CN104114988A - 耐冲击的表面安装的屋顶传感器 - Google Patents

Abstract

可使用多种系统和技术来加强屋顶表面上的感测负载。在一些实现中，耐冲击的表面安装的屋顶传感器系统可包括传感器、保护罩和负载转移机构。传感器可被适配成感测入射到其上的负载，并且保护罩可被配置成跨至少传感器的宽度布置并适于忍受来自致密介质和直接入射的负载的冲击。负载传递机构可适于以机械方式将施加至保护罩上的负载传递至传感器。

Description

耐冲击的表面安装的屋顶传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月19日提交的题为“Impact-ResistantSurface-Mounted Sensors(耐冲击的表面安装的传感器)”的美国临时申请61/536,425的权益、优先权并援引包含于此。

背景技术

本说明书涉及机械传感器领域，更具体地涉及耐冲击的屋顶传感器。

在存在风、雨、雪、冰和其它环境因素的情况下，静止结构(例如建筑)可能经受负载，尤其在其屋顶。在一些情形下，负载可能变得过于严重以至于可能发生屋顶的灾难性损坏，这可能对屋内的财产造成大量损坏，更不用说人了。

存在多种系统以测量屋顶状况。一些系统测量透过屋顶的渗漏作为屋顶状况的度量。其它系统测量屋顶上的负载。负载测量系统一般被安装在建筑内部。例如，一些外部系统由安装在内部建筑支承上的测量设备构成。又如，一些内部系统使用光学技术(例如利用屋顶下的受扰的激光束)来测量屋顶变形。

发明内容

在一种一般的实现中，耐冲击的表面安装的屋顶传感器系统可包括传感器、保护罩和负载传递机构。传感器可被配置成感测入射到其上的负载，并且保护罩可被配置成跨至少传感器的宽度布置并被适配成忍受来自致密介质和直接入射的负载的冲击。负载传递机构可被适配成以机械方式将施加至保护罩上的负载传递至传感器。

各种实现可具有一个或多个特征。例如，屋顶安装的传感器系统可被适配成保护自身不受冲击的影响，例如不受冰雹的影响。由此，该传感器系统可以是相对耐久的。又如，传感器系统可被适配成防止通过轻充填介质来桥接。由此，传感器系统在更宽范围的状况下可以更准确。

基于下面的描述和附图，其它特征对本领域内技术人员而言是明显的。

附图说明

图1A-1B是一示例性耐冲击的表面安装的屋顶负载传感器系统的侧视图。

图2是另一示例性耐冲击的表面安装的屋顶负载传感器系统的侧视图。

图3A-3B是一附加的示例性耐冲击的表面安装的屋顶负载传感器系统的侧视图和俯视图。

图4是用于表面安装的屋顶负载传感器系统的示例性计算机系统的方框图。

图5是示出对于某些介质的冲击力的图表。

具体实施方式

表面安装的屋顶负载传感器可能遭受来自多种环境因素的性能下降。例如，表面安装的屋顶负载传感器可能因为传感器通过屋顶上累积的介质(例如雪和/或冰)而桥接从而变得无效。又如，表面安装的屋顶负载传感器可能被致密介质破坏。

当彼此围绕的介质分子(例如雪和/或冰)之间的摩擦往往彼此保持或支撑并形成介质不完全接触的下层区域时，桥接经常发生。对于雪来说，桥接是若干变量的函数，包括湿度、空气温度以及雪片的类型和尺寸。桥接可导致负载不均匀分布在诸如屋顶的表面上。在这种表面上的传感器可能记录入射的负载的不准确测量值，这可能导致对负载大小的低估。这个问题对于诸如沙或雪的轻填充介质来说尤为普遍。桥接也可能伴随其它天气条件或屋顶上的介质(例如屋顶碎片、树的部分等)而发生。

