CN102292632A

CN102292632A - 恒电位仪数据链路

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Publication number: CN102292632A
Application number: CN2009801400850A
Authority: CN
Inventors: W.I.伯克斯; M.莫希尔
Original assignee: CORPORATE LEGAL SERVICES LLP; Kreuzfeld Ltd; PALISADES CAPITAL LLC
Current assignee: CORPORATE LEGAL SERVICES LLP; Kreuzfeld Ltd; PALISADES CAPITAL LLC
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2029-08-12
Also published as: EP2316016A4; US20120283964A1; WO2010019681A3; RU2533346C2; EP2316016A2; CA2734247A1; US9128000B2; AU2009282053B2; CN102292632B; CA2734247C; AU2009282053A1; RU2011109187A; WO2010019681A2

Abstract

提供一种恒电位仪数据链路（PDL）单元，其可以远程监控金属结构中的裂纹的形成和增大。PDL包括：包含两个或更多个经过修改的恒电位仪的密封箱盒、电源、CPU、存储器设备和计算机联网能力。所述PDL可以被安装在难以接近的远程位置。每一个恒电位仪具有到传感器的引线，所述传感器被固定到要对其分析由于金属结构中的金属疲劳而存在正在增大的裂纹的结构上。

Description

恒电位仪数据链路

技术领域

提供一种可以远程监控金属结构中的裂纹的形成和增大的恒电位仪数据链路（PDL）单元。

背景技术

已知本领域内的电化学疲劳传感器（EFS）系统能够检测到由于受到循环应力的金属结构（比如公路桥）中的金属疲劳而出现正在增大的裂纹。用于检测金属结构的疲劳状况的EFS系统包括至少两个电化学传感器以及用于在所述结构（基底）与传感器之间施加极化电压（从而产生电解池（cell））的恒电位仪。在WO 2007/040651中公开了可用于这种方法的EFS传感器。

EFS系统根据电化学原理工作。对所述结构进行极化以便在将要测试的表面上产生一层保护性钝化膜。所述结构与电极之间的极化电压在所述电解池中产生DC基电流。如果EFS所探查的结构受到循环应力，则流进所述电解池中的电流会与机械应力状态的变化成复杂关系地波动。因此，在循环应力期间会有AC电流叠加在DC基电流上。取决于结构的材料和加载条件以及结构中的疲劳损伤的状况，所述电解池的瞬态电流提供关于疲劳损伤的状况的信息。

由于受到循环加载和疲劳的金属结构构件常常处在难以接近的位置，因此远程感测是一种用以监控这种位置的有吸引力的措施。具有到中央计算机的无线链路和传感器的用于远程使用的感测设备是已知的。例如参见由Global Security Solutions推销的无线气体监控器：http://www.global-security-solutions.com/WirelessMultiChannelHazMatMonitor.htm。

EFS系统作为用于老化的基础设施（特别是公路桥）的监控工具正取得越来越多的重要性。当前处于使用中的许多桥梁已经超过其计划的使用期限并且承载比预期更多的交通量，而且金属疲劳是极大关注的对象。因此，存在对改进用于检查桥梁和其他更老旧基础设施的检查方法的需要。

发明内容

在一方面中，本发明提供一种恒电位仪数据链路（PDL）单元，其包括：包含两个或更多个经过修改的恒电位仪的密封箱盒、电源、CPU、存储器设备和计算机联网能力。所述PDL可以被安装在难以接近的远程位置，并且在几天到几个月的一段时间内无需照管。所述箱盒可以是不受天气影响的。在所述箱盒内的是电子电路板和电源。所述电子电路板包括至少两个计算机控制的恒电位仪、微处理器、数据存储装置以及数据传输功能。传感器引线、电连接器以及指示灯通过密封箱壁伸出。

在另一方面中，所述箱盒包括基于无线通信标准（比如802.11b/g）的无线数据链路，以便与位置远离所述PDL的中央计算机进行通信。

在一个实施例中，所述电源是电池。所述电池可以是可再充电的。或者，所述PDL可以连接到公共电网。在另一个实施例中，所述PDL可以由太阳能电池供电，所述太阳能电池还可以进一步被配置成为所述电池再充电。

