CN107560534A - 基于3d打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，包括由3D打印制作的封装壳体和位移传递杆；Flex弯曲传感器通过弯曲传感器信号采集线缆连接无线信号采集板；弯曲传感器前端可滑动地设于封装壳体底部内壁的导槽内，后端固定；位移传递杆前端与位移传递板相连，位移传递杆末端穿过封装壳体前壁后与弯曲传感器前端相连。本发明还提供了一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测方法。本发明通过弯曲传感器的示数与弯曲角度的线性关系，对工程结构各部位的位移进行监测，测量精度高，结构紧凑，体积小；通过3D打印，减少了零件组装的难度，降低了成本；通过无线传输数据，对各个监测点变形进行实时监测和统一管理。

Description

基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于FLEX弯曲传感与3D打印技术的无线位移监测系统，该监测系统主要应用于对土木工程结构如隧道、桥梁等混凝土表面的裂缝进行无线实时测量，属于弯曲传感技术、3D打印技术、无线传输技术在土木工程监测领域中的应用技术领域。

背景技术

现阶段，我国土木工程主要通过可靠的设计来保证建筑结构的安全稳定性，而国外对致险因素已经做到了实时监测。由于土木工程健康监测还在发展期，很多监测手段尚不完善，尚需要实践和时间去检验，仅通过设计去解决，存在一定的不确定性。且土木工程结构的安全事故具有极大的破坏力，一旦发生会造成巨大的生命财产损失，极大的威胁到工程附近人民的安全。

目前，土体监测中用于土木工程的仪器中由于专业测量沉降这一重要工程性质的专用仪器较少，此外现有的仪器也都存在一些需完善之处：如专利号CN201034561Y提供的光纤光栅位移传感器、专利号CN2685845Y提供的软管式光纤测位移传感器等沉降测量传感器，具有安装使用复杂的问题；又如专利号CN203432539U给出的光纤位移传感器，数据处理相当复杂极易产生误差；还有一种拉线式位移传感器，仅仅依靠元件物理性质进行测量，对测量精度有一定影响，且难以实施长期实时监测。因此，迫切需求一种可无线传输、体积小、成本低、易于安装使用的监测仪来解决上述问题。

3D打印又名快速成型技术，是一种使用粉末状金属或塑料等可粘合材料，以数字模型文件为基础的构造物体的逐层打印技术。与传统制造业不同，三维打印偏重于依靠先进的计算机建模及分析系统，对所需物品的结构和尺寸进行设计和逐层分区，将三维图形转化为大量二维模型用以指导打印机进行逐层打印。由于制造部分采用全机械自动化方式完成，3D打印技术与传统制造方式相比有着诸多优势，首先计算机对物件的高精度分解能实现对结构极其复杂构件的制造，各类难以用传统器械进行人工制造的构件亦可快速直接且精确地进行打印，从而有效地缩短了产品研发周期；其次，使用3D打印技术制造构件无需传统器具及人工，即可将三维模型转化为实物，减少了制作过程中产生的误差；此外，3D打印技术可将原本需要另外加以连接的构件一体化打印，大大提高仪器精度的同时降低组装成本；再者，使用3D打印技术制造构件由于不用集中、固定生产车间，亦不用剔除边角料，提高了材料的利用率和制造效率。

FLEX弯曲传感器是一种由超薄电阻片构成的新型电阻式传感器，与传统的弯曲传感器相比具有更高的精度，更易携带且数据获取也更为便利，优势十分明显。由于其轻薄的特性，FLEX弯曲传感器比传统传感器更易通过外部封装被固定在测量曲面上，更为准确地进行无线输出。同时，外部封装很好地将传感器与外部隔开，使得传感器极少受环境影响，从而能够实现垂直多点同步测量以及多次、循环使用。兼具轻质、便携、可循环、不易被环境影响、可无线模拟输出等诸多优势的FLEX弯曲传感器经过封装即可埋入待测材料进行全自动准分布式测量。FLEX传感器应用了当前较为先进的弯曲传感技术，广泛使用于医学、力学等多个研究领域，在土木工程中，FLEX传感器已应用于测定建筑结构表面出现变形或裂缝的发展情况。

