行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
鋼筋混凝土構架遠距即時監測系統之研發(II)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC92-2211-E-151-006-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日
執行單位： 國立高雄應用科技大學土木工程系
計畫主持人： 曾世雄
共同主持人： 凌烽生，卓明遠
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 93 年 8 月 16 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
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計 畫 類 別 ： 個別型計畫 整合型計畫
計 畫 編 號 ： NSC
92-2211-E-151-006
執 行 期 間 ： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
個別型計畫 ： 計畫主持人： 曾世雄
教授
共同主持人：
卓明遠
教授
共同主持人： 凌烽生
副教授
整合型計畫 ： 總計畫主持人:
子計畫主持人:
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：█精簡報告 □完整報告
處 理 方 式 ：
可 立即對外提供參考
( 請 打
a ) 一年後可對外提供參考
二年後可對外提供參考
(必要時本會得展延發表時限)
執 行 單 位： 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 土 木 工 程 系
中 華 民 國 93 年 7 月 31 日
鋼筋混凝土構架遠距即時監測系統之研發(2/3)
Development of a Remote, Instant-Monitoring
System of a Reinforced Concrete Frame (2/3)
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行政院國家科學委員會補助專題研究計劃成果報告
鋼筋混凝土構架遠距即時監測系統之研發(2/3)
Development of a Remote, Instant-Monitoring System of a Reinforced
Concrete Frame (2/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC 92-2211-E-151-006 執行期間： 中華民國 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日 計畫主持人： 曾世雄 教授 國立高雄應用科技大學土木工程系 共同主持人： 卓明遠 教授 國立高雄應用科技大學電機工程系 共同主持人： 凌烽生 副教授 德霖技術學院土木工程系 關鍵詞：即時監測系統、整體法、缺陷能、有線/無 線傳訊、非破壞檢測、keywords：instant-monitoring system, global method,
defect energy, wire / wireless transmission NDT,
Abstract
Regarding to non-destructive testing methods for reinforced-concrete frames, most of the currently existing methods belong to the so called, “local method”. Examine procedures have to be carried through the entire structure inch by inch. It is not only time and labor consuming, but also takes expensive equipments and well-trained technicians to complete the work. The objective of this proposal is to develop a “global NDT method” to identify the initial damage locations and severity by using energy change detected by model testing method in a reinforced concrete frame. Via the cooperation with Department of Electronic Engineering, time and frequency domain vibrating signals of the R.C. structures in an urban as well as mountain area can be transmitted through wire, wireless or satellite to the control center. Then, translate collected signals to physical quantities from which defect energy are derived. Finally, damage locations can be shown from defect energy diagrams. This is a three-year proposal. We intend to achieve the following goals by years: The first year — parameter confirmation and establish instant monitoring system through wire for R.C. members in the laboratory. The second year — instant monitoring system through wire for a real R.C. structure, and wireless for a specimen in the laboratory. The third year— instant monitoring system trough wireless and satellite for a real R.C. structure, and atomization of the system. To complete the project, the following items are need: (1) experimental confirmation of defect energy and other monitoring parameters. (2) study on methodology of signal collection. (3) unifying monitoring hard wares. (4) collection of signals through wires. (5) transmission and collection of signals through wireless and satellite. (6) study and analysis of the signals. (7)
development of the monitoring soft wares. (8) flow chart and application code for atomization of permanent monitoring system real R.C. frames and bridges. If the proposal is successfully achieved, dangerous can be alerted and prevented at the first instant. Lives and properties will be secured.