在另一方面中，所述PDL可以具有将所述PDL箱盒稳固地固定到铁磁性结构（比如钢梁）上的磁足。

在另一方面中，本发明提供一种用于测量金属结构的疲劳状况的方法，包括恒电位仪数据链路，所述恒电位仪数据链路包括微处理器控制的恒电位仪、电源以及至少两条传感器引线，其中把EFS传感器安置在每一条引线的末端处，并且每一个传感器被固定到要对其分析疲劳状况的金属结构上并且与之电接触。所述恒电位仪在循环加载期间施加通过所述传感器的电压，并测量经过所述传感器的电流，将所述测量数字化，并且将数字化的数据传送到计算机以用于分析所述金属结构的疲劳状况。

在某些实施例中，所述PDL实时地向中央计算机传送数据，从而允许评估数据的质量，或者允许工程师实时地评估受分析的结构的疲劳状况。从PDL到中央计算机的通信可以是经由以太网线缆或无线数据链路的。在一个替换实施例中，所有数据都被存储在闪存中，比如可移动存储卡。随后可以通过移动所述卡或者通过将数据无线传送到计算机来取回所述数据，以供在后来的某一时间进行分析从而评估所讨论的结构的疲劳状况。

本发明的PDL单元可用于分析金属结构的金属疲劳状况，比如公路或铁路桥、公路标志结构、离岸钻井平台、船舶或者飞行器机体。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的示意图。

图2是示出PDL单元的顶部和底部如何装配在一起的透视图。

图3是PDL电子电路的框图。

图4是本发明的经过修改的恒电位仪的各组件的框图。

具体实施方式

电化学疲劳传感器（EFS）系统是用于监控受到循环应力的金属结构的疲劳状况的有用工具。“疲劳状况”一词意味着EFS系统能够评估金属结构中的裂纹在循环应力期间是否在增大。循环应力是施加到所讨论的结构上的应力，例如在公路桥中，车流交通就在所述结构上施加循环应力。在检测到正在增大的裂纹时，工程师可以在问题的严重性和发生灾难性故障的可能性或者补救性修理需求等方面做出决定。

在许多受到循环应力的结构中，关键性结构支撑构件处在难以接近的位置处。为此原因，可能希望在难以接近的位置处安装感测设备并且远程监控所产生的数据。此外，还希望利用本发明的EFS系统随着时间监控关键性位置，所述时间从几小时到几个月不等，以便获得关于关键性结构构件的疲劳状况的最佳可能写照。

相应地，本发明提供一种可以被用在难以接近的位置处的恒电位仪数据链路（PDL）设备。在一个实施例中，提供一种恒电位仪数据链路，其可以包括：外壳；至少一对微处理器控制的恒电位仪，其中每一个恒电位仪具有到传感器的传感器引线，所述传感器被固定到要对其分析由于金属结构中的金属疲劳而存在正在增大的裂纹的结构上；电源；以及接地连接，其中所述恒电位仪被用来监控所述金属结构的疲劳状况。

在另一个实施例中，本发明提供一种恒电位仪数据链路，其可以包括：不受天气影响的外壳；至少一对微处理器控制的恒电位仪，其中每一个恒电位仪具有到传感器的传感器引线，所述传感器被固定到要对其分析由于金属结构中的金属疲劳而存在正在增大的裂纹的结构上，并且每一个恒电位仪具有一个模拟到数字转换器；微处理器；存储器存储设备；至少一个数据通信端口；电源；以及接地连接，其中所述恒电位仪被用来监控所述金属结构的疲劳状况。

在另一个实施例中，本发明提供一种用于测量金属结构的疲劳状况的方法，其可以包括恒电位仪数据链路，所述恒电位仪数据链路包括至少一对微处理器控制的恒电位仪、电源、至少两条传感器引线以及至少一个接地连接，其中把EFS传感器安置在每一条引线的末端处，并且每一个传感器被固定到要对其分析疲劳状况的金属结构上并且与之电接触；其中，所述恒电位仪在循环加载期间施加通过所述传感器的电压、测量经过所述传感器的电流并且将所述测量数字化，以便分析所述金属结构的疲劳状况。

