CN104101325B - 内嵌微机电传感器的神经元模式位移或变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位移测试方法，适用于长线范围或空间范围尺度的结构物的静态和动态位移测量。一种内嵌微机电传感器的神经元模式位移或变形监测方法，其特征在于，利用多点神经元结构模式，以传感器作为一个神经元主体，辅以刚性杆件作为神经元的髓鞘连接组成一个神经元基本单元组件；将多个神经元组件串联后形成神经链，以起始节点为基准，获得各单元间的相对位移来确定附着的结构变形。相对于现有技术，本发明的结构变形和动力特性测量方法能克服传统机械式的临时测试和光学测试方法环境影响和高成本价格的局限，尤其适合于大范围或长尺度多点的长期监测，例如用于建筑、桥梁、隧道、大坝和边坡等结构的纵、横向变形测量与实时监测。

Description

内嵌微机电传感器的神经元模式位移或变形监测方法

技术领域

本发明涉及一种位移测试方法，适用于长线范围或空间范围尺度的结构物的静态和动态位移测量，尤其适用于建筑、桥梁、隧道、大坝和边坡等结构的纵、横向的空间变形测量与实时监测。

背景技术

目前对结构物的位移或变形测试方法有许多，包括位移传感器、加速度传感器、光纤，甚至红外和激光等光学仪器。按原理分类可分为光学、电子和机械三大类。这些测试方法中，采用机械式为传统的测试方法，不适合于野外长期测量，通常只适用于短期人工测量，而且测试精度偏低；而光学类测试方法测试精度虽然高，但受环境如光线影响明显，加上安装和操作复杂，价格昂贵，通常只适用于短期测量；而电子类测试方法是目前可用于长期、野外布置测量的一种方法，虽然其耐久性较差，但通过预埋置安装、密封安装和可更换的方法提高其使用寿命。

相对于长、大型结构特的测量和监测，尤其是需要进行长期监测的结构，采用上述三类方法不仅因为测点数量多，费用高，而且后期数据处理复杂困难，各测点间数据误差影响大，而且受环境干数据精度也会降低。若要实现结构的振型或三维动态变形等动力特性测试，上述方法均会受到限制。

随着微机电（MEMS）传感器发展，传感器已能胜任作为电子装置设计和作业中关键组成部分，应用于各类解决方案中。

发明内容

有鉴于上述现有技术的不足或缺陷，本发明借助已有的、成熟的微机电传感器为主要测试点，借助刚性杆件和机械旋转铰的形式布置于结构外侧或结构内置，同时将传感器作为采集处理芯片内嵌其中，提高数据处理和换算效率；利用神经元工作模式，化整为区间，化区间为单元组，然后以单元形成单元组的模式，实现高效、快捷、长久的多功能结构变形和动力特性测试。

为实现上述目的，本发明给出的技术方案为：

方法技术方案概括为：利用多点神经元结构模式，以传感器作为一个神经元主体，辅以刚性杆件作为神经元的髓鞘连接组成一个神经元基本单元组件；将多个神经元组件串联后形成神经链，以起始节点为基准，获得各单元间的相对位移来确定附着的结构变形。

具体的实施方法，技术方案进一步表征为：以一根刚性杆件附带一个传感器作为一个基本结构单元，类似神经元单元体；将若干基本结构单元相串联，与测试对象紧密固定，形成与测试物相似的线型；再以首个节点为基准，通过刚性杆件的转角和节点位移的测量结果，即可获得相邻并延伸至整个链上结构单元的位移；借助单元或单元组上的传感器及时处理，获得相邻单元及节点的变形或振动特征，以此传递，可获得结构全范围的二维和三维形变特征以及振型曲线。

以上方法最终组建获得的神经元链状的结构：由若干微机电传感器和刚臂形成的单元；由多个单元通过可旋转的铰形成的单元组；按每个单元设置一处理芯片（即现有的传感器），或按一个单元组设置一处处理芯片。