下落的介质(例如冰雹块)可能损坏表面安装的屋顶传感器。这可能导致传感器在其功能可能尤为重要(例如暴风雪期间)的时候偏偏不可使用。

冰雹块冲击的压力一般以冲击力(F)和冰雹块的冲击表面积(A)来表征，根据方程1。

$P=\frac{F}{A}---\left(1\right)$

雹暴事件的实证检验已得出图5的数据。图5的数据的线性回归提供了计算雹暴的动能T的公式，如方程2所示。

$F=\frac{3}{20}T---\left(2\right)$

将该表达式代入方程1得到方程3。

$P=\frac{\frac{3}{20}\left(\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2\right)}{A}---\left(3\right)$

实证检验也已表明冰雹块通常达到最大速度(以m/s测量)，该最大速度关联于以mm为单位测得的其直径(D)，根据方程4。

v＝1.4D^0.8(4)

假设是球形冰雹块，则可基于冰的密度来估算冰雹块的质量(m)，如方程5所示。

$m=\left[\frac{4}{3}\mathrm{\π}{\left(\frac{D}{2}\right)}^3\right]9.167x{10}^{-7}\frac{\mathrm{kg}}{{\mathrm{mm}}^3}---\left(5\right)$

可根据当球体与一平面相交时形成的圆的面积的方程估算冰雹块的冲击面积，其中b是相交平面离球体中心的直线距离。这示出于方程6。

$A=\mathrm{\π}[{\left(\frac{D}{2}\right)}^2-b^2]---\left(6\right)$

组合所有前面的方程得到用于计算冲击压力的表达式，冲击压力以kN/mm²计量，而D和B均以mm为单位。这就是方程7。

$P=\frac{\frac{3}{20}\left(\frac{1}{2}\right[\frac{4}{3}\mathrm{\π}{\left(\frac{D}{2}\right)}^3\left]\right[9.167x{10}^{\text{-7}}\frac{\mathrm{kg}}{{\mathrm{mm}}^3}\left]{\left[1.4D^{0.8}\right]}^2\right)}{\mathrm{\π}[{\left(\frac{D}{2}\right)}^2-b^2]}---\left(7\right)$

图1A-1B示出一示例性耐冲击的屋顶传感器系统100。系统100包括传感器110、保护罩130以及负载传递机构150。传感器110可以是压电传感器、压阻传感器、具有应变仪的结构化部件、或用于感测负载的任何其它适当器件。在图示例子中，传感器110被安装至屋顶120的表面，图中仅示出其一部分。系统100也可被安装在排水孔、下导管或任何其它适当的屋顶相关区域。

保护罩130被提供以分配负载并保护传感器110不受诸如来自冰雹的冲击。保护罩130可以是为传感器110提供冲击保护的护罩、板、网格或任何其它结构。保护罩130可由金属、塑料、陶瓷、或任何其它适当材料制成。在具体实现中，保护罩130可抵抗UV退化。

保护罩130可以是多种尺寸，但一般至少如传感器110那样宽。在具体实现中，保护罩130可以是大约15cm×5cm，而传感器110可以是大约2.5cm×2.5cm。系统100可以具有不同的高度，但一般相比其水平尺寸而言较薄。另外，在确定传感器系统的适当高度时可将屋顶排水系统考虑在内。在某些实现中，系统100可以大约2cm高。

负载传递机构140被适配成将保护罩130上的负载传递至传感器110。在这种实现中，负载传递机构144包括触头142和数个弹性部件144。触头142被安装至保护罩130的底部并被设计成与传感器110啮合以使传感器110能感测由于负载造成的移动并产生指示该负载的信号。由此，触头142将入射到保护罩130的负载传达给传感器110。

在图示的实现中，触头142被配置以使保护罩130的各个部分的移动可被传达至传感器110。例如，保护罩130左侧上的负载可能导致被施加至传感器110的负载，即便当前没有负载被施加至保护罩130的右侧。触头142可由金属、塑料或任何其它适当非腐蚀性材料制成。

弹性部件144耦合至罩130和底部160，它可以是传感器110的一部分或系统100的壳体。当没有负载被施加至保护罩130时，弹性部件144作用以恢复保护罩130和传感器之间的空间关系。如图所示，弹性部件144是盘簧。在其它实现中，弹性部件144可以是任何其它弹性部件。