蓝牙是一种相对成熟的无线通信技术，不同设备通过分别安装蓝牙模块进行即时无线数据交换，使得移动终端能够便捷高效地接收数据。相对于其余无线通信技术，蓝牙以更小的功耗和更低的成本实现了无线通信，节约制造成本，有利于推广应用；同时由于蓝牙技术具有较强的抗衰减能力，位移传感器能够在土体内部长时间提供更为稳定的数据输出。

位移计是一种测定特定点位位移或者变形的检测仪器，当所测的结构发生变形时，位移计能够及时的进行识别并提供信息反馈，从而人们可以及时的采取措施并进行及时的补救避免工程灾害的发生。

本发明致力于基于FLEX弯曲传感与3D打印技术，研发一种无线位移传感器，用于对土木工程结构表面发生的变形或裂缝的伸展情况进行实时监测和无线数据传输。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于对土木工程结构表面发生的变形或裂缝的伸展情况进行实时监测的，可无线传输、体积小、成本低、易于安装使用的监测系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，其特征在于：包括由3D打印制作的封装壳体和位移传递杆；Flex弯曲传感器、弯曲传感器信号采集线缆、无线信号采集板均设于封装壳体内，Flex弯曲传感器通过弯曲传感器信号采集线缆连接无线信号采集板；Flex弯曲传感器前端可滑动地设于封装壳体底部内壁的导槽内，Flex弯曲传感器后端固定；位移传递杆前端与位移传递板相连，位移传递杆末端穿过封装壳体前壁后与封装壳体内部的Flex弯曲传感器前端相连。

优选地，所述Flex弯曲传感器的前、后端分别连接弯曲传感器前部固定端、弯曲传感器后部固定端；弯曲传感器前部固定端设于所述导槽内且可沿导槽滑动，弯曲传感器前部固定端通过弯曲传感器信号采集线缆连接所述无线信号采集板；弯曲传感器后部固定端固定于封装壳体底部内壁后端；位移传递杆末端连接弯曲传感器前部固定端。

优选地，所述封装壳体前壁设有用于穿过所述位移传递杆的圆孔。

优选地，所述无线信号采集板通过无线数据传输装置与数据采集分析终端连接。

更优选地，所述无线数据传输装置为蓝牙收发模块。

本发明还提供了一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测方法，其特征在于：采用上述的基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，步骤为：

步骤1：利用标定实验得出Flex弯曲传感器示数与角度的关系；

步骤2：将封装有Flex弯曲传感器的封装壳体植入监测点位并固定；

步骤3：将连接Flex弯曲传感器的无线信号采集板与数据采集分析终端建立无线连接，驱动Flex弯曲传感器开始工作，记录Flex弯曲传感器的初始示数；

步骤4：开始监测，数据采集分析终端连续记录Flex弯曲传感器示数随时间的变化；

步骤5：根据Flex弯曲传感器示数随时间的变化图，基于标定实验得出的Flex弯曲传感器示数与角度关系，计算每个监测点的变形或位移随时间的变化，即实现对工程结构的变形进行实时监测的目的。

优选地，所述步骤5的具体方法为：

设标定实验得出的Flex弯曲传感器的示数D与角度θ间的线性关系为：θ＝D/k；FLEX弯曲传感器(7)的初始示数为D₁；当封装壳体发生位移度后，FLEX弯曲传感器(7)发生不同角度的弯曲，此时示数变为D₂；则FLEX弯曲传感器(7)弯曲角度变化值Δθ计算如下：

ΔD＝D₂-D₁

Δθ＝ΔD/k

其中：ΔD为FLEX弯曲传感器的示数变化值；Δθ为FLEX弯曲传感器的弯曲角度变化值；

设封装壳体(8)的宽度为d，待测的不同监测点位的相对位移为S，则有：

本发明提供的系统克服了现有技术的不足，通过弯曲传感器的示数与弯曲角度的线性关系，对工程结构各部位的位移进行监测，测量精度高，结构紧凑，体积小；通过3D打印技术对产品的整体结构进行3D打印制作，减少了零件组装的难度，降低了成本；通过无线发射装置实时传输数据，实现对各个监测点变形的实时监测和统一管理。

