摘 要

水泥混凝土一直以来都是建筑工程施工中重要的材料之一，其应用领域遍及世界，从公路到桥梁，从港口到机场，从平房到高楼，都离不开水泥混凝土。然而水泥混凝土的使用过程中也出现了诸多的问题，其中最大的问题就在于混凝土的开裂问题，一个完整的混凝土结构，如果不发生开裂，那么整个混凝土结构就是十分稳固的，但是如果由于温度等原因，致使混凝土结构内部出现了裂缝，那么就会出现连锁反应，导致整个混凝土结构变得十分不稳定，就可能造成人力财力物力损失，甚至会造成人员伤亡，所以研究水泥混凝土的开裂性是十分重要的。

本文是对温度应力实验机的温度控制系统进行研究，通过查阅国内外温度应力试验机的发展状况以及研究现状，使用温度应力试验机对水泥混凝土抗裂性能的研究，研究温度变化对混凝土结构抗裂性能的影响，从而得到最新的结论。本文采用理论与实际相结合的方法，对温度应力实验机的温度控制系统进行研究。

本文第一章主要介绍了温度应力试验机研究背景以及国内外研究的现状，第二章到第四章着重介绍了温度应力试验机的温度控制系统的设计方案，方案分为硬件方案和软件方案，硬件方案主要是对实验装置的设计以及温度采集设备、温度控制设备进行选型等，另外硬件部分包括传感器的设置、信号调理电路的设计的、数据采集系统的设计以及温升温降系统的设计。软件部分则使用虚拟仪器技术，通过虚拟仪器技术来实现对于温度应力试验机的温度控制系统的软件设计，本次采用的软件是美国NI公司的LabVIEW 2014版，利用此软件设计出数据采集程序、数据保存程序、温度控制程序以及系统前面板，其中数据采集程序还使用了数据库技术，通过数据库将温度历史数据进行储存，然后显示到显示模块之中。

关键词：温度-应力试验机；虚拟仪器技术；LABVIEW

Abstract

Cement concrete has always been one of the most important materials in the construction of construction projects. Its application covers the world. From the highway to the bridge, from the port to the airport, and from the bungalow to the high-rise, cement concrete is indispensable. However, there are many problems in the use of cement concrete. The biggest problem lies in the cracking of concrete, a complete concrete structure. If no cracking occurs, then the entire concrete structure is very stable, but if it is due to temperature, etc. As a result, cracks appear inside the concrete structure, then there will be a chain reaction, resulting in the entire concrete structure becomes very unstable, it may cause loss of human and financial resources and material, and even cause casualties, so the study of the cracking of cement concrete is very important.

This article is to study the temperature control system of the temperature stress testing machine. Through consulting the development status and research status of the domestic and foreign temperature stress testing machines, the temperature stress testing machine is used to study the crack resistance of the cement concrete, and the temperature change resistance to the concrete structure is studied. The impact of cracking performance, resulting in the latest conclusions. In this paper, the temperature control system of the temperature stress testing machine is studied by the combination of theory and practice.

The first chapter of this paper mainly introduces the research background of the temperature stress testing machine and the status quo of domestic and international research. The second chapter to the fourth chapter focus on the design of the temperature control system of the temperature stress testing machine. The scheme is divided into hardware and software solutions. The hardware solution mainly includes the design of experimental devices and the selection of temperature acquisition equipment and temperature control equipment. In addition, the hardware includes the setting of sensors, the design of signal conditioning circuits, the design of data acquisition systems, and the design of temperature rise and temperature drop systems. . The software part uses the virtual instrument technology to realize the software design of the temperature control system for the temperature stress testing machine through the virtual instrument technology. The software used this time is the LabVIEW 2014 version of the NI company in the United States. The data acquisition program is designed using this software. The data storage program, temperature control program, and system front panel, in which the data acquisition program also uses a database technology to store temperature history data through the database and display it in the display module.

