CN102759574A - 一种声发射智能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声发射智能传感器，它是一种由微处理器驱动的复合感知和能量捕获相混合的柔性传感器，且具有通信与板载数据处理功能。其自诊断、自组织、自充电和易安装的特点，特别能够满足在线连续自动监测的市场需求。例如天然气/石油泄漏与腐蚀的在线连续自动监测、机场混凝土结构健康与安全的在线连续自动监测以及高铁路轨健康与安全的在线连续自动监测等等，并为提前预测意外的又是必然要发生的事故，提供声发射无线传感器网络解决方案。如图1为一种振动自充电的声发射智能传感器结构示意图，即将锂电池1、无线通信器2、塑料外壳3、声发射传感器4、微处理器5、红外探测器6、振动发电器7和固定件8集成为一种声发射智能传感器401。

Description

一种声发射智能传感器

技术领域：

本发明涉及传感器、通信、微电子、能源以及柔性制造技术领域，特别是一种声发射智能传感器。

背景技术：

2010年4月20目的晚上，在墨西哥湾BP公司的深水地平线(DeepwaterHorizon)号海上钻井平台发生了海上原油外溢事故。尽管这是一次意外的又是必然要发生的行业事故，但它给BP公司的股价下跌48％，即抹掉910亿美元市值，它给当地经济造成了超数千亿美元的巨大损失。无独有偶，2009年12月陕西省渭南境内中石油输油管道破裂导致柴油泄漏，污染水体进入黄河，成为一起影响生态的意外事故。

现今为了能够提前预测意外的又是必然要发生的事故，人们已推出许多高技术产品与解决方案。如北京航空航天大学等单位提出了一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统(发明专利号：CN20110207340)，该系统具有检测频带宽(50KHz～300KHz)、灵敏度高、响应速度快(＞10MHz)、传输距离远、抗电磁干扰、抗震动、抗潮湿、抗腐蚀等能力强。以光纤材质制作的传感器具有质量轻、体积小、埋入性好等优点。然而这样基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统易受环境温度的影响；再者，其激光能耗会随着距离的增长而明显衰减，故它不适合在大范围内进行在线连续自动监测泄漏、破裂等意外事故。还有，江西理工大学等单位于2008年推出了一种智能声发射连续监测仪(发明专利号：200810089981.6)，该仪器通过微处理器自动运算，实时显示并存储典型声发射参数，可连续存储2～3个月的数据。因为它是一种岩体、混凝土和金属结构等材料稳定性的监测仪器，故不能够在野外的复杂环境中自行完成长时间的在线连续监测岩体、混凝土和金属结构健康与安全。最近，国际市场的新一代气体探测系统是由【美】艾默生公司研制开发的Banshee343型号的超声气体泄漏探测器，使用4个高灵敏度的声敏传感器，可以连续监测由受压气体排放而产生的超声波，其仪表设计可以满足最严酷的工业环境条件和保证在工作寿命期间不要求任何校准或更换元件。无疑，Banshee343超声气体泄漏探测器较适合天然气/石油泄漏与腐蚀的在线连续自动监测，该产品的最显著工作特性是只有在天然气/石油管道或阀门等设备出现了断裂缝，并排放出超声波信号的受压气体时，它才能正常工作，否则无效。换言之，在设备受到外界负载过程中，虽没超过金属材料的屈服点，即不变形、无断裂缝，但是设备的结构健康与安全却受到了威胁，且正沿着设备内部微裂纹形成——裂纹扩展——断裂缝产生的进程发展。此时面对这种结构病态Banshee343探测器则无能为力。这也就是新一代气体探测系统不能做到提前预测天然气/石油行业里意外的而有时必然要发生的泄漏与腐蚀事故的短板。

发明内容：

本发明的目的是为提前预测意外的又是必然要发生的事故，提供一种声发射智能传感器和声发射WSN解决方案。如图1为一种振动自充电的声发射智能传感器结构示意图，即将锂电池(1)、无线通信器(2)、塑料外壳(3)、声发射传感器(4)、微处理器(5)、红外探测器(6)、振动发电器(7)和固定件(8)集成为的一种声发射智能传感器(401)。如图4，声发射WSN解决方案路线是从声发射智能传感器(401)的自组织、自诊断、自充电和易安装的特点出发，获取与处理数据并通过M2M互联网终端——智能手机、PC机和平板电脑即时传递到客户管理/监控平台中的专家系统、数据库和信息服务，完成智能分析与决策。

本发明公开的一种声发射智能传感器，它是由微处理器驱动的复合感知和能量捕获相结合的柔性传感器，且具有通信与板载数据处理功能。其自诊断、自组织、自充电和易安装的特点，特别能够满足在线连续自动监测的市场需求。