在图1中示出了本发明的系统的示意性表示，其示出了在对桥梁7的金属疲劳的假设性分析中的各个部件之间的关系。

PDL单元2具有针对每一个检查位置所必需的所有数据收集、数据处理和数据存储能力。所述PDL包括外壳、电子电路板、电源和传感器引线。所述外壳可以是不受天气影响的。PDL单元可以具有可移动的存储器设备3以用于存储数据，比如标准SD卡或USB闪存驱动器。此外，所述PDL将具有连接到传感器5的传感器引线4，所述传感器5被固定到要对其分析金属疲劳的结构7（例如桥梁）上。

所述电源可以是电池，其可以是可再充电的。所述PDL还可以具有为电池再充电的太阳能电池。

在对结构进行分析期间，本发明的PDL单元对现场（onsite）中央计算机1来说实质上是机器人设备，其可以控制所述分析的各方面，比如数据收集的计时、由恒电位仪产生的电压、数据收集参数或者接通或关断各个组件以节省电力。所述中央计算机将处在进行分析的地点。所述中央计算机接着还可以与可能远在数千英里之外的远程位置9进行通信（可能经由因特网8），技师或工程师可以在所述远程位置9处监控所述分析。

相应地，所述PDL具有计算机联网能力以便与现场中央计算机进行通信，并且PDL单元可以具有RJ45以太网端口（IEEE 802.3）。此外，PDL单元可以具有利用诸如802.11b/g之类的标准网络通信协议的无线数据链路10。在其中PDL具有无线联网能力的实施例中，提供无线接入点，所述无线接入点是可以物理地处在现场中央计算机内或者被提供为单独的箱盒的商用设备。无线接入点通常是无线路由器。如果PDL单元具有无线数据链路，则所述单元将具有天线。所述天线可以具有可能长达10英尺的电线以及用于附着到适当位置处以便提供与所述接入点的良好无线电联系的磁性底座。

所述PDL单元可以具有附着到所述底座上的强磁体，其允许用户将PDL附着到柱梁（比如钢梁）的侧面。

PDL物理描述

参照图2，PDL单元可以具有轻量型金属外壳或箱盒。优选地，所述箱盒由铝制成。如果所述单元打算被用在室外位置处，则所述箱盒可以是不受天气影响且防水的。金属外罩可以为箱盒内部的电子组件提供电磁屏蔽。在一个实施例中，所述箱盒可以被设计成分成两部分，顶部100和底部200。电路板110可以被安装在顶部部分100上，且电池210可以被安装在底部部分200中。这样就可以在不干扰其它组件的情况下很容易地接近电池和电路板二者。

在该实施例中，可以把所述顶部和底部箱盒盖用螺钉固定在一起以便固定这两半，例如作为密封的单元。螺钉被描绘为225，且螺孔被描绘为220。此外，还可以提供垫圈或橡胶密封240，其提供顶部部分与底部部分之间的防水密封。这样就允许PDL在恶劣天气下正常运转而不会对内部组件造成损害。还可以在有可能使水漏进所述单元中的开关、连接器、灯等周围提供密封。

所述箱盒优选地配备有强稀土磁体230以作为底部上的足。所述磁体允许快速且牢固地安装到桥梁的柱梁上。优选地，在所述磁体与箱盒之间插入橡胶衬套，以便最小化从所述结构到PDL的振动。

所述箱盒包含几个通过箱盒壁伸出的输出。这些可以包括：接通/断开开关400；在一个优选实施例中，所述开关覆盖有保护性托架以防止在装运期间意外激活；电池充电插座450，其用以允许在无需打开所述箱盒的情况下对电池充电；具有不同颜色的灯的一个或多个LED指示器430，其用以例如表明所述单元接通并且电池被充电，或者表明电池正在充电，或者表明电池电量低；传感器插座440，其用于把传感器线缆连接到PDL箱盒；RJ45以太网连接器410；以及天线连接器420，在该处把无线天线插入到PDL单元中。

电池210通过电力线缆连接到电路板110。所述电池可以是紧凑型铅酸电池或者某种其他类型的电池，优选地可再充电的比如锂离子或镍金属氢化物电池。在一个替换实施例中，所述PDL可以连接到外部电源。

电子电路板

优选地，PDL中的所有电子电路都被容纳在单个电路板上。图3中示出了框图。其可以在逻辑上分解成5个基本组件：

· 恒电位仪—其由多个分立的恒电位仪组件构成，并且负责捕获传感器数据。每一个PDL单元具有至少两个恒电位仪（裂纹和参照对），具有附着附加的各对的选项。虽然在物理上被附着到主电路板上，但是所述恒电位仪被电隔离，以防止来自其他电路的噪声破坏。

