CN111426288B - 一种多应变计联合测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种多应变计联合测量方法及系统，采用多应变计在短时间内进行大量数据采集，将每个应变计同时测的数据分为一组，当一组数据最大差值都小于等于1％测量值时，并输出其算数平均值为应变；当一组数据中位差值小于等于1％测量值时和最大差值小于等于2％测量值时，输出其加权平均值为应变；当一组数据的中位差值和最大差值都不满足以上两种情况时，输出其加权平均值为应变；按此规则，再将某一时间段得到的数据进行算数平均，得到测量结果，这样可以起到显著减小随机误差的作用，通过多应变计减小仪器固有误差和高频率采样减小测量随机误差使得应变计的误差得以减小，以满足工程对于应变测量高精度的要求。

Description

一种多应变计联合测量方法及其系统

技术领域

本发明用于建筑土木行业有关结构表面应变量测，具体涉及一种多应变计联合测量方法及其系统。

背景技术

应变量测技术已成为建筑土木领域保证工程安全性的重要手段，目前针对混凝土材料的特点，常用测量仪器为振弦式应变计，振弦式应变计通常固定在端块或被测元件之间的钢弦上，通过测量张紧钢弦的频率变化来表征钢弦的张力和应变等物理量；它适用于长期布设在混凝土结构的梁、柱、桩基、支撑、挡土墙、衬砌、桥梁、隧道衬砌及其基岩中监测其应变。

随着时代和行业的发展，建筑土木行业对应变量测结果的精度要求愈发提高，逐渐有项目对测量误差的要求越来越高，但是现有的应变计由于本身存在固有误差，因此振弦式应变计达不到高精度的测量精度要求，而且价格昂贵，并且受时下技术条件的限制，从材料方面做出突破来改进仪器精度进而减小误差十分困难。

发明内容

针对现有应变计测量误测大的问题，本发明提供一种多应变计联合测量方法及其系统，通过多应变计联合测量、提高测量频率和减小测量系统误差，以达到现有工程对监测高精度的要求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多应变计联合测量方法，包括以下步骤：

步骤1、获取n个传感器第i时刻的测量数据i1.i2.i3…in，并将第i时刻获取的测量数据分为一组，计算同组测量数据的最大差值Dmax和中位差值Dmid；

步骤2、当同组数据最大差值Dmax≤同组数据中最小测量值的1％时，计算第i时刻待测量目标的应变值X_i，否则执行步骤3；

步骤3、当同组数据的中位差值Dmid≤同组数据中最小测量值的1％，且最大差值Dmax≤同组数据中的最小测量值2％时，以各测量数据与同组测量数据平均值的差值的导数为权重，采用加权平均法计算第i时刻待测量目标的应变值X_i，否则执行步骤4；

步骤4、当中位差值Dmid和最大差值Dmax不满足步骤2和步骤3的条件时，对平均值偏差小于50％的测量数据采用加权平均法计算第i时刻待测量目标的应变值X_i；

步骤5、重复步骤1至步骤4，计算设定时间段内每一时刻的变值X_i，然后对计算所有的时刻的平均值，该平均值为时间段待测量目标的应变值X。

优选的，步骤1中所述最大差值Dmax为同组数据中最大值和最小值的差值；

所述中位差值Dmid的计算方法如下：

将同组中的数据两两排列组合，计算每个组合的差值的绝对值，并将绝对值进行排序，位于序列中间的绝对值为中位差值Dmid。

优选的，步骤2中所述应变值X_i的确定具体方法如下：

当同组数据最大差值Dmax≤同组数据中最小测量值的1％，该组数据为正确数据，输出该组数据的平均值(i1.i2.i3…in)/n，该平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i。

优选的，步骤3中所述应变值X_i的确定具体方法如下：

1)、计算同组中所有测量数据求品均值，然后计算每个测量数据与平均值的差值D；

2)、按照差值D越小所占权重越大的方式，对每个测量数据分配权重，然后对同组中所有测量数据进行加权平均，输出其加权平均值，该加权平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i。

X_i＝(i1_w1+i2_w2+i3_w3…in_wn)/(w₁+w₂+w₃)

其中，w₁.w₂.w_3…w_n为每一个测量数据的权重。

优选的，步骤4中所述应变值X_i的确定具体方法如下：

计算每个测量数据与应变值X_i-1的差值，去除掉差值较大的数据点，对剩下的数据再按照差值越小所占权重越大的方式，对每个测量数据分配权重，然后对同组中所有测量数据进行加权平均，输出其加权平均值，该加权平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i。

