CN106383038A - 一种金属屋面板的健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属屋面板的健康监测系统，所述系统包括：监测模块、无线传感网络和上位机；所述监测模块用于监测金属屋面板的健康状况；所述无线传感网络用于接收金属屋面板的健康状况并将其发送给上位机；述上位机包括挠度重构模块，用于根据监测模块得到的金属屋面板的局部挠度变化，重构得到整个金属屋面板的挠度分布情况，并判断金属屋面板上的螺栓是否松动，若松动严重则发生报警。本发明所述的系统能够在风、雨、雪等自然载荷作用下，对整个金属屋面板的形变状况实时检测，为金属屋面的健康管理和维护提供参考指标。

Description

一种金属屋面板的健康监测系统

技术领域

本发明属于金属屋面板技术领域，特别涉及一种金属屋面板的健康监测系统。

背景技术

金属屋面板具有质量轻、强度高、设计灵活等优点，被广泛应用于车站、仓库、航站楼、生产厂房等大型公共建筑的维护系统中。但由于这类建筑处于复杂的自然环境下，风、雨、雪常年累月的侵蚀，还伴随着脉动风交替荷载与冷热骤变的作用，会产生屋面结构变形、材料疲劳损伤和螺栓松动等问题，使金属屋面系统的抗力衰减，导致天气荷载未超过设计值时也会引起屋面的损坏，导致经济损失甚至人员伤亡。

建筑物的健康监测与评估现阶段主要依靠检修人员定时通过仪器检测，并根据经验做出诊断。近年来，随着技术的发展，一些大型建筑物如桥梁、大坝也采用了先进的健康监测系统，从而实现了远程实时监测和预警。具有无线传输，数据管理，远程控制等特点的健康管理系统是现阶段建筑物健康管理系统的发展趋势。在金属屋面板的健康监测方面，目前还是以人工为主。

发明内容

基于此，本发明公开了一种金属屋面板的健康监测系统，

所述系统包括：监测模块、无线传感网络、挠度重构模块和上位机；

所述监测模块用于监测金属屋面板的健康状况，所述健康状况包括金属屋面板的局部挠度变化，固定螺栓的松紧状况；

所述无线传感网络用于接收所述监测模块对金属屋面板的监测结果并将其发送给上位机；

所述上位机用于将金属屋面板的健康监测结果输入到挠度重构模块中，得到整个金属屋面板的挠度分布；

所述挠度重构模块用于根据监测模块得到的金属屋面板的局部挠度变化，重构得到整个金属屋面板的挠度分布情况。

本发明所述的系统能够在风、雨、雪等自然载荷作用下，对整个金属屋面板的形变状况实时监测，为金属屋面的健康管理和维护提供参考指标。

附图说明

图1为本发明一个实施例中金属屋面板系统的结构图；

图2(a)为本发明一个实施例中直立锁边金属屋面板简化模型；

图2(b)为图2(a)中直立锁边金属屋面板简化模型的坐标系；

图3(a)为本发明一个实施例中柔性传感器装配示意图；

图3(b)为本发明一个实施例中柔性传感器的另一个装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明；

在一个实施例中，本发明公开了一种金属屋面板的健康监测系统；所述系统包括：监测模块、无线传感网络、挠度重构模块和上位机；

所述监测模块用于监测金属屋面板的健康状况，所述健康状况包括金属屋面板的局部挠度变化；

所述无线传感网络用于接收所述监测模块对金属屋面板的监测结果并将其发送给上位机；

所述上位机用于将金属屋面板的健康监测结果输入到挠度重构模块中，得到整个金属屋面板的挠度分布；

所述挠度重构模块用于根据监测模块得到的金属屋面板的局部挠度变化，重构得到整个金属屋面板的挠度分布情况。

在本实施例中，如图1所示：金属屋面板健康监测系统由监测装置，无线传感网络，挠度重构模块，上位机组成。监测装置包括柔性传感器和接近开关，用于检测金属屋面板上容易形变的关键点处的挠度值，接近开关用于监测螺栓的松动情况；无线传感网络由Zigbee模块组成，包括监测终端和协调器，监测终端用于发送柔性传感器和接近开关的监测值，协调器用于接收终端发送的数据，并将传感器检测数据发送至上位机；上位机将柔性传感器的监测结果带入挠度重构模块，从而得到整个金属屋面板的挠度分布；并根据接近开关的监测结果判断螺栓是否松动，若松动严重则产生报警。所述挠度重构模块为具有数据处理能力的装置或单元，且基于挠度重构数学模型来实现。

