸压的方式，在分级加压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的、20%、40%、60%、80%、100%、110%依次对待测托架进行施压，在分级施压结束后，对待测托架进行逆向卸压，在逆向卸压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的110%、100%、80%、60%、40%、20%、0%依次对待测托架进行卸压。
双肢薄壁墩反力架全部安装完成及检查合格后，安放2台100t千斤顶，中央处理装置1根据用户设置的力值启动油泵，液压千斤顶开始加载，加载按照0#块荷载的0、20％、40％、60％、80％、100％、110％逐级加压，达到阶段荷载后持续10分钟，用图像采集装置5观测托架变形值（沉降观测点已提前标记），做好记录。然后荷载持续8小时，对千斤顶逆向逐级卸载并做好记录，卸载完成后测量观测点高程，计算托架弹性、非弹性变形值。
初次预压完成后，仅需移动千斤顶即可进行下步预压，千斤顶预压移动顺序为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ，区域划分见图7。左幅双肢薄壁墩预压完成后，将反力架拆解，除预埋入墩身的钢板、连接器无法取出外，其余杆、构件移动至右幅，供托架预压循环使用。
如图3所示，根据0#块实体荷载分布，将0#块荷载（包含模板自重）按下图划分为：外悬臂荷载；中部荷载，即双肢薄壁墩之间荷载；墩顶荷载，即直接作用于墩柱上的荷载。
具体地，计算固定点和锚固点距离和预压点距离锚固点的距离。
其中，外托架载荷作用长度L，计算外悬臂在载荷下锚固力的参数计算外悬臂在载荷下锚固力FB的方法步骤如下：
S1，将力进行等效转换：单侧外悬臂荷载由4组托架分担，因此单组托架承受荷载，式中，表示单组外托架荷载，1.1为荷载安全系数。
S2，均布线荷载转换：单组外托架荷载转换为均布线荷载，式中，L为外托架荷载作用长度。
S3，确定预压点，均布线荷载转换为集中荷载，确定预压点位置：，式中，x表示预压点距离锚固点的距离。
如图4所示，x即为AB段的长度，其中，A点为施加集中力点，即预压点，B点为锚固点。
S4，根据上述计算所得预压点距离锚固点的距离x计算外悬臂在载荷下锚固力FB，其中，固定点和预压点分设锚固点两侧，固定点和锚固点相距y，则得出外悬臂在载荷下锚固力。
如图4所示，y即为BC段的长度，其中，C点为固定点。
则第一个液压千斤顶设置于A点，第二个液压千斤顶设置于C点右侧距离x的位置。
依据力的等效转换及力矩平衡分析法，选用双拼63c工字钢（局部承压区贴焊钢板，消除应力集中）作为反力架主构件，Φ32精轧螺纹钢为锚固杆件，挂篮轨枕20b工字钢为锚固扁担梁，配套螺母及连接器为连接构件。
提出合理的预压施工顺序，双肢薄壁墩0#块托架预压时仅需移动千斤顶即可完成施工，提高了施工效率，缩短了预压工期。
为确保埋入墩顶的锚固杆件与反力架有效连接，同时避免锚固杆件因受力过大而拔出砼面，锚固杆件进行如下加工制作：
①现场制作30×60cm、厚15mm的钢板，在钢板上进行预留开孔，孔径尺寸以Φ32精轧螺纹钢能轻松进出为宜，且尺寸严禁过大，孔间尺寸顺桥向为15cm，横桥向为45.8cm，开孔尺寸见图5所示；
②为提高材料循环利用率，保证Φ32精轧螺纹钢（埋入砼内1.5m）预压完成后能顺利从墩身拧出，与钢板连接的连接器进行固定支架焊接处理，固定支架采用C10短钢筋，精轧螺纹钢外套40mmPVC穿线管，安装图见图6。
反力架主构件选用I63c工字钢双拼而成，主构件长度为11.5m。为确保反力架整体稳定性及消除施压位置的应力集中，在反力架主构件上下部位每隔30cm贴焊20×20cm钢板，钢板厚度为15mm。
现场采用5610型塔吊将反力架主构件吊装至墩顶，两侧外悬臂端各悬挑长度为2m。墩顶20cm高度内采用挂篮轨枕进行调平，如遇伸入0#块主筋阻挡，则适当掰动主筋位置，必要时将少量主筋割断处理，待托架预压完成后，再进行焊接处理。
反力架主构件上部与Φ32精轧螺纹钢锚固杆件、锚固扁担（挂篮轨枕）通过螺母、锚垫板连接成整体。
反力架整体安装完成后见图4，安装完毕后对连接部位进行专项检查。
如图8所示，本发明提供的基于传感网络的托架耐压测试系统包括基于传感网络的托架耐压测试系统包括中央处理装置1、输入器2、两个力传感器3、信号处理电路4、图像采集装置5、图像处理模块6、油泵驱动器7、显示器8以及存储器9。
其中，待测托架为双肢薄壁墩的托架，输入器2的输出端与中央处理装置1的输入端连接，力传感器3的输出端与信号处理电路3的输入端连接，图像采集装置5的输出端与图像处理模块6的输入端连接，信号处理电路3的输出端和图像处理模块6的输出端均与中央处理装置1的输入端连接，油泵驱动器7的输入端、显示器8的输入端以及存储器9的输入端均与中央处理装置1的输出端连接。