一种上述多应变计联合测量方法的多应变计联合测量系统，包括壳体，以及设置在其内部的多个振弦式应变计、数据处理模块和无线传输模块；

所述多个振弦式应变计平行设置，振弦式应变通过数据传输线与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与无线传输模块；

所述数据处理模块用于输出应变值X_i。

优选的，所述壳体包括底板以及设置其顶部的防尘面罩10；

所述底板的一侧为柔性底板，另一侧为刚性底板，数据处理模块4和无线传输模块5设置在刚性底板8的顶部，振弦式应变计设置在柔性底板的顶部。

优选的，所述振弦式应变计的布置方向平行于应力的方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种多应变计联合测量方法，多应变计在短时间内进行大量数据采集，形成较大的子样集，每个应变计采集一次数据，将每个应变计同时测的数据分为一组，当一组数据最大差值D_max都小于等于1％测量值时，证明此组数据是可靠的，并输出其算数平均值为应变X_i；当一组数据中位差值D_mid小于等于1％测量值时和最大差值D_max小于等于2％测量值时，证明此组数据需要调整，并按照D越小的所占的权重越大的方式对数据进行加权平均，最后输出其加权平均值为应变X_i；当一组数据的中位差值D_mid和最大差值D_max都不满足以上两种情况时，证明此组数据有较大偏差，先去除差值较大的数据点，对剩下的数据再按照D越小的所占的权重越大的方式输出其加权平均值为应变Xi；按此规则，再将每分钟得到的60个数据进行算数平均，其算数平均值作为测量结果并输出，这样可以起到显著减小随机误差的作用，最后再删除原有的六十个样本子集以节约内存。通过多应变计减小仪器固有误差和高频率采样减小测量随机误差使得应变计的误差得以减小，以满足工程对于应变测量高精度的要求。

本发明提供的一种多应变计联合测量系统，采用多应变计的方式，削弱由固有误差带来的对测量结果精度的影响，同时将壳体的底板采用双材料底板，左边采用刚性底板，右边采用柔性底板，其中左边底板较厚且刚度较大，可以保持与上部数据处理模块和无线信号发射模块接触的稳定；右边底板较薄刚性较小，这样可以保证应变传感器与所测构建充分协调变形，避免扰动造成的扰动，提高测量的准确性。

附图说明

图1是本发明多应变计联合测量方法的流程图；

图2是本发明多应变计联合测量系统的内部结构图；

图3是本发明多应变计联合测量系统的正视图。

图中：1振弦式应变计，2尾部固定螺母，3数据传输线，4数据处理模块，5无线传输模块，6四通口，7柔性底板，8刚性底板，9柔性连接带，10防尘面罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1，一种多应变计联合测量方法，包括以下步骤：

步骤1、设定n个传感器第0时刻i0的测量值a0，a0等于上一个阶段计算得到的结果，如果此时尚未开始测量，则a0＝0。

步骤2、获取n个传感器第i时刻的测量数据i1.i2.i3…in，并将第i时刻获取的测量数据分为一组，计算同组测量数据的最大差值Dmax和中位差值Dmid。

最大差值Dmax为同组数据中最大值和最小值的差值。

中位差值Dmid的计算方法如下：

将同组中的数据两两排列组合，并得到每个组合的差值的绝对值，并将差值进行排序，位于序列中间的差值为中位差值Dmid。

步骤3、当同组数据最大差值Dmax≤同组数据中最小测量值的1％时，计算第i时刻待测量目标的应变值X_i，否则执行步骤4；

确定应变值X_i的具体方法如下，当同组数据最大差值Dmax≤同组数据中最小测量值的1％，该组数据为正确数据，输出该组数据的平均值(i1.i2.i3…in)/n，该平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i。

步骤4、当同组数据的中位差值Dmid≤同组数据中最小测量值的1％，且最大差值Dmax≤同组数据中的最小测量值2％时，以各测量数据与同组测量数据平均值的差值的导数为权重，采用加权平均法计算第i时刻待测量目标的应变值X_i，否则执行步骤5。

确定应变值X_i的具体方法如下：

1)、计算同组中所有测量数据求品均值，然后计算每个测量数据与平均值的差值D；

2)、按照差值D越小所占权重越大的方式，对每个测量数据分配权重，然后对同组中所有测量数据进行加权平均，输出其加权平均值，该加权平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i。