在本实施例中,所述系统根据整个金属屋面板的挠度分布情况，对金属屋面板的健康状况进行判断,具体为：若某块金属屋面板的挠度反应出的金属屋面板的形变过大，且形变过程不可逆，则表明此块金属屋面板结构损伤严重,则此块金属物面板的健康状况不佳。

在一个实施例中，所述监测模块包括柔性传感器和接近开关；

所述柔性传感器用于检测金属屋面板上容易变形的关键点处的挠度；

所述接近开关用于监测金属屋面板上螺栓的松动情况。

在本实施例中，所述金属屋面板上容易变形的点或部位通常根据经验得到，一般位于金属屋面板的中间位置。

一个实施例中，所述无线传感网络包括ZigBee模块；

所述ZigBee模块包括监测终端和协调器；

所述监测终端用于接收柔性传感器和接近开关的监测值并发送柔性传感器和接近开关的监测结果至协调器；

所述协调器用于接收监测终端发送的柔性传感器、接近开关的监测结果，并将柔性传感器、接近开关的监测结果发送至上位机。

在本实施例中，所述系统的无线数据传输网由ZIGBEE模块搭建构成，将所述柔性传感器测的阻值和接近开关的监测结果直接传送给ZIGBEE模块，所述监测终端将数据发送至协调器，协调器将监测终端发来的结果发送至上位机，便于进一步的处理；所述无线网络传输模块与传感器一起形成覆盖式的无线监测网络。

在一个实施例中，所述柔性传感器包括一种检测弯曲度的传感器，所述检测弯曲度的传感器由压电薄膜材料构成；所述柔性传感器紧贴在金属屋面板内侧，用于直接检测金属屋面板形变。

在本实施例中，所述压电薄膜式传感器形变对应其阻值变化，通过测量传感器的阻值得到传感器形变状况，阻值变化越大，表明形变越大，最终反应金属屋面板形变大。在安装时，将该长条式传感器紧贴在金属面板内侧。柔性传感器在金属屋面板这种特殊情况下的应用，得到阻值与检测点处挠度的对应数值关系，通过曲线拟合，最终得到阻值-挠度曲线方程，可以直接通过柔性传感器检测金属屋面关键点处的挠度值。

在一个实施例中，将所述柔性传感器粘贴在金属屋面板的内侧，所述柔性传感器的数量及分布情况由金属屋面板的板材大小和材料性能而定。

在本实施例中，在具体安装柔性传感器时，首先通过有限元法或数值法建模与仿真得到金属屋面板在不同均布载荷下的挠度分布情况，以及在相同均布载荷作用下金属屋面板上挠度变化大的部位，在这些部位安装柔性传感器。如图3(a)和图3(b)所示：所示柔性传感器安装在金属屋面板形变较大的位置处，比如金属屋面板的自由边和锁合边处。

在一个实施例中，所述接近开关选用常闭型开关；所述接近开关安装在每个固定金属屋面板的螺栓上方。

在本实施例中，所述接近开关选用常闭型，接近开关安装在螺栓上方，用于监测螺栓是否松动，当监测到螺栓松动超过设定阈值时，便将松动信息通过串口发送给无线数据传输网络，所述阈值根据实际应用时的螺栓型号以及施工经验人为设定，当超过该阈值时，螺栓固定作用明显减弱。

在一个实施例中，如图2(a)和图2(b)所示：选择直立锁边金属屋面板作为研究对象。在金属屋面板挠度重构模型上，传感器将监测到局部挠度值发送至协调器，并构建出监测区域内的挠度分布状况。在实际解算与重构时，整个金属屋面板看作对边自由(x＝0,x＝b)对边简支(y＝0,y＝l)的矩形薄板。在自然条件下，金属屋面板受到的风、雨、雪载荷为均布载荷，因为受到载荷的作用，金属屋面板会产生弯曲变形。