技术方案中所谓的传感器采用现有技术，可选择加速度传感器、位移传感器等，或者采用传感器的组合使用以发挥更强的组合优势。

本发明单元节点主体是采用现有的微机电传感器，相互间的数据通信可以采用现有的节点间的导线逐级传输模式来传递。作为本发明的应用形式，传感器可附着在结构物表面，也可通过提前布置管道预埋在混凝土或土体等结构物中，也可通过对既有结构物或土体进行钻孔后将传感器插入。

作为本发明的一种形式，通过管道或附着式安装时，传感器可根据需要进行抽出更换和升级处理。

作为本发明的一种形式，所述的传感器可根据测试目标，通过调整加速度传感器的轴向数量，设置成测试双向和三向位移和变形。

作为本发明的一种形式，所述的传感器可通过不同单元组交叉后形成网格状，实现空间形状表面上各点位移变形测量。

利用本发明的传感器，其具体实施步骤如下：

步骤一：根据测试对象的不同，将结构进行节点划分，以确定传感器单个测试单元的尺寸；

步骤二：在相应的节点进行锚固件的安装；

步骤三：将传感器链各节点与锚固件固定。本发明是以电子类测试方法为基础，利用神经元理论和方法，实现长距离范围内结构的静态和动态形变测试，同时借助单元式模块化结构解决了存放、运输和安装等困难。不仅适用于表面布置，而且适用于预埋和后期填埋。用于建筑物、桥梁、隧道等结构的变形实时监测，可用于基坑、坝体、山体、矿坑等形态实测监测

相对于现有技术，本发明的结构变形和动力特性测量方法能克服传统机械式的临时测试和光学测试方法环境影响和高成本价格的局限，尤其适合于大范围或长尺度多点的长期监测。

附图说明

图1 是分别在铰结点、刚性杆中间，以及两处都设置传感器的三组单元链示意图。

图2是对应图1的传感器布置分解图。

图3为测试二维变形过程中的计算原理。

标记说明：1刚性杆件，2微机电传感器，3连接铰，4起始刚性杆，5信号线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1、图2所示，以一根刚性杆件附带一个加速度传感器作为一个基本结构单元，类似神经元单元体；当若干基本结构单元相串联，与测试对象紧密固定，形成与测试物相似的线型；再以首个节点为基准，通过刚性杆件的转角和节点位移的测量结果（如图3所示），即可获得相邻并延伸至整个链上结构单元的位移；借助单元或单元组上的电脑芯片（本实施例选用现有的微机电加速度传感器来实现，可轻易测量相邻节点间相对的转角）及时处理，获得相邻单元及节点的变形或振动特征，以此传递，可获得结构全范围的二维和三维形变特征以及振型曲线。

根据测试对象和测试目的是位移还是振动特征，结构单元的刚性杆件长度根据需要可以灵活改变，加速度传感器测点数量也可在节点和杆件上灵活改变；测试单元采用多个单元形成一组，提前组装调试，现场再按组连接并调试；各单元节点为单向转轴式设计，实现折叠存储和搬运。本发明为单元化和集成化结构，测试精度高，运输和安装方便，适应性广，可实现常规仪器无法获得的效果，具有极高的市场价值。

Claims (2)

1.一种内嵌微机电传感器的神经元模式位移或变形监测方法，其特征在于，利用多点神经元结构模式，以传感器作为一个神经元主体，辅以刚性杆件作为神经元的髓鞘连接组成一个神经元基本单元组件；将多个神经元组件串联后形成神经链，通过不同单元组交叉后形成网格状，最终组建神经元链状的网格结构，以起始节点为基准，获得各单元间的相对位移来确定附着的结构变形，实现空间形状表面上各点位移变形测量。

2.如权利要求1所述的内嵌微机电传感器的神经元模式位移或变形监测方法，其特征在于，以一根刚性杆件附带一个传感器作为一个基本结构单元，作为神经元单元体；

将若干基本结构单元相串联或交叉，并与测试对象紧密固定，形成与测试物相似的线型或形状；

再以首个节点为基准，通过刚性杆件的转角和节点位移的测量结果，获得相邻并延伸至整个链上结构单元的位移；

借助单元或单元组上的传感器及时处理，获得相邻单元及节点的变形或振动特征，以此传递，获得结构全范围的二维和三维形变特征以及振型曲线。