其中，两个力传感器3用于检测两个液压千斤顶的力信号，两个液压千斤顶分别设置在待测托架的两侧，力传感器3将采集到的力信号传输至信号处理电路4，信号处理电路4对接收到的力信号进行信号处理后传输至中央处理装置1，工作人员通过输入器2输入需要加载的力值，输入器2将工作人员输入的力值传输至中央处理装置1，中央处理装置1接收到力值后控制油泵驱动器7启动油泵以使两个液压千斤顶开始施压，直至中央处理装置1接收到的力信号等于工作人员输入的力值则中央处理装置1控制油泵驱动器7停止油泵以使两个液压千斤顶结束施压，图像采集装置5设置于待测托架前方，用于采集待测托架的图像信息，并将采集到的图像信息传输至图像处理模块6，图像处理模块6对接收到的图像信息进行图像处理后传输至中央处理装置1，中央处理装置将接收到的力信号和图像信息传输至显示器8进行显示，中央处理装置将接收到的力信号和图像信息传输至存储器9进行储存。
上述实施方式中，利用中央处理装置1、输入器2、两个力传感器3、信号处理电路4、图像采集装置5、图像处理模块6、油泵驱动器7、显示器8以及存储器9对双肢薄壁墩托架进行预压测试，在测试过程中，使用力传感器3对液压千斤顶对待测托架所受力进行监测，以使液压千斤顶所对待测托架所施加的压力为工作人员所预设力值，也就是说，本发明中使用力传感器3对液压千斤顶根据工作人员输入的力值所施力进行检验/校准，这样使得在对双肢薄壁墩托架进行预压的精度更高，再者，使用图像采集装置5实时采集待测托架在施压过程中的图像信息，不仅能够得到托架在被施加固定力下的变形情况，还能够观测到在施力过程中托架的变形情况，相较现有技术测试更加全面。
工作人员通过显示器8可实时观测待测托架在工作人员预设力下的变形情况。
如图9所示，图像采集装置5设置于待测托架前方，用于采集待测托架的图像信息，并将采集到的图像信息传输至图像处理模块6，图像处理模块6包括图像滤波单元61、图像平滑单元62以及图像边缘提取单元63，其中，图像采集装置5的输出端与图像滤波单元61的输入端连接，图像平滑单元62的输出端与图像边缘提取单元63的输入端连接，图像边缘提取单元63的输出端与中央处理装置1的输入端连接，图像处理模块6对接收到的图像信息依次进行图像滤波、图像平滑和图像边缘提取处理，并将处理后的图像信息传输至中央处理装置1。
具体地，将图像采集装置5传输至图像处理模块6的待测托架图像定义为二维函数f(x,y) ，其中x、y是空间坐标，图像滤波单元61对图像f(x,y)进行图像滤波处理，经过图像滤波处理后的图像二维函数为g(x,y)，其中G(x,y)为滤波器函数，其中，
。
。
其中为上述滤波器的滤波参数，滤波效果通过进行调节。
由于双肢薄壁墩托架预压测试一般在户外进行，而户外的阳光较室内强烈，图像采集装置5采集的托架的图像f(x,y)中包括高频噪声，上述滤波函数G(x,y)使用低通滤波的方法去除图像中的高频信号，从而减弱图像f(x,y)中的高频噪声，上述滤波函数G(x,y)的物理含义为将图像f(x,y)中的亮度较高的部分滤除，使图像的整体亮度较为均匀。且其滤波效果通过进行调节，由于户外的阳光时刻都在变化，因此，通过调节参数对滤波效果进行调节，可快速达到使图像的整体亮度较为均匀的效果。
具体地，图像平滑单元62对图像g(x,y)进行图像平滑处理，经过图像平滑处理后的图像二维函数为h(x,y)，其中，平滑函数为q(x,y)，
。
。
其中，﹡为卷积符号，w为自定义可调常数，平滑的作用是通过w来控制的。
具体地，图像边缘提取单元63对图像h(x,y)进行图像边缘提取，首先利用方向差分运算与局部平均相结合的方法，在以图像h(x,y)为中心的3×3邻域上计算x和y方向的偏导数：
。
。
。
然后选取门限TH，判断s(x,y)＞TH的(i,j)即为阶跃状边缘点，其中，i∈(0，x)，j∈(0，y)，{s(i,j)}为图像h(x,y)的边缘图像。
将托架的边缘图像提取出来，使工作人员能够更直观的观测托架在受力过程中的变形情况。
如图10所示，两个力传感器3用于检测两个液压千斤顶的力信号，两个液压千斤顶分别设置在待测托架的两侧，力传感器3将采集到的力信号传输至信号处理电路4，信号处理电路4对接收到的力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至中央处理装置1。
具体地，两个力传感器3用于检测两个液压千斤顶的力信号，将采集的力信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路4，V1为经过信号处理电路4处理后的电压信号，信号处理电路4包括信号放大单元和信号滤波单元，力传感器3的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置1的输入端连接。
具体地，信号放大单元包括集成运放A1-A3和电阻R1-R7。
其中，力传感器3的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R2的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，集成运放A2的同相输入端接地，电阻R3的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R3的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R4的一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R5的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R4的另一端与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R5的一端与集成运放A3的同相输入端连接，电阻R6的一端与电阻R4的另一端连接，电阻R6的另一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R7的一端与电阻R5的另一端连接，电阻R7的另一端接地，集成运放A3的输出端与信号滤波单元的输入端连接。