Key Words：testing machine; virtual instrument technology; LABVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 温度应力试验机概述 3

1.4 虚拟仪器技术介绍 3

第2章 温度控制系统的总体方案设计 5

2.1 温度控制系统的系统需求和技术指标 5

2.1.1 温度控制系统的功能 5

2.1.2 技术指标 5

2.2 温度控制系统的总体设计方案 5

2.2.1 温度控制系统的硬件设计方案 5

2.2.2 温度控制系统软件设计方案 6

2.3 本章小结 6

第3章 温度控制系统的硬件设计 7

3.1 系统的硬件组成 7

3.2 温度传感器的选型 7

3.3 传感器位置设置 8

3.4 信号调理电路的设计 8

3.5 数据采集系统的设计 9

3.6 温度控制模块的设计 9

3.6.1 温升装置的设计 9

3.6.2 温降装置的设计 10

3.7 实验装置总体设计 10

3.8 本章小结 11

第4章 温度控制系统的软件设计 12

4.1 LabVIEW软件简介 12

4.2 系统的软件设计 14

4.2.1 系统前面板的设计 14

4.2.2 数据采集程序设计 15

4.2.3 数据保存程序设计 16

4.2.4 数据查询程序设计 17

4.3 本章小结 17

第5章 个人总结 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1 研究背景

水泥混凝土是当代十分重要的建筑材料，到目前已经有了一百多年的历史了，作为建筑材料中不可或缺的组成部分，所以如果水泥混凝土出现了问题，就会造成非常重大的事故和随时，所以水泥混凝土抗裂性的研究是工程试验中不可或缺的一部分，要如何减少裂缝的产生一直以来都是工程界的一个巨大挑战，由此来看，水泥混凝土的抗裂性和延展性的评判是十分重要的。

在一个混凝土构成的建筑建设的过程中，在建筑的早期，可能整个建筑搭建良好，但是由于温度变化，从而导致混凝土内部发生了很大的变化，而其中最重要的就是混凝土中各部分体积的变化，如果各部分体积变化率相同，那么这个混凝土结构可能就不会出现裂缝，然而很多时候，由于混凝土内部各部分之间温度各不相同，所以，其体积变化也会有很大的不同，从而由内到外，使混凝土结构开裂，从而影响建筑的稳定性和安全性，缩短建筑的寿命。

水泥混凝土的开裂，在其早龄期尤为显著，在早龄期的时候，由于胶凝材料与水混合，从而放出大量的热量，而这大量的热量，很大一部分会留在混凝土内部，不能扩散到空气中，所以很多时候其内部温度场会失调。在工程上最普遍使用的混凝土材料（普通强度混凝土），在建筑前期化学反应造成的收缩膨胀变化不大，所以，温度的变化造成的体积变化就是主要的观察对象。而温度变化又分为显著的两个阶段，分别是温升阶段和温降阶段，在温升阶段过程中，由于混凝土处于早龄期，因此其弹性模量比较小，这样混凝土内部的压应力并不会很大，从而出现裂缝的机会很小。在温降阶段，由于混凝土在此时已经基本成型完毕了，所以此时温度降低收缩时，结构内部刚度比较大，所以此时产生的拉应力十分显著，从而造成结构体出现裂缝。

温升阶段又称为膨胀阶段，此时一般是在混凝土浇筑过后几天的时间内，这个时候的膨胀系数跟混凝土的零应力温度梯度和内部性能有关， 所以实际应力温度梯度与零应力温度梯度是有所不同的，不同点就在于其内部结构，如果实际温度梯度与零应力梯度相同，那么，这样整个建筑结构内外膨胀比例一样，这样建筑就不会开裂。此外，并不是内外温度相同建筑结构就不会开裂，由于混凝土内部跟外部零应力温度梯度可能有所不同，这样会使得同温度下内外应力不同，从而导致开裂，更何况于生活中可能由于阳光照射等原因导致内外温差很大，导致内外应力差别巨大，造成混凝土结构开裂。所以，对于混凝土抗裂性能的研究还需更进一步。