摘要 相關於鋼筋混凝土構架的非破壞檢測，現階段大 部分的方法是採用所謂的「局部法」－在結構體表面 上逐一檢查，不但耗時、耗工，更需使用昂貴的檢測 儀器和訓練精良的技術人員。本研究計畫旨在研發一 種「整體性」的非破壞檢測法，藉助模態測試法以偵 測鋼筋混凝土構架中的能量變化，藉以標示初使缺陷 產生的位置以及嚴重程度。經由與電機系跨領域之合 作，將座落在遠郊或山區結構體，其動態量測之時域 及頻域信號，經由有線及無線/衛星傳輸傳回主控室， 並將信號轉回物理量，藉以算出其缺陷能，即可判斷 初始缺陷產生之位置。計畫為期為三年，預計完成目 標：第一年：實驗室內公式印證，模型結構有線傳輸 即時監測。第二年：實體結構有線傳輸即時監測，模 型結構無線/衛星衛星傳輸即時監測。第三年：實體結 構無線/衛星傳輸即時監測，自動化預警系統發展。整 個計畫需完成下列項次：（1）缺陷能與其它監測參 數的實驗與印證。（2）監測信號的收集方法研究。 （3）監測硬體之整合。（4）有線監測訊號的收集。 （5）無線訊號的傳遞與接收。（6）訊號研究與分析。 （7）監測軟體之研發。以及（8）實體鋼筋混凝土構 架/橋樑永久性監測自動化之流程及工作細則。本計畫 的成功將對「防災」有即時預警效果，可保障生命財 產安全，防止重大災害產生，影響深遠。 1. 研究背景 細數近年來發生多起七級以上之地震，包括薩爾 瓦多共和國、日本阪神、土耳其、墨西哥、印尼、以 及台灣的集集等，這似乎是全球性的地球板塊移動所 形成之連鎖災難，造成相當嚴重生命及財產的損失。 至於沒被震垮的房舍、大樓、工廠、及橋樑等私有或 公共結構物是否安全？需要何種程度之維修？這又 成為災後重建迫切的問題。然而迫在眉睫的課題，則
是發展出一個有效率之破壞檢測方法，以偵測出 R.C. 結構物缺陷，並且可以事先提出預警保障人民之生命 財產。 有鑑於此，筆者想要延續今年度己完成之研究計 畫--「鋼筋混疑土構架的缺陷能法」，並迫切的整合 歷年來在均質材料之研究技巧與成果，付諸 RC 結構 實體應用，並將整套預警系統的構思、實作，及與電 機模組製作等介面問題，一併解決。針對土木背景的 研究者而言，非得經由電機專才的協助，解決遠距信 號傳送及處理，任何一種整體性非破壞檢測法，其實 用性都將大受限制，甚至無法發揮，而此一部份必須 藉助土木與電機跨領域之合作方能完成，就筆者所 知，這正是現階段國內外尚未有人能突破的研究，不 但重要，而且急迫。 2. 研究目的 本研究是以實驗及現地實作為導向，進行已完成 「鋼筋混疑土構架缺陷能法」理論的印証工作與即時 健康監測系統之規畫研究。計畫逐步達成下列目標： (1) 缺陷能與其它監測參數的實驗與印証(2)監測信號 的收集方法研究 (3)監測硬體之研發與整合 (4)有線 監測訊號的收集 (5)無線訊號的傳遞與接收 (6)訊號 研究與分析 (7)監測軟體之研發，以及 (8)實體鋼筋混 疑土構架/橋樑永久性監測自動化之研究。 3. 研究方法及進行步驟 在現地實體結構測試中，除了以 CSDE 公式裡的 所有量測量計算外，尚有其它替代方法。在先前的研 究 中 發 覺 ： 以 FRF inertance 、 FRF Mobility 、 Frequency 、 Mode Shapes 、 或 是 ORP(Oscillatory Rotational Parameter)皆可簡易判斷出初始缺陷的產生 與否，因此在分秒必爭的即時監測預警中，可配合量 測硬體的便捷性、可行性與實用性的互動關係，以進 行監測參數的比較研究和選擇。針對振幅、頻率、動 傾角、加速度、應變和能量等物理量或其誘導量的量 測，除使用傳統儀器外，將由電機系的電力系統設計 及微處理機專長卓明遠教授，進行儀器、傳輸線、 T/RM 收發控制模組以及不同接頭之監測硬體整合工 作，並應用在實驗室的 RC 樑斷面上。 GSM 是無線型資料收集模組，此模組包含了以 16 位元微處理機為主之類比資料收集單元（包含簡易 異常參數診斷及預警功能）、GSM 無線收發模組與 介面電路，當監測參數有異常值時，可經由 GSM 模 組發送警訊通知運轉人員。由於一般傳統的資料收集 是由工作人員到現場去把紀錄器拿回來解讀，而這些 現場可能地處偏遠山區或交通不便或距離非常遠的 地方，造成資料的收集計費時又費力，且如果這些資 料是具有時效性者，傳統的做法就顯然不符合需求， 而這個原因是本計畫準備發展遠端資料收集模組的 動機。 