附图说明

图1为本实施例提供的基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统结构示意图；

图2为弯曲传感器固定安装示意图；

图3为本实施例提供的基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统的工作原理框图；

附图标记说明：

1-位移传递外板；2-位移传递杆；3-弯曲传感器前部固定端；4-弯曲传感器信号采集线缆；5-无线信号采集板；6-弯曲传感器后部固定端；7-加筋的Flex弯曲传感器；8-封装壳体；9-导槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本实施例提供的基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统结构示意图，所述的基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统由位移传递外板1、位移传递杆2、加筋的Flex弯曲传感器7、弯曲传感器信号采集线缆4、无线信号采集板5、封装壳体8等组成。

其中，位移传递杆2、封装壳体8通过3D打印技术制作。

加筋的Flex弯曲传感器7、弯曲传感器信号采集线缆4、无线信号采集板5均设于封装壳体8内。

封装壳体8底部内壁设有导槽9，弯曲传感器前部固定端3设于导槽9内，可沿导槽9滑动。封装壳体8底部内壁后端固定有弯曲传感器后部固定端6。弯曲传感器前部固定端3、弯曲传感器后部固定端6分别与Flex弯曲传感器7的前、后端连接。故Flex弯曲传感器7的前端可沿导槽9滑动、后端固定。

弯曲传感器前部固定端3同时与弯曲传感器信号采集线缆4一端相连，弯曲传感器信号采集线缆4另一端连接至无线信号采集板5。

封装壳体8前壁设置有一圆孔，该圆孔用于穿过位移传递杆2。位移传递杆2前端与位移传递板相连1，位移传递杆2末端穿过封装壳体8前壁上的圆孔后与封装壳体8内部的弯曲传感器前部固定端3相连。

结合图3，将无线信号采集板5通过无线数据传输装置，如蓝牙收发模块，与数据采集分析终端连接。通过数据采集分析终端采集Flex弯曲传感器7的数据，并通过传感器数据的变化来换算每个监测点的变形情况，实现对不同监测点位的相对位移进行实时监测。

FLEX弯曲传感器7其通过电阻变化来测量位移传递杆2的移动距离。FLEX弯曲传感器具有较高的耐久度，且其性能十分优越，具有灵敏度高、复用能力强、体积小、质量轻、可无限传输等诸多优点，封装后埋入监测材料中可以方便地实现全自动准分布式测量。此FLEX弯曲传感制作简单、价格低，为实现边坡无线实时监测提供了极大的便利。

上述无线位移监测系统的制作和使用步骤如下：

步骤1：首先在待监测的点位，按照所需FLEX弯曲传感器尺寸设计好固定数目的3D打印部件，如图1所示该3D打印部件包括位移杆、旋转链接铰以及开有导槽的封装壳体，3D打印组装完成，并逐个插入FLEX弯曲传感器7进行固定，弯曲传感器7的固定方式如图2所示；最后将无线位移监测系统封装后的传感部分-封装壳体植入监测点位并进行固定。

步骤2：打开无线信号采集板5上的蓝牙装置，将无线信号采集板5与数据采集分析终端建立无线连接，利用传感器驱动操作软件，记录初始弯曲传感器的示数；

步骤3：开始监测后，通过连接Flex弯曲传感器7的数据采集分析终端，连续记录Flex弯曲传感器示数随时间的变化；

步骤4：根据传感器示数随时间变化图，利用标定实验得出的无线传感器示数与角度关系，并按照弯曲传感器示数监测点计算位移的方法，计算每个监测点的位移或变形随时间的变化图，即实现对工程结构的变形进行实时监测的目的。

具体的，利用弯曲传感器示数监测点计算位移的方法包括以下步骤：

步骤A：通过弯曲传感器标定实验测得传感器示数与角度间的线性关系k。标定过程中通过将FLEX传感器弯曲不同角度时，对传感器的示数进行记录，获得传感器示数与角度之间的标定关系，FLEX弯曲传感器示数与角度间具有线性关系，获取直线斜率k数值；

步骤B：将FLEX弯曲传感器封装后的封装壳体放在工程结构表面，记录FLEX弯曲传感器初始示数为D₁；当封装壳体发生一定的位移度时，FLEX弯曲传感器发生不同角度的弯曲，此时示数变为D₂；FLEX弯曲传感器的弯曲角度变化值Δθ计算如下：