所说的一种声发射智能传感器是由微处理器驱动的复合感知，指的是以声发射感知为主的多重传感器的复合感知，如声发射/红外、声发射/超声波和声发射/温湿度等等，以及采用不同的声发射敏感元件与不同的声发射换能效应所合成的声发射复合感知，即压电式声发射/磁效应声发射、压电陶瓷声发射/聚合物薄膜声发射和磁效应声发射/聚合物薄膜声发射等等。

所说的一种声发射智能传感器是由微处理器驱动的能量捕获，即自充电指的是用印刷太阳能电池构建到被监测的工程结构表层内，捕获廉价的太阳能；利用铁路、公路桥梁和机场跑道等结构设施的不间断振动，来捕获由电磁感应产生的电能以及依靠声发射智能传感器内置的无线电力接收器，可以捕获无线电力传输系统提供的能量。

所说的一种声发射智能传感器指的是由微处理器驱动的一种柔性传感器，指的是在不影响声发射智能传感器功能的条件下，它可以被塑造成任何形状，例如采用模压或/和3D印刷法塑造各种易于安装与耦合到被监测的工程结构设施上的声发射智能传感器。

所说的一种声发射智能传感器具有通信与板载数据处理功能，指的是由大量的声发射智能传感器节点通过自组织的无线通信方式互联互通，协同完成各种特定监测任务的一种WSN。而且每一个声发射智能传感器节点都具有板载数据处理功能的自诊断特点，换言之，每一个声发射智能传感器将声发射特征数据(如能量、幅度、振铃计数、上升时间和持续时间等)能实现完成数据融合和态势预警。

所说的一种声发射智能传感器的自诊断、自组织、自充电和易安装特点，特别能够满足在线连续自动监测的市场需求，指的是天然气/石油泄漏与腐蚀的在线连续自动监测、机场混凝土结构健康与安全的在线连续自动监测以及高铁路轨健康与安全的在线连续自动监测等等，并为提前预测意外的又是必然要发生的事故，提供声发射WSN解决方案。

本发明具有如下有益效果：

1、为天然气/石油、机场和高铁等意外事故频发的高危领域，提供独一无二的声发射智能传感器和声发射WSN解决方案，实现提前预测意外事故，减少生命财产损失；

2、自诊断、自组织、自充电和易安装的声发射智能传感器将能协同“智慧城市”的公共基础设施实现精准认知和机器对机器(M2M)互联网功能；

3、声发射智能传感器的柔性化与无线传感器网络(WSN)的植入模式，为IT企业创造出独到的市场优势和价值。

附图说明：

图1为一种振动自充电的声发射智能传感器结构示意图

图2为一种无线电力传输的声发射智能传感器结构示意图

图3为一种太阳能自充电的声发射智能传感器结构示意图

图4为声发射无线传感器网络解决方案路线框图

图5为工字钢疲劳实验受压接近屈服点时的声发射信号波形图

图6为天然气/石油实施例示意框图

图7为机场实施例示意框图

图8为高铁实施例示意框图

具体实施方式：

在此，结合附图对本发明在天然气/石油、机场和高铁三个领域中的实施例分别说明如下：

实施例一：

如图1、图3、图4、图5和图6所示，本发明的天然气/石油领域的实施例是采用微处理器(5)驱动的复合感知和能量捕获相混合的柔性传感器，且具有通信与板载数据处理功能。

所说的复合感知指的是由以压电式声发射/磁效应声发射合成的声发射传感器(4)、超声波探测器(301)、温湿度探测器(202)所组成。

所说的能量捕获指的是由太阳能或/和无线电能两种方式实现，即由锂电池(1)、无线通信器(2)、柔性太阳能电池(302)或/和无线电力接收器(201)所组成。

所说的柔性传感器指的是将根据被测实物的外形与耦合方便进行声发射智能传感器柔性化的最佳设计。

所说的通信与板载数据处理功能，指的是：

●有大量的声发射智能传感器(401)以自组织的无线通信方式构建WSN，即用M2M互联网和天然气/石油输送管道、储罐及阀门原有的安全维护装置、互联网/移动互联网终端以及客户监控/总调度中心互联互通；

●每一个声发射智能传感器(401)均具有数据融合和态势预警功能；

●声发射智能传感器(401)还具备在金属材料屈服点之前报警的在线连续自动监测特性。

实施例二：

如图1、图2、图4、和图7所示，本发明的机场混凝土结构健康与安全监测的实施例是由微处理器(5)驱动的复合感知和能量捕获相混合的柔性传感器，且具有通信与板载数据处理功能。