隨著電腦、通訊等技術大幅進步，讓資料收集 及傳輸更即時，也更可靠，因此遠端資料收集可說是 未來發展的必然趨勢，它不僅可以減少人員費用的支 出，及時間上的耗費，且讓人更容易、更便捷快速地 獲得想要的即時資料變化，預測可能會發生的狀況， 作為預警之用，以維護人們的生命及財產安全，或供 研究所需資料之用。 資料的收集主要是為了作後續的分析及監控之 用，可能會因通訊問題使得資料傳輸發生問題，而無 法馬上判斷資料所提供的訊息做為即時預警之用，本 計畫為了解決此種問題，而有了遠端資料收集模組之 設計構想。因為一般的遠端監控系統的預警設備大多 設置於主控端，主控端與監測端是不在同一個地方， 所以可能會因通訊問題而產生錯誤的警訊，致使預警 系統無法發揮預期作用，所以除在主控端有預警設備 外，還要在遠端資料收集器上也要加上預警設備，如 此就可以增加系統的可靠度。 而由於遠端資料收集預警模組的設置有可能在 偏遠地區，因此可能無法經常更換電池，故須有一組 太陽能板來對電池充電，以維持系統正常運轉。因為 本系統做為監控之用，故須有一組 A/D 轉換器，以便 將數值取出，故選擇使用 Intel 80C196KC 16 位元的微 處理機，如此可縮短程式與硬體設計的時程，先就分 別說明硬體與軟體架構設計方法。 圖(1)係以 GSM 通訊系統為基礎之監控系統方 塊圖，監控主機位於饋線監控中心，GSM 模組經由 RS-232 與 PC 連接，GSM 收發控制模組負責監控端 的命令發射與資料接收，當控制中心由 GSM 收發控 制模組撥通至監控端 GSM 收發控制模組時，監控中 心即可獲得監控端現在的資料。監控中心與監控端監 資料的收送皆須經過電信公司的基地台的放大與傳 送。 3.1 GSM 模組設計 3.1.1 資料收集預警模組其功能包括： a. 輸入信號：用一個可變電阻器模擬類比信號的輸 入，將來可將可變電阻器直接以實際的感測器替 換。 b. 顯示功能：以 LCD 顯示目前的感測值與通訊狀況。 c. 設定功能：以按鍵進行設定，可設定警戒值，也可 以設定當感測值超過警戒值時，預設被通知者的電 話號碼。 d. 資料收集功能：當主控端的電腦撥號給遠端的模組 時，模組就會和主控端電腦建立連線，把資料傳回 主控端。 e. 隨時隨地得知遠端模組的感測值：只要用自己的手 機傳送一特定格式的簡訊到遠端的模組，模組即會 自動以簡訊方式回覆目前的感測值給你。 f. 感測值超過警戒值時發出警告訊息：此種情況發生 時，模組即會自動對之前所有儲存的電話號碼發出 警告簡訊。（欲被通知的使用者或管理者需要先傳 一特定格式的簡訊給模組，模組即會自動儲存來電 者的電話）。 3.1.2 硬體架構設計 圖(2)所示為遠端資料收集預警模組硬體系統方 塊圖，圖中 16 位元微處理機 80196KC 其功能包括： a. 將欲收集的資料，利用內建 10-Bits 的 A/D 轉換器 將其轉換成數位信號。 b. 將 連 至 遠 端 資 料 收 集 器 的 電 話 號 碼 紀 錄 在 DS 1644NURAM 32MB 容量的隨機記憶體內。 c. 接受按鍵功能輸入值，設定以功能鍵方式設定相關
參數，如 SIM 的密碼、預設的監控者及警戒點。 d. 將欲顯示的資料以中斷方式經由 8255 IC 的 Port A、I/O 0─I/O 7 傳至 LCD 顯示。 e. 建立 RS-232 串列通信埠與個人電腦連線，以便資 料即時傳輸至監控中心。 3.1.3 軟體架構設計 遠端資料收集預警模組之軟體設計直接以組合 語言撰寫，其功能包含了儲存電話號碼、按鍵掃描與 功能設定，以及資料顯示等程式的撰寫，由於 80196KC 內建 ROM 容量不足（只有 16KB）故另擴充 ROM 記憶體 28KB 的容量。圖(3)所示為遠端資料收集預警模組的 通訊協定，此協定關係著資料傳送成功與否，其中錯 誤檢查碼檢查方式採 CRC 碼。 3.1.4 進行步驟 a. 赴國內相關製造廠商實地參訪，蒐集相關文獻資料 並建立遠端資料收集預警模組的功能。 b. 遠端資料收集預警模組硬體設計、佈線與電路板製 作、測試。 c. 