然后就是温度下降阶段，温度下降阶段一般在混凝土建筑结构建筑完半个月，一个月甚至更久，这时候结构体产生的裂缝很大部分原因取决于混凝土的耐热极限以及松弛效果。耐热极限越高，建筑的前期开裂可能性就越大，例如很多结构体温度峰值甚至到了七八十摄氏度，这样温度下降带来的收缩应力很容易导致混凝土结构开裂。此外，外部温度也是影响混凝土开裂的因素之一，外部温度不仅影响水蒸气的蒸发速率，还会影响混凝土与水的化学反应，另外如果环境的温度变高，就导致水蒸气蒸发的速度变快，从而使得结构体更加快速地进入收缩期，这样，就使得水泥混凝土开裂时间提前。

本文结合国内外研究的现状进行温度应力试验机的设计，通过硬件设计，软件仿真等过程来达到对温度混凝土的温度应力梯度状态的研究，得到最新的结果。

1.2 国内外研究现状

自上个世纪初以来，混凝土的开裂就一直是项目施工中非常难以处理的问题，由于在实际施工过程中，会出现十分复杂的开裂问题，对于当前的理论体系和实验无法很好地预测和解决，所以，学者们一直在孜孜不倦地探索一种新的方法去解决混凝土开裂的问题，这样就形成的最初始的温度应力试验机的原型。

在上个世纪二十年代发生了建筑施工上一件十分重大的事情：两个建设相同项目的建筑 工地，在地基浇筑完工之后，时值正午，烈日炎炎紧接着发生了雷雨天气，从而导致一个工地施工路面发生了十分严重的开裂，而另外一块工地却没有发生这种现象，仅仅是因为使用的建筑材料的不同造成的吗？这些材料造成的因素又该怎样去进行量化，为之后的项目实施提供帮助。因此，很多学者开始着力于这一方面的研究。上个世纪九十年代，慕尼黑工业大学，对混凝土开裂进行了十分详尽的研究，从而成功研制出了混凝土开裂试验架，这也是温度应力试验机的雏形。紧接着，随着人们对混凝土的进一步研究，人们发现大量的混凝土与水发生化合反应的时候就会放出大量的热量，从而导致混凝土出现急剧升温，水蒸气蒸发加快，如果在此时进行浇筑就很可能由于混凝土后续的降温，从而导致混凝土内部应力失衡，从而产生裂缝。在早期人们通过将水泥中掺杂火山灰，使用遮光纸覆盖，淋水等手段，使混合过程中不至于失去太多的水分导致混凝土结构由于失水出现裂缝。

但是这也仅仅是对于混凝土材料，结构等进行初步的研究，在近代特别是近30年来，许多学者开始研究混凝土早期弹性模量以及强度与混凝土浇筑时候的温度，化学环境之间的关系，此后进行了很多混凝土约束性实验，从而研究出了单轴约束法，通过这种方法，我们可以很轻松地对混凝土的开裂性能进行分析和评判，通过这种方法，人们开发出了第一代温度-应力试验机，到了二十世纪八十年代，随着虚拟仪器的出现，温度应力试验机又有了进一步地发展，通过虚拟仪器，大大缩减了实验的时间，也节省了很多开发资金，温度应力试验机测量的时间十分漫长，所以通过数据库来进行整合测量的数据，从而达到减少人力物力财力的浪费。通过虚拟仪器及仿真软件，我们可以更加快速和准确地获取测量结果，对混凝土开裂状况进行更加客观的评估。

1.3 温度应力试验机概述

温度应力试验机最早是由德国慕尼黑工业大学设计出来的，当时由于道路施工等项目的需求，所以根据这个背景，研制出了初代温度应力试验机，也叫做单轴约束试验机，从此温度对应力的影响可以通过机器直接测得，但是却由于约束度无法通过公式量化，所以还存在很大的问题。