所说的复合感知指的是由以压电式声发射/磁效应声发射合成的声发射传感器(4)、红外探测器(6)、温湿度探测器(202)所组成。

所说的能量捕获指的是由机械振动能或/和无线电力传输两种方式完成，即由振动发电器(7)或/和无线电力接收器(201)所组成。

所说的柔性传感器指的是它被设计制作成小型化、耐挤压的声发射智能传感器，再采用微创法或/和钢筋捆绑法通过声发射智能传感器(401)的固定件(8)被嵌入机场的跑道、滑行道和停机坪中。

所说的通信与板载数据处理功能指的是：

●由大量声发射智能传感器(401)以自组织无线通信构成WSN，即用M2M互联网和机场跑道、滑行道及停机坪上原有的地面设备、互联网/移动互联网终端以及机场塔台和指挥中心互联互通；

●每一个声发射智能传感器(401)均有数据融合和态势预警功能；

●声发射智能传感器(401)还有对混凝土结构材料在不同摩擦力和外力影响下即时响应的特点。

实施例三：

如图1、图2、图4、和图8所示，本发明的高铁实施例是采用微处理器(5)驱动的复合感知和能量捕获相混合的柔性传感器，且具有通信与板载数据处理功能。

所说的复合感知指的是由声发射传感器(4)、红外探测器(6)、温湿度探测器(202)和磁效应声发射/聚合物声发射组成。

所说的能量捕获指的是由机械振动能或/和无线电力传输两种方式完成，即由振动发电器(7)或/和无线电力接收器(201)所组成。

所说的柔性传感器指的是它能单独、安全、方便地通过声发射智能传感器(401)的固定件(8)被安置在轨道和高压电桥支架上。

所说的通信与板载数据处理功能指的是：

●由大量声发射智能传感器(401)以自组织无线通信构成WSN，即用M2M互联网和高铁路轨/绝缘子原有的信号通信设备、互联网/移动互联网终端以及站台管理/信息服务中心互联互通；

●每一个声发射智能传感器(401)均有数据融合和态势预警功能；

●声发射智能传感器(401)还具有提前预警路轨变形和电力电器装置“局放”的特性。

Claims (6)

1.一种声发射智能传感器是由微处理器驱动的复合感知和能量捕获相混合的柔性传感器，且具有通信与板载数据处理功能。它的自诊断、自组织、自充电和易安装特点，特别能够满足在线连续自动监测的市场需求。

2.如权利要求1所述的一种声发射智能传感器，其特征在于，所说的由微处理器驱动的复合感知是：

①以感知材料结构释放出应变能的声发射信号为主的多重传感器的复合感知，比如声发射/红外、声发射/超声波和声发射/温度与湿度，等；

②以声发射的不同敏感元件(如PZT压电陶瓷和PVDF聚合物)与不同的声发射换能效应(如磁效应和压电式)所合成的声发射复合感知，即压电式声发射/磁效应声发射、压电式声发射/聚合物声发射和磁效应声发射/聚合物声发射，等等。

3.如权利要求1所述的一种声发射智能传感器，其特征在于，所说的由微处理器驱动的能量捕获，即自充电方式如下：

①将可印刷太阳能电池构建到被监测的工程结构表层内，捕获廉价的太阳能；

②利用铁路、公路桥梁和机场跑道等结构装置的不间断振动，可以为声发射智能传感器捕获由切割磁力线所产生的电能；

③通过无线电力传输，实现用声发射智能传感器的内置充电器件来捕获无线电能。

4.如权利要求1所述的一种声发射智能传感器，其特征在于，所说的由微处理器驱动的柔性传感器定义与制作是：

①定义——在不影响功能的条件下，可以被塑成任何形状的传感器称作柔性传感器；

②采用模压或/和3D印刷法塑造各种易于安装与耦合到被监测的工程结构设施上的声发射智能传感器。

5.如权利要求1所述的一种声发射智能传感器，其特征在于，所说的具有通信与板载数据处理功能，其表述如下：

①声发射智能传感器之间的通信是基于无线传感器网络(Wireless SensorNetwork以下简称WSN)。换言之，声发射智能传感器网络是由大量的声发射智能传感器节点通过自组织的无线通信方式互联互通，协同完成各种特定监测任务的一种WSN；

②声发射智能传感器节点具有板载数据处理的自诊断功能，即在WSN中每一个声发射智能传感器节点都具有数据融合和态势预警功能；

③声发射智能传感器节点在线连续自动处理的数据主要是声发射特征参数，如能量、幅度、振铃计数、上升时间和持续时间等等。

6.如权利要求1所述的一种声发射智能传感器，其特征在于，所说的它的自诊断、自组织、自充电和易安装特点，特别能够满足在线连续自动监测的市场需求。例如，天然气/石油泄漏与腐蚀的在线连续自动监测、机场混凝土结构健康与安全的在线连续自动监测以及高铁路轨健康与安全的在线连续自动监测等等，并为提前预测意外的又是必然要发生的事故，提供声发射WSN解决方案。

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