遠端資料收集預警模組軟體程式撰寫，利用 ICE 協 助程式偵錯，軟體程式功能主要 GSM 控制模組資 料通信、按鍵掃描與功能設定、LCD 顯示、計時/ 重組設定與 CPU 間的中斷資料傳輸程式。 d. 遠端資料收集預警模組硬體、軟體整合測試、組 裝、完成實驗室各項功能測試。 e. GSM 收發模組硬體設計、佈線與電路板製作、測 試。 f. GSM 收發控制模組軟體程式撰寫，軟體功能包含 了資料收送回應、手機撥接、傳訊控制與 RS-232 資料通信。 g. GSM 收發控制模組硬體、軟體整合測試，並完成 實驗室各項功能測試。 h. 遠端資料收集器與 GSM 收發控制模組整合，並進 行實驗室測試。 3.2 資料收集預警模組設計 3.2.1 硬體電路規劃與設計 本模組主要係由：一組太陽能板、一組鉛蓄電 池、及印刷電路板組合而成。該鉛蓄電池係經由一顆 7805 穩壓 IC 送出 5V 之電源與直接送出 12V 之電源 供系統使用，而太陽能板則是在太陽能充足時對電池 充電，並提供系統所需之電源。本系統之核心部份， CPU80196KC 透過 74373、74244，當作位址之匯流 排，而經由 74245 當作資料匯流排，利用 74244、74245 來增強 BUS 的驅動能力，而利用此位址及資料匯流 排來存取外部 RAMΦ、ROM 及 8255 等週邊 IC，而 外部的類比量測信號，則經由內建的 A/D 轉換取得數 值。 圖 (4)中 的 ROM 是 用 來 作 存放程式之用，而 RAM(DS1644)則是用來存放 料，而 8255 使用 Port C 連接到一個 4*4 的鍵盤，而 Port A 則連到一個 LCD 顯示面板。由於 CPU 所輸出的電壓位準是 0V∼+5V， 而 RS-232 所使用的電壓位準+12V∼-12V，所以我們 在 CPU 與 RS-232 之間加了一顆 ICL232 把 CPU 的輸 出位準提升到 RS-232 的位準。 3.2.2 軟體程式規劃與設計 本節將針對資料收集預警模組的軟體程式設計 作一簡單描述。資料收集預警模組使用 80196KC 的 單晶片，程式以組合語言撰寫，其單晶片的軟體功能 有： a. 隨時監控感測器的變化。 b. 鍵盤掃描與按鍵功能設定。 c. 當主控端要求時，能把資料傳回主控端。 d. 當感測器的數值超過警戒值時，自動發出警告訊 息。 圖(5)為主程式的流程圖，主程式一開始需進行系 統程式的規劃，初值設定與周邊介面的啟動，其包括 了（A）80196KC 單晶片的規劃（B）中斷向量位址 的設定（C）串列埠，計時器啟動與外部中斷致能（D） 8255 週邊介面控制器的規劃。這些初始化的規劃與設 定動作有助於後續各副程式與主程式中進行 I/O 資料 讀寫動作的效率，再者各串列埠、計時器與外部中斷 信號旗標的設定與啟動，方可允許 80196KC CPU 進 行外部（透過串列通信埠）設備資料轉換的工作。程 式接下來將對 GSM 模組進行連線測試，若測試成 功，接下來對 GSM 模組進行初始設定，設定完成後 系統進入待命狀態並監測準位，如果這時候有收到簡 訊的話，就會把來電者之電話號碼紀錄起來，然後回 復確認簡訊給來電者，如果這時預設的準位超過警戒 值時，就會對之前有紀錄的所有號碼送出警告簡訊， 而如果有收到主控端撥來的電話要求連線時，則和主 控端建立起連線，通訊協定完成後開始傳送資料，資 料傳送完成後就自動切斷連線。程式將一直循環偵測 這三種狀況。 3.2.3 硬體及軟體整合與測試 在硬體的設計上，對於外部信號的輸入將採用一 個可變電阻器來模擬感測器數值得變化，等到真正接 用系統時才轉換成現場感測器。硬體電路初期利用實 驗室電路板進行功能測試，確定無誤後再利用 Protel 電路板規劃軟體進行電路圖繪製及佈線，因於系統軟 體程式的發展與測試過程，將以組合語言撰寫，需花 費較多的時間，程式除錯過程中，初期輔以 WINICE 96 進行，待除錯技巧熟練後，再捨棄 ICE 硬體線路模 擬器，直接燒錄 EPROM 進行整合測試，直到軟體功 能符合需求為止。 4. 實驗 首先將激振器與功率放大器相聯結，激振器推桿 前端力規用導線接訊號分析儀之 Chanel 1 輸入模組， 其次再將加速規用導線接於訊號分析儀之 Chanel 2 輸 入模組在透過 PC1480 介面卡將訊號分析儀與個人電 腦連接，其實驗動作原理為利用激振器對簡支樑激 振，利用加速規作感測器，量取結構之加速度響應訊 號，將訊號傳入分析儀，由訊號分析儀對輸入訊號作 快速傳立葉轉換，求得簡支樑的頻率響應函數和關聯 性函數，最後再將所得到的頻率響應函數傳入 Me’ scope 軟體作曲線嵌合動作，就可以得到系統的模態 參數。 在實驗過程中，首先必須完成訊號分析儀的設 定，頻寬設定為 500HZ，解析條數為 2048 條，本實