X_i＝(i1_w1+i2_w2+i3_w3…in_wn)/(w₁+w₂+w₃)

其中，w₁.w₂.w_3…w_n为每一个测量数据的权重。

步骤5、当中位差值Dmid和最大差值Dmax不满足步骤3和步骤4的条件时，对平均值偏差小于50％的测量数据采用加权平均法计算第i时刻待测量目标的应变值X_i。

具体如下，计算每个测量数据与应变值X_i-1的差值，再按照差值越小所占权重越大的方式，对每个测量数据分配权重，然后对同组中所有测量数据进行加权平均，输出其加权平均值，该加权平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i。

步骤6、重复步骤2至步骤5，计算设定时间段内每一时刻的变值X_i，然后对计算所有的时刻的平均值，该平均值为时间段待测量目标的应变值X。

可以理解为，例如，设定时间为1分钟，采用步骤2至步骤5的方法，计算每分钟每一秒的应变值，然后对得到的60个应变值进行求平均值，该平均值为时间段待测量目标的应变值。

X(X₁+X₂+……+X₆₀)/60

将平均值作为测量结果并输出，这样可以起到显著减小随机误差的作用，最后再删除原有的六十个样本子集以节约内存。通过多应变计减小仪器固有误差和高频率采样减小测量随机误差使得应变计的误差得以减小，以满足工程对于应变测量高精度的要求。

参阅图2和3，本发明还提供了一种多应变计联合测量系统，包括壳体，以及设置在其内部的三个振弦式应变计、数据处理模块4、无线传输模块5和四通口6。

所述每个振弦式应变计1的尾部通过尾部固定螺母2与数据传输线3的一端连接，三个数据线分别与四通口6的三个接口连接，四通口6的另一个接口通过数据线与数据处理模块4连接，数据处理模块4的输出端与无线传输模块5连接。

再次参阅图3，所述壳体包括底板以及设置其顶部的防尘面罩10，所述振弦式应变计设置在壳体的左侧，数据处理模块4和无线传输模块5设置在壳体的右侧。

所述底座左侧为柔性底板7，底座右侧为刚性底板8，柔性底板可采用硅胶材料或者多层超高分子聚乙烯材料制成，柔性底板7和刚性底板8通过顶部铺设柔性连接带9与防尘面罩10连接，数据处理模块4和无线传输模块5设置在刚性底板8的顶部，三个振弦式应变计设置在柔性底板的顶部。

振弦式应变计的布置应遵循如下原则：

三个振弦式应变计平行设置，各应变计位置间隔应足够小；应变计的方向应平行于应力的方向，使应力在振弦式应变计垂直方向变化不大，振弦式应变计不可处于结构边缘。

将多应变计联合测量系统在垂直于应变变化方向布设在混凝土表面后，当被测结构物内部的应力应变发生变化时，通过底部的柔性底板7，三个应变计1同步感受变形，振弦的振动频率发生改变，其频率信号经数据传输线3至数据处理模块4，在短时间内测出大量应变数据，经过计算其均值或内置算法处理，使得最终数据满足工程高精度要求，在将处理过的数据传输至无线传输模块5，最终测出被测结构物内部的应变量。

本发明提供的一种多应变计联合测量系统，为了实现工程中对既有应变计减小误差和提高精度的要求，从如下两个方面进行了突破：第一个方面是用多应变计测量减小仪器固有误差产生的影响，第二个方面是用高频率采样减小测量随机误差。

在第一个方面，由于多种因素能引起仪器产生固有误差，本发明采用多应变计的方式，来削弱由固有误差带来的对测量结果精度的影响，并且为了满足多应变计布设原则中的各应变计位置间隔应足够小，应变计的数量不宜过多，在此采用三应变计的方式。在应变计的选择上，使用三个对同一单点测量结果相对接近的振弦式应变计作为此高精度测量系统的测量元件。将它们平行对齐放置在系统底板边上，其间距不宜过大；所有振弦式应变计的头部放置在系统右侧靠近底板边缘的位置，但不能直接触碰边缘以免产生新的仪器误差使得精度降低；尾部需留有一定空间来放置数据传输线，注意数据传输线的长度要适宜，不能出现相互交错甚至打结影响数据传输或者其他模块工作的情况。将数据处理模块和无线信号发射模块内置在系统左侧边缘，也要留有一定空间不能触碰底板边缘和三个振弦式应变计。

