CN100561174C - 结构寿命指针监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种结构寿命指针监测系统，属机械结构的寿命监测领域，由电桥、仪表放大器、低通滤波电路、模数转换模块、数字信号处理器(DSP)、现场总线接口等几大部分组成。固定在机械结构表面的应变传感器与电桥前端组成测量电桥，电桥的输出经信号处理模块放大与滤波后，进入模数转换模块转化成数字信号，被DSP内部的寿命分析算法进行剩余寿命的实时分析后，结果通过现场总线实时传送到控制节点或控制计算机。由于该寿命指针监测系统具有现场总线接口，可构建分布式寿命指针系统的网络结构，实现大型结构多部位的实时在线寿命监测。寿命指针监测系统具有体积小、重量轻、方便组网、使用方便等特点。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种用于机械结构的寿命监测与指示的单元模块，属于机械设计、工程力学、测试测量技术、工业通信等的交叉领域。
二、背景技术
对于飞行器、船舶等大型结构，其服役环境的复杂性，载荷历程的多变性，经常导致结构的突然失效，引起突发性事故。结构的安全一直是工程界普遍关心与研究的问题。通常都通过结构强度设计来确保结构的安全使用，而进行设计所依赖的数据都来源于在实验室采用简单试样进行的试验。由于未充分考虑实验室载荷与实际服役载荷的差异，很难准确确定结构在实际服役期间的寿命。机械故障诊断技术被用于许多重要机械设备，但因疲劳破坏的复杂性、局部性和突然性，单纯的故障诊断技术很难用于疲劳寿命监控。此外，一般故障需要复杂的专门设备和信息处理技术，不宜广泛实施。而结构损伤监测主要是监测结构疲劳裂纹的扩展阶段，而裂纹产生阶段的寿命占到结构总寿命的绝大部分，往往在结构监测技术中不予重视。尽管可以对某些大型结构(如电站、桥梁、管道等)进行实时监测，但还缺乏可以方便真实地反映结构疲劳寿命的设备或系统，不能实时在线提供结构的受载情况及其剩余寿命信息。
大型复杂结构在复杂载荷环境下，需要监测的危险部位往往很多。实现基于多传感器和疲劳断裂预测方法的寿命指针技术，需要构建简单可靠的分布式测控网络。现场总线是近年来得到极大发展的一种工业测控网络技术，它使得现场智能设备之间、现场智能设备和控制室设备之间构成网络互联系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信。将现场总线技术满足大型复杂结构的寿命监测的使用要求，具有技术先进、结构简单、可靠性高、安装维护费用低等特点。
三、发明内容
本发明的目的，在于通过实时监测结构危险部位所受的载荷，在线分析损伤演变，预示结构的剩余寿命，并通过现场总线技术将结果传输给控制计算机。以此来评估结构的安全与破坏风险，确保结构安全的一种重要发展途径。寿命指针监测系统由电桥前端、仪表放大器、低通滤波电路、模数转换模块、数字信号处理器(DSP)、现场总线接口等几大部分组成。固定在机械结构表面的应变传感器与电桥前端(由三个精密测量电阻组成，与接入的应变片一起即构成完整电桥)一起组成完整的电桥，电桥的输出经信号处理模块的放大与滤波后，进入模数转换模块转化成数字信号送入DSP，被DSP内部的寿命分析算法进行剩余寿命的分析后，结果通过现场总线传送到控制节点或控制计算机。由于寿命指针监测系统具有现场总线接口，可构建分布式寿命指针监测系统的网络结构。寿命指针监测系统实时监测、分析结构危险部位所受的载荷，利用疲劳寿命预测方法，预测结构的剩余寿命，提高结构安全性。寿命指针单元具有以下特点：
实时在线获得实际寿命；
具备现场总线接口，能方便组成分布式寿命监测网络，实现大型结构多部位的实时在线寿命监测；
采用了新型集成电路，因而体积小、重量轻，可使用在各种机械结构中；只需接入应变传感器和电源即可工作，使用方便。
四、附图说明
图1为结构寿命指针监测系统原理框图。
图2为现场总线接口的电路原理图。图中U14为光耦隔离器件，U15为CAN总线收发器。