在某些实现中，系统100可被安装在屋顶120的表面上。在其它实现中，系统100可凹入屋顶，这有助于排水。例如，保护罩110可与屋顶平行。

图1B示出处于负载下的系统100。如图所示，保护罩130已朝向传感器110移动以使触头142啮合住传感器110。保护罩130的移动也已致使弹性部件144受挤压。由此，当撤去负载时，保护罩130可回到图1A中的位置。

系统100具有多个特征。例如，系统100允许屋顶截面上的负载被直接和重复地感测出，该负载可用来形成趋势。这可被用来警告和/或防止屋顶损坏。另一方面，现有的屋顶负载系统往往是反应性的。也就是说，屋顶在提供任何通知之前已经是严重恶化了。由于存在保护罩130，系统100也受到保护以不受损坏。在具体实现中，例如传感器110可受保护以不受到大于90kN/mm³的冲击。另外，与较小版本(例如2cm)相比，使用较大版本的保护罩130(例如10cm-15cm或更大)可帮助减少桥接。系统100对相对平坦的屋顶尤为有用，但对倾斜的屋顶也是有用的。系统100可用于现有的屋顶或新的安装组件。

其它实现可具有较少和/或附加的组件。例如，系统100可具有围住传感器110、负载传递机构140和弹性部件144的壳体。支承件160例如可形成该壳体的底部。在具体实现中，壳体可以是不透气地密封的。当某些组件是金属时，这是尤为重要的。

在某些实现中，系统100可包括处理和/或通信能力。例如，系统100可包括能基于来自传感器110的输出确定负载的处理器。此外，处理器可具有确定负载是否超出预定阈值的能力。如果负载超出预定阈值，则处理器可将负载连同其它信息(例如时间标记)一起(例如通过导线或无线地)传送至远程计算机(例如服务器、控制器或采集点)。

图2示出第二示例性耐冲击的屋顶传感器系统200。系统200包括传感器210、保护罩230、负载传递机构240以及壳体250。传感器210可以是压电传感器、压阻传感器、具有应变仪的结构化部件、或用于感测负载的任何其它适当器件。在图示例子中，传感器210在屋顶220中凹进，图中仅示出其一部分。系统200也可被安装在排水孔、下导管或任何其它适当的屋顶相关区域。

保护罩230为壳体250提供护罩并有助于负载传递机构240中的密封。保护罩230例如可以是由热塑性聚烯烃(TPO)、三元乙丙橡胶(EPDM)、聚氯乙烯(PVC)、改性的沥青或任何其它适当材料制成的弹性膜。在某些实现中，保护罩230可以是屋顶防水层。在具体实现中，保护罩230可抵抗UV劣化。

保护罩230可以是多种尺寸，但一般至少比传感器210更宽。在具体实现中，保护罩230可以是大约15cm×15cm，而传感器110可以是大约2.5cm×2.5cm。系统200可以具有不同的高度，但一般相比其宽度而言较薄。在某些实现中，系统200可以大约2cm高。

负载传递机构240将入射到保护罩230的负载传递至传感器210。在这种实现中，负载传递机构240是不可压缩的流体，它可以是水、防冻剂、油或任何其它适当的流体。不可压缩的流体可基于系统200工作在的环境(例如热相对于冷)而改变。不可压缩的流体也将施加至保护罩230的负载分配至传感器210并保护传感器210不受直接的冲击。

壳体250至少部分地围住负载传递机构240并作为负载传递机构240的容器。壳体250可由金属、塑料或任何其它适当的非腐蚀性材料制成。在具体实现中，壳体250可以是不透气地密封的。

系统200具有多个特征。例如，系统200允许屋顶截面上的负载被直接地感测到。这可被用来警告和/或防止屋顶损坏。由此，系统200允许转来转去，以前瞻性地管理。此外，由于存在保护罩230和负载传递机构240，系统200也受到保护以不至损坏。在具体实现中，例如，传感器210可受保护以不受到大于90kN/mm³的冲击。另外，与较小版本(例如2cm)相比，使用较大版本的保护罩230(例如10cm-15cm或更大)可帮助减少桥接。系统200对相对平坦的屋顶尤为有用，但对倾斜的屋顶也是有用的。系统200可用于现有的屋顶或新的安装组件。