具体地，信号滤波单元包括其特征在于，信号滤波单元包括电阻R8-R14、电容C1-C2以及集成运放A4-A6。
其中，信号放大单元的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R10的一端与电阻R8的另一端连接，电阻R10的另一端与集成运放A4的输出端连接，电阻R11的一端与电阻R10的另一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，电阻R11的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R12的一端与电容C1的另一端连接，电阻R12的另一端与集成运放A6的反相输入端连接，集成运放A6的同相输入端接地，电阻R12的另一端还与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与集成运放A6的输出端连接，电阻R13的一端与电阻R10的一端连接，电阻R13的另一端与集成运放A6的输出端连接，电阻R14的一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R14的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A6的输出端与中央处理装置1的输入端连接，信号滤波单元将电压信号V1传输至中央处理装置1。
上述实施方式中，在对力传感器3信号进行信号处理时，集成运放A1-A6的型号可以为LT1367。
LT1367是双通道和四通道双极运算放大器，实现了轨至轨输入和输出操作能力与精准规格的组合。可在一个 1.8V 至 36V 的电源范围内保持其特性。输入失调电压通常为150μV。共模抑制在整个轨至轨输入范围内的典型值为 90dB，而电源抑制为 110dB。LT1367采用传统的补偿功能电路，可在容性负载 ≤1000pF 的情况下确保稳定性。改善了放大器的电源抑制性能并减小了高频条件下的输出阻抗。
在信号放大单元中，集成运放A1和A2为信号放大单元的输入级，而集成运放A3为信号放大单元的输出级，其中，R1=R3，R4=R5，R6=R7。跨在电阻R2上的电压是V0，依据输入电流约束条件，流经电阻R1、R3与流经电阻R2的为同一个电流，则应用欧姆定律可以得到：
。
或者：
。
其中，集成运放A1的输出信号为V01，集成运放A2的输出信号为V02。
则可求得集成运放A3的输出信号V03或信号放大单元的输出信号V03：
。
结合上式可得：
。
。
其中，信号放大单元的总增益为A，集成运放A1和A2构成的信号放大单元的输入级的增益为A1，集成运放A3构成的信号放大单元的输出级的增益为A2。
信号放大单元中，集成运放A1和集成运放A2工作在同相结构，因此，它们的闭环输入阻抗很高，同样，集成运放A3有着很低的输出阻抗，只要适当的调整电阻R4-R7的值，就能使信号放大单元的CMRR达到最大。
具体地，电阻R1的阻值为10KΩ，电阻R2的阻值为2.5KΩ，电阻R3的阻值为10KΩ，电阻R4为阻值为1KΩ，电阻R5为阻值为1KΩ，电阻R6为阻值为10KΩ，电阻R7为阻值为10KΩ。
在信号滤波单元中，集成运放A4-A6对信号放大单元输出的V03进行叠加，其中，集成运放A4的输出信号为V04，集成运放A5的输出信号为V05：
。
化简可得：
。
其中：
。
。
或者：
。
将V04和V05代入上式中合并同类项，可得：
。
信号滤波单元的中心频率为，滤波质量为Q。
。
。
信号滤波单元中可以调节R8以获得需要部分的响应幅度，调节R11（或R12）来改变，调整R14/R9的比值来改变Q。
具体地，电阻R8=R13=R10=1KΩ，电阻R11=R12=10 KΩ,电容C1=C2=1μF，电阻R9的阻值为10KΩ，电阻R14的阻值为2.5KΩ。
由于力传感器3采集的信号的信噪比不理想，因而信号放大单元通过集成运放A1-A3和电阻R1-R7对力传感器3输出的电压V0进行放大处理，由集成运放A1-A3和电阻R1-R7构成的信号放大单元只有0.1μV/℃的漂移、和0.1Hz到50Hz宽带内2.4nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R8-R14、电容C1-C2以及集成运放A4-A6对经过放大后的电压信号进行滤波处理，从而提高了力检测的精度。
具体地，中央处理装置1接收到的力信号等于工作人员输入的力值则中央处理装置1控制油泵驱动器7停止油泵以使两个液压千斤顶结束施压，液压千斤顶在保持上述力值对待测托架持续施力10分钟。
具体地，中央处理装置1为STC89C51RC单片机，显示器8为LCD显示单元。