假设柔性传感器监测到点A(x₀,y₀)的挠度值为w₀，根据如下的挠度重构模块所实施的数学模型，我们可以得到金属屋面板上任意一点(x,y)的挠度为：

$\hat{w}(x_0,y_0,w_0,x,y)=\frac{w_0(x_0,y_0)}{g\left(x_0\right)\·\left(4f_1\right(y_0)+h_1(y_0\left)\right)}\·g\left(x\right)\·\left(4f_1\right(y)+h_1(y\left)\right)---\left(1\right)$

其中定义：

$f_1\left(x\right)=sin\frac{\mathrm{\π}x}{b},$

$h_1\left(y\right)={\mathrm{\α}}_0\{\frac{{\mathrm{cosh\λ}}_{1}l-1}{{\mathrm{sinh\λ}}_{1}l}\[(\frac{{\mathrm{\λ}}_{1}l}{{\mathrm{sinh\λ}}_{1}l}-\frac{1}{1-\mathrm{\μ}}){\mathrm{sinh\λ}}_{1}y+{\mathrm{\λ}}_{1}y{\mathrm{cosh\λ}}_{1}y\]+\frac{1}{1-\mathrm{\μ}}{\mathrm{cosh\λ}}_{1}y-{\mathrm{\λ}}_{1}y{\mathrm{sinh\λ}}_{1}y\}$

${\mathrm{\α}}_0=\frac{2\tanh \frac{{\mathrm{\λ}}_{1}l}{2}\[(4-\mathrm{\μ})-(1-\mathrm{\μ})\frac{{\mathrm{\λ}}_{1}l}{2\cosh ({\mathrm{\λ}}_{1}l/2)}\]}{{(1-\mathrm{\μ})}^2({\mathrm{cosh\λ}}_{1}l-1)(\frac{3+\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{1}l}{{\mathrm{sinh\λ}}_{1}l})}$

λ₁＝π/b，

其中：(x₀,y₀)表示柔性传感器的位置坐标；w₀表示柔性传感器检测到的挠度值；表示金属屋面板上任意一点解算得到的挠度值；(x,y)表示金属屋面板上任意一点的坐标位置；l表示金属板的实际长度；b表示金属板的实际宽度；μ为金属屋面板的杨氏模量；g(x)，f₁(x)，h₁(y)，α₀，λ₁为方便计算和表示定义的中间变量函数，无实际意义。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种金属屋面板的健康监测系统，其特征在于，所述系统包括：监测模块、无线传感网络和上位机；

所述监测模块包括传感器，用于检测金属屋面板的健康状况，所述健康状况包括金属屋面板的局部挠度变化；

所述无线传感网络用于通过无线传输的方式将所述局部挠度变化发送给上位机；

所述上位机包括挠度重构模块，用于根据监测模块得到的金属屋面板的局部挠度变化，重构得到整个金属屋面板的挠度分布情况。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述传感器包括柔性传感器，所述监测模块还包括接近开关；

所述柔性传感器用于检测金属屋面板上容易变形处的挠度；

所述接近开关用于监测金属屋面板上螺栓的松动情况。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述无线传感网络包括ZigBee模块；

所述ZigBee模块包括监测终端和协调器；

所述监测终端用于接收柔性传感器和接近开关的监测结果，并发送柔性传感器和接近开关的监测结果至协调器；

所述协调器用于接收监测终端发送的柔性传感器、接近开关的监测结果，并将柔性传感器、接近开关的监测结果发送至上位机。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述柔性传感器包括一种检测弯曲度的传感器，所述检测弯曲度的传感器由压电薄膜材料构成；所述柔性传感器安装在金属屋面板内侧。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述柔性传感器的数量及分布情况由金属屋面板的板材大小和材料性能而定。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述接近开关选用常闭型开关；所述接近开关安装在每个固定金属屋面板的螺栓上方。