如图所示，系统200在屋顶220凹进，保护罩230平行于屋顶线。在其它实现中，系统200可被安装在屋顶220上。

在某些实现中，系统200可包括处理和/或通信能力。例如，系统200可包括能基于来自传感器210的输出确定负载的处理器。此外，处理器可具有确定负载是否超出预定阈值的能力。如果负载超出预定阈值，则处理器可将负载连同其它信息(例如时间标记)一起(例如通过导线或无线地)传送至远程计算机(例如服务器、控制器或采集点)。

图3A-3B示出另一示例性耐冲击的屋顶传感器系统300。系统300包括被安装至屋顶320的传感器310。如图所示，传感器310由保护罩330围住，该保护罩330可被安装至屋顶320或传感器310。系统300也可被安装在排水孔、下导管或任何其它适当的屋顶相关区域内。

传感器310可以是压电传感器、压阻传感器、具有应变仪的结构化部件、或用于感测负载的任何其它适当器件。在某些实现中，传感器310可具有负载传递机构以将入射到其表面上的负载传递至实际感测机构。

保护罩330包括数个孔332。保护罩330例如可以由导线、塑料或任何其它适当材料制成。

保护罩330被适配成保护传感器310。例如，保护罩330可被设计成防止较大的冰雹块或其它物体击中传感器310。在某些实现中，保护罩310的宽度可以像传感器310那样小。在其它实现中，保护罩310的宽度可像整个感测砖、瓦或其它结构那么大。在某些实现中，保护罩310的高度大约2cm左右。

保护罩330也有助于防止桥接，通过使它做得够大乃至于桥接不大可能在笼子上出现。例如，笼子的宽度可大约为10-15cm。

可适当地设计保护罩330的孔332的尺寸以允许介质(例如雪和/或冰)渗入笼子。由此，可感测由该介质产生的负载。在具体实现中，孔332可在一边上大约为1-3cm，但也可根据一气候下的天气按照需要做得更大或更小。

在具体实现中，保护罩330可被加热(例如电加热、辐射加热、循环加热或其它方式加热)至足够高的温度以融化雪和/或冰。例如，超出冰/雪的融化温度(例如大约39华氏度)的任何温度应当足够了。在某些实现中，笼子330可被加热至60华氏度范围内的温度。在其它实现中也可使用其它温度。对保护罩330的加热可允许累积的雪或冰缓慢地融化。由此，雪和/或冰可落下至传感器310并且负载被感测出。

系统300具有多个特征。例如，系统300可允许屋顶截面上的负载被直接地感测到。这可被用来警告和/或防止屋顶损坏。由此，系统200允许转来转去，以前瞻性地管理。另外，由于存在保护罩330，传感器310也受到保护以不至损坏。在具体实现中，例如传感器310可受保护以不受到大于90kN/mm³的冲击。另外，保护罩330可防止桥接，这允许作出更准确的读数。系统300对相对平坦的屋顶尤为有用，但对倾斜的屋顶也是有用的。系统300可用于现有的屋顶或新的安装组件。

在某些实现中，系统300可包括处理和/或通信能力。例如，系统300可包括能基于来自传感器310的输出确定负载的处理器。此外，处理器可具有确定负载是否超出预定阈值的能力。如果负载超出预定阈值，则处理器可将负载连同其它信息(例如时间标记)一起(例如通过导线或无线地)传送至远程计算机(例如服务器、控制器或采集点)。

图4示出用于确定屋顶负载的示例性计算机系统400的选定组件。计算机系统400例如可与屋顶安装的负载传感器共同定位。系统400包括处理器410、输入/输出系统420以及存储器430，它们通过网络440耦合在一起。

处理器410一般包括逻辑处理单元(例如算术逻辑单元)，该逻辑处理单元在程序指令(例如来自软件或固件)的指引下对数据进行处理。例如，处理器410可以是微处理器、微控制器或专用集成电路。处理器可由精简指令集计算机(RISC)原理或复杂指令集计算机(CISC)原理运作。一般来说，处理器可以是以逻辑方式操纵数据的任何设备。