图3为一个信号处理通道接口的电桥电路与调理电路的原理图。图中U31为仪表放大器，U32为运算放大器。
图4为模数转换电路与数字信号处理器(DSP)引脚连接的电路图。图中U21为缓冲器，U22为模数转换器。
五、具体实施方式
图1是结构寿命指针监测系统的原理框图。该系统以数字信号处理器(DSP)为微处理器，可接入3个以单臂电桥的形式进行工作的应变片，即三个结构表面应变传感器与三个电桥前端组成三个电桥，三个电桥输出的微弱信号经放大器和滤波电路后，形成三个通道分别进入模数转换后，转换为数字信号后输入DSP，由DSP进行处理和分析，并可通过现场总线CAN接口向外部传输数据。
现场总线接口的电路图如图2所示。CAN总线作为广泛使用的一种现场总线，用于组成监测网络。当在大型结构中使用时，可以简单方便地通过现场总线组成寿命指针监测网络。CANT、CANR与DSP对应引脚相连，CANL、CANH与CAN总线的通信介质(双绞线)相连，U14为光耦隔离器件，U15为CAN总线收发器。
电桥前端由精密测量电阻构成，与结构表面的应变片一起构成完整的直流电桥。信号调理电路由仪表放大器、滤波电路、电压调整电路组成，电压调整电路将放大后的电桥差动输出调整至后续模数转换器的输入范围。电桥前端和信号调理的电路图如图3所示。传感器两端接入SGxA、SGxB，与电阻R31、R32、R33组成电桥后的输出经仪表放大器U31放大，并与VREF求和，形成单边正电压信号后，由低通滤波器U32进行滤波去除高频干扰后输出。由增益电阻RG控制仪表放大器U31的增益，REF引脚连于基准源的输出VREF，用于将仪表放大器U31输出的双端电压转换成单端电压。
图4是模数转换电路的连接示意电路。采用4通道16位200KHz采样频率的模数转换器U22，U22通过串行总线SPI受到DSP的控制，其中3个通道分别接经调理后的应变信号，1通道接电桥电压，在应变信号进行采样时，还对电桥电压进行采样，降低电桥电压不稳定因素对测量精度的影响。SPIC、SPII、SPIO分别与DSP的SPI接口对应引脚相连，SPIC、SPII、SPIO均经缓冲器U21缓冲和保护，模数转换器U22在DSP的控制下进行采样，采样完毕后发出的中断信号经U21缓冲后传到DSP的外部中断引脚XINT1。SPISC是经过逻辑转换处理后的片选信号。电压基准源U23的基准电压输出既供给模数转换器U22作采样基准，也供给图3中的仪表放大器U31作加法运算。
本发明的工作过程是：DSP定时启动数据采集程序，对经放大滤波处理的传感器输出进行采样，并保存数据。当数据堆栈到一定深度时，对数据进行计算获得监测部位的剩余寿命，并间隔一段时间发送一次剩余寿命值，也可接受主机的指令发送当前剩余寿命值。
Claims (1)
1、一种结构寿命指针监测系统，其特征在于，包括三个结构表面的应变传感器、三个电桥前端、三个仪表放大器、三个低通滤波电路、模数转换电路、数字信号处理器DSP、现场总线接口电路、电源模块、电桥电源，其中三个结构表面的应变传感器与三个电桥前端组成三个电桥，三个电桥输出的微弱信号经仪表放大器放大后再经低通滤波电路形成三个通道，三个通道均分别连于模数转换电路，模数转换电路通过串行总线SP工连于数字信号处理器DSP，由数字信号处理器DSP进行剩余寿命的分析后，得到结构受测部位的剩余寿命，并通过现场总线接口电路传送到控制节点或控制计算机，电源模块的输出通过电桥电源分别连于电桥前端和模数转换电路，所述现场总线接口电路包括光耦隔离器件和CAN总线收发器，光耦隔离器件的CANT脚和CANR脚与数字信号处理器DSP对应引脚相接，光耦隔离器件和CAN总线收发器双向连接，CAN总线收发器的CANL脚和CANH脚与CAN现场总线相连，所述数字信号处理器DSP还分别与测试访问端口JTAG双向相连，与外部存储器SRAM双向连接，所述电桥前端由精密测量电阻组成。
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