· CPU—执行指令并控制其他组件的中央处理单元。

· 数据存储装置—在一个优选实施例中，PDL包含闪存设备，例如利用标准FAT文件格式的工业标准安全数字（SD）卡。替换的存储器设备也是可能的，比如USB闪存驱动器或紧凑型硬盘驱动器。所述存储器设备可以存储供将来分析的EFS数据以及用于CPU的编程指令。所述闪存可以是可移动的。

· 数据传输—可以提供数据通信端口。其可以使用无线协议（802.11b/g）来通过接入点与远程PC进行通信，以便进行远程PDL控制和数据下载。在提供无线联网的情况下，所述电路板将具有“WiFi”模块。所述WiFi模块也被称作“WiPort”。还可以存在用于有线连接的RJ45连接器，其例如基于工业标准以太网协议。

· 功率控制—电压水平由CPU基于各组件的需要来控制。在一个实施例中，采用6伏特电源。这可以由6伏特电池提供，但是其他电源也是可能的。举例来说，可以存在为PDL单元供电或者为电池再充电或者执行全部两项功能的外部电源或太阳能电池。

此外，所述PDL可以具有其他电子硬件特征，比如：

· 用来对诸如数据收集功能之类的功能进行计时的实时时钟。所述实时时钟应当具有单独的电池以便即使在所述电路板完全断电的情况下也保持计时；

· 允许PDL控制对电池进行充电的充电电路，从而在电池达到满电量时将其关断；

· 用来以视觉方式传达PDL的状况的LED；

· 在电池完全充电时从红色变为绿色的LED充电指示器；

· 为了方便起见可分离的传感器线缆和天线。

恒电位仪

所述恒电位仪是定制设计的电子电路，其由CPU控制来向EFS传感器提供恒定的可编程电压。在图4中示出了恒电位仪的框图。恒电位仪测量经过传感器的电流。恒电位仪利用模拟到数字转换器将所述电流测量数字化，并且提供用于向CPU传递数据的机制。由于所进行的灵敏的微测量，恒电位仪应当与电路板的剩余部分电隔离，以便防止噪声滑入并破坏数据。恒电位仪电路还包括可以从CPU调节的电压和增益设定，以使得其能够工作于不同类型的金属。可以提供经过放大的模拟输出以便能够访问被数字化之前的实际模拟数据。

每一个恒电位仪连接到一个EFS传感器并且接地到要分析的结构。从而在传感器、所述结构与接地之间形成电解的恒电位仪池。

需要两个传感器来分析单一裂纹处的金属疲劳。因此，本发明的PDL单元成对地采用恒电位仪，其被称作“裂纹”和“参照” 恒电位仪。参照传感器被放置在裂纹或潜在裂纹附近，但是处在判断将不可能出现裂纹的位置处。裂纹传感器被放置在裂纹上或邻近裂纹，其优选地处在裂纹的前沿上。在对金属疲劳的分析中采用来自所述两个传感器的恒电位仪信号之间的差异。

在一个优选实施例中，在单个PDL单元中提供两对或更多对恒电位仪和传感器。按照这种方式，可以通过单个PDL单元同时访问彼此接近的多条裂纹。在某些实施例中，两个或更多个恒电位仪可以共享到受测试的结构的单一接地连接。

计算功能

所述电路板围绕其CPU设计，其是可编程闪存设备。CPU可以与中央计算机进行通信。所述通信可以是经由网络连接的，有线以太网连接或者利用诸如802.11b/g之类的协议的无线连接。在另一个实施例中，中央计算机被用来在安装于测量地点之前对每一个PDL单元进行编程，其中所述PDL单元独立地操作一段时间。在该实施例中，所有数据都将被保存到内部存储器设备，其可以被移动并且在后面被分析。