输入/输出系统420可包括一个或多个通信接口和/或一个或多个其它用户接口。通信接口例如可以是网络接口卡(不管是有线的还是无线的)、调制解调器和/或总线接口(例如串行或并行的)。无线通信技术包括WiFi、蓝牙、GSM、TDMA、FDMA和CDMA。用户接口例如可以是用户输入设备(例如键盘、键区、触摸垫、指示笔、鼠标或麦克风)或用户输出设备(例如监视器、显示器或扬声器)。一般来说，输入-输出系统120可以是藉此计算机系统可接收和输出数据的设备的任意组合。

存储器430例如可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存和/或盘存储器。另外，一些存储器可在硬件(例如在处理器410上)中被编码。多个项可在多个时间被存储在存储器的不同部分。存储器430一般可以是用于存储数据的设备的任意组合。

存储器430包括指令432和数据436。指令432包括操作系统433(例如Windows、Linux或Unix)和应用434，应用434包括负载确定器435。数据436包括来自屋顶安装的负载传感器的数据437。

网络440负责在处理器410、输入/输出系统420和存储器430之间传输数据。网络440可例如包括多个不同类型的总线(例如串行、并行、雷电和闪电连接器)。

在某些工作模式下，计算机系统400可通过I/O系统420从屋顶安装的负载传感器接收负载数据437。该数据可以模拟或数字格式到达。处理器410可随后分析该数据以确定相关屋顶传感器的负载。处理器410随后可使用I/O系统420将确定的负载传达至远程设备。远程设备可负责确定负载是否在边界以内并且如果发现不符则产生通知。

系统400可通过多种技术来管理。例如，它可被直接地管理(例如通过用户接口)或远程地管理(例如通过智能电话应用或Web接口)。

本文中采用的命名仅仅为了描述具体实现并且不旨在构成限制。如本文中所使用地，单数形式“一个”、“一种”、和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确地另作规定。可以进一步理解，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，表示所声称的特征、整体、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、要素、组件和/或组的存在或附加。

下面权利要求书中的所有装置或步骤加功能要素的相应结构、材料、动作和等效物旨在包括结合具体要求的其它权利要求书中的要素实现其功能的任何结构、材料或动作。为了解说和描述已给出当前实现的描述，但它不是穷尽性的或对所披露形式的实现构成限制。选择和描述这些实现是为了解释本公开的原理和实践应用，并使其它本领域内技术人员理解本公开的各种实现以及适于特殊用途的各种修正。

各屋顶负载管理系统已描述，并已提到或暗示了若干其它系统。另外，本领域内技术人员容易理解，可作出许多附加、删除、代换和/或修正但仍实现得屋顶负载测量。由此，应当基于下面的权利要求书来判断所保护的主题事项，所述权利要求书涵盖一种或多种实现的一个或多个方面。

Claims (11)

1.一种耐冲击的表面安装的屋顶传感器系统，包括：

适配成感测入射到其上的负载的传感器，所述传感器具有一宽度；

保护罩，所述保护罩被配置成至少跨所述传感器的所述宽度并被适配成忍受来自致密介质和直接入射的负载的冲击；以及

负载传递机构，所述负载传递机构被适配成以机械方式将施加至所述保护罩上的负载传递至所述传感器。

2.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述传感器包括压电器件。

3.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于：

所述保护罩包括屏蔽；并且

所述负载传递机构包括弹性部件。

4.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于：

所述保护罩包括弹性膜；以及

所述负载传递机构包括不可压缩的流体。

5.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述保护罩包括数个孔以阻挡较大的介质但允许较小的介质通过。

6.如权利要求5所述的传感器系统，其特征在于，所述保护罩被配置成防止通过周围的介质的桥接。

7.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，还包括与所述传感器共同定位以确定所述保护罩上的负载的计算机系统。

8.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述保护罩被配置成防止通过周围的介质的桥接。

9.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述保护罩被适配成保护不受到至少90kN/mm³的冲击。

10.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，致密物体包括冰雹。

11.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述传感器系统被适配成安装至屋顶的顶表面。