底部采用双材料底板，左边采用刚性底板，右边采用柔性底板，其中左边底板较厚且刚度较大，可以保持与上部数据处理模块和无线信号发射模块接触的稳定；右边底板较薄刚性较小，这样可以保证应变传感器与所测构建充分协调变形。上部覆盖一个留有足够空间的防尘面罩以防止周围粉尘等不利因素对应变传感器，数据处理模块和无线传输模块产生扰动，从而使实测数据的误差变大。外部连接处用柔性连接带绕底板一周布置，它不仅可以吸收底板产生的变形，同时还能避免传递给刚性材料的防尘面罩。

在第二个方面，本发明采用短时间高频率大量数据采集的方式来消除整个系统的随机误差。此方法依托于数学中的大数定律，对于均匀分布的误差，在样本数量足够多的时候，样本均值和真实均值充分接近样，而样本值与真实值的离散程度与试验次数的关系很大，当离散程度越低时，其可信度越高。通过多应变计减小仪器固有误差和高频率采样减小测量随机误差，使得应变计的误差得以减小，以满足工程对于应变测量高精度的要求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多应变计联合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取n个传感器第i时刻的测量数据i1.i2.i3…in，并将第i时刻获取的测量数据分为一组，计算同组测量数据的最大差值Dmax和中位差值Dmid；

将同组测量数据中的数据两两排列组合，计算每个组合的差值的绝对值，并将绝对值进行排序，位于序列中间的绝对值为中位差值Dmid；

所述最大差值Dmax为同组测量数据中最大测量值和最小测量值的差值；

当同组测量数据最大差值Dmax≤同组测量数据中最小测量值的1％，该组数据为正确数据，输出该组数据的平均值(i1.i2.i3…in)/n，该平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i；

步骤2、当同组测量数据最大差值Dmax≤同组测量数据中最小测量值的1％时，计算该组数据的平均值(i1.i2.i3…in)/n，该平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i，该组数据为正确数据，否则执行步骤3；

步骤3、当同组测量数据的中位差值Dmid≤同组测量数据中最小测量值的1％，且最大差值Dmax≤同组测量数据中的最小测量值2％时，以各测量数据与同组测量数据平均值的差值的导数为权重，采用加权平均法计算第i时刻待测量目标的应变值X_i，否则执行步骤4；

步骤4、当中位差值Dmid和最大差值Dmax不满足步骤2和步骤3的条件时，对平均值偏差小于50％的测量数据采用加权平均法计算第i时刻待测量目标的应变值X_i；

步骤5、重复步骤1至步骤4，计算设定时间段内每一时刻的应变值X_i，然后计算所有时刻的平均值，该平均值为时间段待测量目标的应变值X。

2.根据权利要求1所述的一种多应变计联合测量方法，其特征在于，步骤3中所述应变值X_i的确定具体方法如下：

1)、计算同组中所有测量数据求平均值，然后计算每个测量数据与平均值的差值D；

2)、按照差值D越小所占权重越大的方式，对每个测量数据分配权重，然后对同组中所有测量数据进行加权平均，输出其加权平均值，该加权平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i；

X_i＝(i1_w1+i2_w2+i3_w3…in_wn)/(w₁+w₂+w₃)

其中，w₁.w₂.w₃…w_n为每一个测量数据的权重。

3.根据权利要求1所述的一种多应变计联合测量方法，其特征在于，步骤4中所述应变值X_i的确定具体方法如下：

计算每个测量数据与应变值X_i-1的差值，再按照差值越小所占权重越大的方式，对每个测量数据分配权重，然后对同组中所有测量数据进行加权平均，输出其加权平均值，该加权平均值为第i时刻待测量目标的应变值X_i。

4.一种应用权利要求1-3任一项所述多应变计联合测量方法的多应变计联合测量系统，其特征在于，包括壳体，以及设置在壳体内部的多个振弦式应变计、数据处理模块和无线传输模块；

所述多个振弦式应变计平行设置，振弦式应变通过数据传输线与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与无线传输模块连接；

所述数据处理模块用于输出应变值X_i。

5.根据权利要求4所述的多应变计联合测量系统，其特征在于，所述壳体包括底板以及设置其顶部的防尘面罩；

所述底板的一侧为柔性底板，另一侧为刚性底板，数据处理模块和无线传输模块设置在刚性底板的顶部，振弦式应变计设置在柔性底板的顶部。

6.根据权利要求4所述的多应变计联合测量系统，其特征在于，所述振弦式应变计的布置方向平行于应力的方向。

Images