在具有到每一个PDL的网络连接的典型安装中，在单一地点处可能有几个并且可能多达几十个PDL单元。中央计算机对每一个PDL单元进行编程及控制。被控制的参数可以包括对应于数据收集的开始和停止时间、对应于恒电位仪的电压参数以及数据收集参数（比如模拟－数字转换器的采样率）。电压参数可以根据受测试的结构而改变，从而对于每一个结构和传感器集合，都存在一个提供最优信噪比的电压。所述中央计算机可以监控每一个PDL并且传送关于最优信号收集参数的指令。

来自每一个PDL的数据可以被本地存储，例如存储在诸如SD卡之类的可重写介质上，并且可以被可选地实时传送到中央计算机。如果是实时传送，则分析师可以实时监控所述疲劳检测信号以便例如确定所述信号的质量，或者针对受测试的结构的疲劳状况进行手动调节。

在一个实施例中，所述存储器设备可以是闪存设备，比如SD卡或USB闪存驱动器。闪存是可以进行电擦写和再编程的非易失性计算机存储器。这种技术主要用在存储卡和USB闪存驱动器中以用于计算机和其他数字产品之间的一般性数据存储和传输。闪存设备采用特定类型的EEPROM（电可擦写可编程只读存储器），其被大块地擦写及编程。闪存是非易失性的，并且不需要电力来保持存储在所述设备中的信息。

本发明的PDL中的CPU的各项功能如下：

· 用于CPU的操作指令被存储在诸如闪存的存储器设备中。优选闪存是因为其功率消耗低于盘驱动器，并且使得PDL CPU能够几乎瞬时地开始和停止。

· CPU可以启用或禁用到恒电位仪的电力。其还规定恒电位仪电压并且读取数字化的数据。其对所述数字化的数据进行加密并将其存储在本地缓冲器中。当缓冲器满时，其把整个缓冲器的数据写到闪存中。

· CPU可以从中央计算机接收关于数据收集参数（开始时间、持续时间、采样率等等）的指令。这些参数被存储在闪存上，并且每当通电时被加载。这就允许在收集数据之前或者甚至在检查位置处设立PDL之前适当地设定数据收集参数。

· 每当现场中央计算机（图1，编号1）连接到PDL时，CPU可以将板上实时时钟与所述计算机同步，从而确保二者都在相同时间帧内工作。所述实时时钟被用来基于先前设定的参数识别出数据收集应当何时开始。

· CPU还可以通过基于配置参数启用或禁用到WiFi模块（如果存在的话）和恒电位仪板的电力来节省电池电力。这在检查位置可能很远而且没有外部电力可用的情况下是一项特别有用的特征，并且所述PDL可以被配置成在几天、几周或几个月的持续时段内收集数据。在这种情况下，电力节省可能是很重要的。

· 可以指示CPU从恒电位仪经由网络连接向中央计算机流送实时传感器数据。这在安装传感器时是一项至关重要的特征以确保其被正确安装。这样在早期发现问题时就允许安装者在离开位置之前解决问题。

· CPU对于与现场计算机的大多数通信充当“中间人”。但是在特定事例中，更加高效的做法是把CPU从通信链路中去除。举例来说，在下载数据文件时，CPU指示WiFi模块直接与存储设备通信。这样就提高了速度和效率二者。

CPU在固件上运行指令集。可以通过加载新固件来修改CPU的行为。所述固件被存储在闪存中，并且即使在从PDL中完全移除电池时也将得到保持。PDL固件的某些方面可以是：

· 无线可升级—在固件中做出新的改进时，可以把所述固件无线上载到PDL以便很容易地允许升级。

· 可编程数据采集—可以对PDL进行编程以便在将来的几小时或几天无线捕获数据，这只由电池的使用期限限制。

· 电力选项—PDL具有几个选项来节省电力。在不使用时可以禁用恒电位仪，并且可以每小时将无线芯片关断持续任意可选的分钟数，或者直到将来的某一点为止。这些特征可以大大延长电池的使用期限。