ΔD＝D₂-D₁

Δθ＝ΔD/k

中：ΔD为FLEX弯曲传感器的示数变化值；Δθ为FLEX弯曲传感器的弯曲角度变化值。

设封装壳体8的宽度为d，待测位移为S，则有：

通过传感器弯曲角度，求得各个测点土体的倾斜角度，计算后可得不同监测点位的相对位移，从而获得工程结构的变形情况。

本发明监测系统克服了当前技术的局限性，采用3D打印技术在无线变形监测仪的制作过程中减少了零件组装的难度，能够对产品的整体结构进行3D打印制作。通过弯曲传感器的示数与弯曲角度的线性关系，对工程结构各部位的位移进行监测，准确度高、重量轻、体积小；通过蓝牙无线发射装置实时传输数据，实现对各个监测点变形的实时监测，十分方便将数据进行采集并处理。本发明通过FLEX无线传感器与3D打印技术的相结合，能够有效降低产品的制作成本，获得更大的经济效益，便于更好的推广本发明的监测系统。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，其特征在于：包括由3D打印制作的封装壳体(8)和位移传递杆(2)；Flex弯曲传感器(7)、弯曲传感器信号采集线缆(4)、无线信号采集板(5)均设于封装壳体(8)内，Flex弯曲传感器(7)通过弯曲传感器信号采集线缆(4)连接无线信号采集板(5)；Flex弯曲传感器(7)前端可滑动地设于封装壳体(8)底部内壁的导槽(9)内，Flex弯曲传感器(7)后端固定；位移传递杆(2)前端与位移传递板相连(1)，位移传递杆(2)末端穿过封装壳体(8)前壁后与封装壳体(8)内部的Flex弯曲传感器(7)前端相连。

2.如权利要求1所述的一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，其特征在于：所述Flex弯曲传感器(7)的前、后端分别连接弯曲传感器前部固定端(3)、弯曲传感器后部固定端(6)；弯曲传感器前部固定端(3)设于所述导槽(9)内且可沿导槽(9)滑动，弯曲传感器前部固定端(3)通过弯曲传感器信号采集线缆(4)连接所述无线信号采集板(5)；弯曲传感器后部固定端(6)固定于封装壳体(8)底部内壁后端；位移传递杆(2)末端连接弯曲传感器前部固定端(3)。

3.如权利要求1所述的一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，其特征在于：所述封装壳体(8)前壁设有用于穿过所述位移传递杆(2)的圆孔。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，其特征在于：所述无线信号采集板(5)通过无线数据传输装置与数据采集分析终端连接。

5.如权利要求4所述的一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，其特征在于：所述无线数据传输装置为蓝牙收发模块。

6.一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测方法，其特征在于：采用如权利要求4所述的基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测系统，步骤为：

步骤1：利用标定实验得出Flex弯曲传感器(7)示数与角度的关系；

步骤2：将封装有Flex弯曲传感器(7)的封装壳体(8)植入监测点位并固定；

步骤3：将连接Flex弯曲传感器(7)的无线信号采集板(5)与数据采集分析终端建立无线连接，驱动Flex弯曲传感器(7)开始工作，记录Flex弯曲传感器(7)的初始示数；

步骤4：开始监测，数据采集分析终端连续记录Flex弯曲传感器(7)示数随时间的变化；

步骤5：根据Flex弯曲传感器(7)示数随时间的变化图，基于标定实验得出的Flex弯曲传感器(7)示数与角度关系，计算每个监测点的变形或位移随时间的变化，即实现对工程结构的变形进行实时监测的目的。

7.如权利要求6所述的一种基于3D打印与弯曲传感技术的无线位移监测方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：

设标定实验得出的Flex弯曲传感器(7)的示数D与角度θ间的线性关系为：θ＝D/k；FLEX弯曲传感器(7)的初始示数为D₁；当封装壳体发生位移度后，FLEX弯曲传感器(7)发生不同角度的弯曲，此时示数变为D₂；则FLEX弯曲传感器(7)弯曲角度变化值Δθ计算如下：

ΔD＝D₂-D₁

Δθ＝ΔD/k

其中：ΔD为FLEX弯曲传感器的示数变化值；Δθ为FLEX弯曲传感器的弯曲角度变化值；

设封装壳体(8)的宽度为d，待测的不同监测点位的相对位移为S，则有：

<mrow> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <mi>d</mi> <mi>cot</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mi>d</mi> <mi>cot</mi> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>D</mi> </mrow> <mi>k</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>