本发明提供的基于传感网络的托架耐压测试系统采用STC89C51RC 单片机来进行程序的执行、数据显示等。STC89C51RC单片机是一种半导体芯片，其是功耗低、性能较高的8位单片机。STC89C51RC单片机有40个引脚、5个中断优先级2层中断嵌套中断。其是将控制器和各类模块集成在一个芯片上的体系。STC89C51RC设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。
整个托架耐压测试成本低廉，直接成本降低110万元，节约间接成本20万元；施工安全高效，全部预压工期缩短40天。该系统的成功运用得到了业主、监理及其他参建单位的一致好评，取得了可观的经济和社会效益。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述基于传感网络的托架耐压测试系统包括中央处理装置（1）、输入器（2）、两个力传感器（3）、信号处理电路（4）、图像采集装置（5）、图像处理模块（6）、油泵驱动器（7）、显示器（8）以及存储器（9）；
其中，待测托架为双肢薄壁墩的托架，所述输入器（2）的输出端与所述中央处理装置（1）的输入端连接，所述力传感器（3）的输出端与所述信号处理电路（3）的输入端连接，所述图像采集装置（5）的输出端与所述图像处理模块（6）的输入端连接，所述信号处理电路（3）的输出端和所述图像处理模块（6）的输出端均与所述中央处理装置（1）的输入端连接，所述油泵驱动器（7）的输入端、所述显示器（8）的输入端以及所述存储器（9）的输入端均与所述中央处理装置（1）的输出端连接；
其中，两个所述力传感器（3）用于检测两个液压千斤顶的力信号，两个所述液压千斤顶分别设置在待测托架的两侧，所述力传感器（3）将采集到的力信号传输至所述信号处理电路（4），所述信号处理电路（4）对接收到的力信号进行信号处理后传输至所述中央处理装置（1），工作人员通过所述输入器（2）输入需要加载的力值，所述输入器（2）将工作人员输入的力值传输至所述中央处理装置（1），所述中央处理装置（1）接收到力值后控制所述油泵驱动器（7）启动油泵以使两个液压千斤顶开始施压，直至所述中央处理装置（1）接收到的力信号等于工作人员输入的力值则所述中央处理装置（1）控制所述油泵驱动器（7）停止油泵以使两个液压千斤顶结束施压，所述图像采集装置（5）设置于所述待测托架前方，用于采集所述待测托架的图像信息，并将采集到的图像信息传输至所述图像处理模块（6），所述图像处理模块（6）对接收到的图像信息进行图像处理后传输至所述中央处理装置（1），所述中央处理装置将接收到的力信号和图像信息传输至所述显示器（8）进行显示，所述中央处理装置将接收到的力信号和图像信息传输至所述存储器（9）进行储存；
在对待测托架进行耐压测试时采用分级加压和逆向卸压的方式，在分级加压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的、20%、40%、60%、80%、100%、110%依次对待测托架进行施压，在分级施压结束后，对待测托架进行逆向卸压，在逆向卸压过程中，按双肢薄壁墩实体载荷的110%、100%、80%、60%、40%、20%、0%依次对待测托架进行卸压。
2.根据权利要求1所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述图像采集装置（5）设置于所述待测托架前方，用于采集所述待测托架的图像信息，并将采集到的图像信息传输至所述图像处理模块（6），所述图像处理模块（6）包括图像滤波单元（61）、图像平滑单元（62）以及图像边缘提取单元（63），其中，所述图像采集装置（5）的输出端与所述图像滤波单元（61）的输入端连接，所述图像平滑单元（62）的输出端与所述图像边缘提取单元（63）的输入端连接，所述图像边缘提取单元（63）的输出端与所述中央处理装置（1）的输入端连接，所述图像处理模块（6）对接收到的图像信息依次进行图像滤波、图像平滑和图像边缘提取处理，并将处理后的图像信息传输至所述中央处理装置（1）。
3.根据权利要求2所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，将所述图像采集装置（5）传输至所述图像处理模块（6）的所述待测托架图像定义为二维函数f(x,y) ，其中x、y是空间坐标，所述图像滤波单元（61）对图像f(x,y)进行图像滤波处理，经过图像滤波处理后的图像二维函数为g(x,y)，其中G(x,y)为滤波器函数，其中，
；
；
其中为上述滤波器的滤波参数，滤波效果通过进行调节。
4.根据权利要求 3所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述图像平滑单元（62）对图像g(x,y)进行图像平滑处理，经过图像平滑处理后的图像二维函数为h(x,y)，其中，平滑函数为q(x,y)，
；
；
其中，﹡为卷积符号，w为自定义可调常数，平滑的作用是通过w来控制的。
5.根据权利要求4所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述图像边缘提取单元（63）对图像h(x,y)进行图像边缘提取，首先利用方向差分运算与局部平均相结合的方法，在以图像h(x,y)为中心的3×3邻域上计算x和y方向的偏导数：