驗所使用的驅動器為電磁激振器，在實驗模態分析方 式在使用加速規方面採用固定激振位置，移動加速規 位置量測之，在使用應變計方面則採用固定應變計位 置而移動激振器位置。 儀器架設分成採用加速規及採用應變記兩種架 設。 本文將樑分成 20 等分，將有 21 個節點，除去 位於束制端不致產生變形的節點，因此須量測 19 個 節點資料才能構成頻率反應函數矩陣。本文將使用加 速規及應變計分別進行量測。 5. 結果與討論 實體結構有線傳輸即時監測，模型結構無線/衛 星傳輸即時監測，完成結果如下： a. 實體 RC 橋之選定及動態量測儀器之現地組合、架 設、及測試。 b. 現地監測參數的比較研究和選擇。 c. 現地有線監測訊號的收集和選擇。 d. GMS 通信硬體設計與施工、軟體規劃與設計。 e. 無線訊號的傳遞與接收研究。 f. 模型結構無線/衛星傳輸即時監測。 g. 監測軟體之研發。 h. 部份報告整理並投稿。 本文主要以傳統模態分析方法從事結構非破壞 檢測,探討結構有缺陷產生時,結構在自然頻率及模態 振型上變化特性並嘗試由各點量測訊號的響應值去 预測缺陷發生之位置。 模態實驗量測部份： (1)訊號穩定性而言,訊號量測儀器，訊號放大器、功 率放大器、訊號分析儀之儀器接地，應接於同一處以 免造成不必要之電位差增加雜訊影響訊號量測之品 質。採用應變計其所量測到之訊號相當微弱,訊號品質 不如採用加速規佳,在作微振動量測時就整體而言宜 採用加速規效果較佳,亦較方便。 (2)頻率而言,樑有缺陷時自然頻率之變化並非如同理 論值有下降之趨勢，以簡支鋁樑而言缺陷再加深時模 態一模態三之自然頻率反而較無缺陷時高之現象，於 此僅可說當振動系統的性質改變時也就代表著結構 已經產生損傷，RC 樑則變化不大。 (3)樑振型而言，其缺陷前後模態振型自然頻率變化最 大的模態數，其各量測點之響應值與未缺陷之量測值 比較差異百分比，再由各差異百分比去比較相鄰兩點 間之差異則相鄰兩點間之變化最大處為缺陷可能位 置，但經由各測點頻率響應值差異百分比顯示，若使 用此法去發現缺陷位置，似乎乃有疑慮,且可能造成誤 判。就各模態振型而言可將各振型逐一放大其振幅, 可直接由模態振型的不連續看出缺陷可能之位置。 (4)旋轉角而言，鋁樑採用加速規之量測值計算其相對 之轉角，再去比較相鄰測點之差異，此法較所得結果 來作預測易因各模態振型之不同反曲點的影響易造 成誤判方法不佳。 (5)阻尼而言，鋁樑有缺陷產生時阻尼有上升之趨勢， 但 RC 樑卻反而隨著缺陷的加深而有下降之趨勢。 若要使用各頻率響應值之差異性去比較出樑缺 陷位置，使用加速度、位移、或是相對旋轉角，依實 驗所得之結果，吾認為因變異性太大且人工缺陷型式 與結構體真正缺陷截然不同，在如此理想化狀況下都 可能造成誤判,要用到真實結構體上尋找裂縫位置似 乎不可行，對於結構體損傷與否，僅可由頻率、阻尼 的變化去判斷損傷嚴重與否。 6. 建議: 本文使用鋁樑及 RC 樑分析量測其缺陷前後之響 應,並嘗試去求得缺陷位置,量測過程中以使用加速規 量測時，訊號之相關性較佳,頻率響應峰值較易掌握. 若依響應位移計算曲率並不準確,不宜採用。量測儀器 之接地關係著量測雜訊的多寡,所有儀器應另行使用 專用電源,接地另行施作,儘可能不要與其他動力設備 共用電源而行成動力接地徒增系統雜訊,對於較複雜 之結構體,因激振力有限,可先行分別量測,再行檢驗其 缺陷與否。 一般而言激振點為固定不變,因此宜採用少量之 塑鋼土將激振器沖擊端與樑體充分結合以免量測過 程鬆脫，激振點位置應事先避開所欲量測模態之反曲 點為原則。 7. 參考文獻
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