· 实时流送数据—可以把来自恒电位仪的数据保存到SD卡，或者无线流送到PC。这就允许实时传感器监控和传感器安装问题的早期检测。

· 远程可配置—PDL可以被远程配置，包括采样率、恒电位仪电压、PDL名称等等。

· 远程监控—可以在PC上远程观看电池电压、程序状况、数据文件列表等等。

· 远程数据下载—可以在将来某一时间将数据无线下载到PC。用户简单地请求已被保存的文件列表，并且选择所期望的文件以进行下载。

· 此外，固件是可升级的，从而可以通过简单的固件升级添加新的特征。

诸如SD卡之类的工业闪存卡是有利的。在某些实施例中，PDL被设计成具有用于可重写闪存介质的板上插槽，比如标准FAT格式的SD多媒体闪存卡或者USB闪存驱动器。这就允许将数据存储在内部以供后来分析。SD数据卡或USB闪存驱动器是可移动的并且很容易插拔。所述闪存可以存储指令信息，比如何时捕获数据（即某天的具体时间）、捕获多少数据以及其他关键参数。虽然常常有必要通过到计算机的无线链路下载数据，但是有时可能更容易的做法是等到直到捕获所有数据为止，随后在后来的某一方便的时间从PDL移除所述卡并且将数据从所述闪存设备直接上载到计算机。

Claims

1. 一种恒电位仪数据链路，包括：外壳；至少一对微处理器控制的恒电位仪，其中每一个恒电位仪具有到传感器的传感器引线，所述传感器被固定到要对其分析由于金属结构中的金属疲劳而存在正在增大的裂纹的结构上；电源；以及接地连接，其中所述恒电位仪被用来监控所述金属结构的疲劳状况。

2. 权利要求1的恒电位仪数据链路，还包括到另一台计算机的网络连接。

3. 权利要求1的恒电位仪数据链路，还包括存储器设备。

4. 权利要求1的恒电位仪数据链路，其中，所述外壳是不受天气影响的箱盒。

5. 权利要求1的恒电位仪数据链路，其中，所述外壳具有用于将该外壳固定到铁磁性结构上的磁足。

6. 权利要求1的恒电位仪数据链路，其中，所述电源是可再充电的电池。

7. 权利要求1的恒电位仪数据链路，其中，所述恒电位仪包括可编程电压设定以及对应于所接收到的信号的模拟到数字转换器。

8. 一种恒电位仪数据链路，包括：不受天气影响的外壳；至少一对微处理器控制的恒电位仪，其中每一个恒电位仪具有到传感器的传感器引线，所述传感器被固定到要对其分析由于金属结构中的金属疲劳而存在正在增大的裂纹的结构上，并且每一个恒电位仪具有模拟到数字转换器；微处理器；存储器存储设备；至少一个数据通信端口；电源；以及接地连接，其中所述恒电位仪被用来监控所述金属结构的疲劳状况。

9. 权利要求8的恒电位仪数据链路，其中，所述微处理器具有CPU、固件、软件和随机存取存储器。

10. 权利要求8的恒电位仪数据链路，其中，由所述模拟到数字转换器产生的数据被存储在所述存储器存储设备上的文件中。

11. 权利要求10的恒电位仪数据链路，其中，所述存储器存储设备是闪存设备。

12. 权利要求8的恒电位仪数据链路，其中，所述存储器设备是可移动的。

13. 权利要求8的方法，其中，由所述模拟到数字转换器产生的数据被实时传送到中央计算机。

14. 权利要求8的方法，其中，无线连接把由所述模拟到数字转换器产生的数据传送到中央计算机。

15. 权利要求8的恒电位仪数据链路，其中，所述数据通信端口是以太网端口。

16. 权利要求8的恒电位仪数据链路，其中，所述数据通信端口是无线网络设备。

17. 一种用于测量金属结构的疲劳状况的方法，包括：

恒电位仪数据链路，所述恒电位仪数据链路包括至少一对微处理器控制的恒电位仪、电源、至少两条传感器引线以及至少一个接地连接，其中把EFS传感器安置在每一条引线的末端处，并且每一个传感器被固定到要对其分析疲劳状况的金属结构上并且与所述金属结构电接触；其中所述恒电位仪在循环加载期间施加通过所述传感器的电压、且测量经过所述传感器的电流并且将所述测量数字化，以便分析所述金属结构的疲劳状况。

18. 权利要求17的方法，还包括中央计算机以及一个或多个恒电位仪数据链路设备，其中，每一个恒电位仪数据链路向所述中央计算机实时传送数据。

19. 权利要求17的方法，其中，所述金属结构是从公路或铁路桥、公路标志结构、离岸钻井平台、船舶和飞行器机体中选择的。

20. 权利要求19的方法，其中，所述金属结构是公路或铁路桥。