；
；
；
然后选取门限TH，判断s(x,y)＞TH的(i,j)即为阶跃状边缘点，其中，i∈(0，x)，j∈(0，y)，{s(i,j)}为图像h(x,y)的边缘图像。
6.根据权利要求1所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述两个所述力传感器（3）用于检测两个液压千斤顶的力信号，两个所述液压千斤顶分别设置在待测托架的两侧，所述力传感器（3）将采集到的力信号传输至所述信号处理电路（4），所述信号处理电路（4）对接收到的力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至所述中央处理装置（1）。
7.根据权利要求6所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述两个所述力传感器（3）用于检测两个液压千斤顶的力信号，将采集的力信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至所述信号处理电路（4），V1为经过所述信号处理电路（4）处理后的电压信号，所述信号处理电路（4）包括信号放大单元和信号滤波单元，所述力传感器（3）的输出端与所述信号放大单元的输入端连接，所述信号放大单元的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接，所述信号滤波单元的输出端与所述中央处理装置（1）的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述信号放大单元包括集成运放A1-A3和电阻R1-R7；
其中，所述力传感器（3）的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R2的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，集成运放A2的同相输入端接地，电阻R3的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R3的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R4的一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R5的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R4的另一端与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R5的一端与集成运放A3的同相输入端连接，电阻R6的一端与电阻R4的另一端连接，电阻R6的另一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R7的一端与电阻R5的另一端连接，电阻R7的另一端接地，集成运放A3的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述信号滤波单元包括其特征在于，所述信号滤波单元包括电阻R8-R14、电容C1-C2以及集成运放A4-A6；
其中，所述信号放大单元的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R9的一端接地，电阻R9的另一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R10的一端与电阻R8的另一端连接，电阻R10的另一端与集成运放A4的输出端连接，电阻R11的一端与电阻R10的另一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，电阻R11的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R12的一端与电容C1的另一端连接，电阻R12的另一端与集成运放A6的反相输入端连接，集成运放A6的同相输入端接地，电阻R12的另一端还与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与集成运放A6的输出端连接，电阻R13的一端与电阻R10的一端连接，电阻R13的另一端与集成运放A6的输出端连接，电阻R14的一端与集成运放A4的同相输入端连接，电阻R14的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A6的输出端与所述中央处理装置（1）的输入端连接，所述信号滤波单元将电压信号V1传输至所述中央处理装置（1）。
10.根据权利要求1所述的基于传感网络的托架耐压测试系统，其特征在于，所述中央处理装置（1）接收到的力信号等于工作人员输入的力值则所述中央处理装置（1）控制所述油泵驱动器（7）停止油泵以使两个液压千斤顶结束施压，所述液压千斤顶在保持上述力值对待测托架持续施力10分钟。
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