CN107631698A - 一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，步骤如下：一，搭建软件平台；二，将处理好的光纤和智能涂层传感器数据传输到软件平台上；三，将实际结构上布贴的光纤和智能涂层传感器的位置用三维图像进行显示；四，对各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测；五，实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况；六，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示；七，对监测的结构进行危险预警；通过以上步骤，本发明实现了一种基于光纤和智能涂层的结构监测软件平台，具备监测结构裂纹和应变的功能；此外，各模块之间可独立运行，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，便于实际的工程应用。
Description
技术领域
本发明提供一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，它涉及一种对光纤和智能涂层传感器信号的接收、存储、实时显示，并实现传感器布贴位置的三维图像、裂纹大小的显示以及结构危险预警等功能,属于结构健康监测技术领域。
背景技术
随着各领域对产品、设备可靠性的重视，结构健康监测的发展极为迅速。在结构健康监测领域中，光纤传感器(是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具，基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数)以其质量小、灵敏度高、抗腐蚀等优点得到了广泛的应用，光纤传感器多用于监测结构裂纹和实现结构应力应变分布的测量。智能涂层传感器(指一种以涂层的形式制备于目标物体上，能对环境产生选择性作用或者对环境变化响应，并实时改变自身的一种或多种性能参数向适应环境方向调整的传感器)可实现对结构裂纹的监测，已经得到了实际的应用，但是因为智能涂层脆性较大，当其应用在监测结构时会存在虚警率较高的问题，即当结构未出现问题时，由于其他因素的影响导致其报警，因此限制了它的推广应用。
为解决智能涂层传感器虚警率较高的问题，并且由于光纤传感器主要监测大尺度应变场，不适宜于小尺度测量，相反，智能涂层在小尺度应变场监测的问题上有优势，因此在实际的应用中多同时使用两种传感器进行结构的健康监测。
现有的结构健康监测软件平台不能同时利用光纤传感器和智能涂层传感器对结构进行健康监测，多使用的是单一的传感器的健康监测，且程序功能扩展性、可移植性和二次开发性较差。基于以上现状和问题，本发明提出一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法。
发明内容
(一)本发明的目的是：
本发明提供一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，以实现光纤传感器和智能涂层传感器数据的实时显示、布贴位置的三维显示、监测结构裂纹和应变等功能，对结构健康状况进行实时监测，同时提高软件平台的扩展性、可移植性和二次开发性。
(二)其具体技术方案如下：
本发明一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其实施步骤如下：
步骤一，基于微软C/C++编译器(即MicroSoft Visual C/C++，以下简称VC)和微软基础类库(即Microsoft Foundation Classes，简称MFC)搭建软件平台；
步骤二，通过网络通信协议(即TCP/IP协议)，在服务器和客户端建立连接之后，将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据传输到软件平台上；
步骤三，将实际结构上布贴的光纤传感器和智能涂层传感器的位置用三维图像进行显示，实现对该结构的平移、旋转等功能；
步骤四，对各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，同时对每个智能涂层传感器的电阻值进行监测，并且实时显示观测数据的变化；
步骤五，利用光纤栅点计算出的应力应变值(应力应变值为所考察的截面某一点单位面积上的内力值及相对变形值)计算裂纹的大小，利用智能涂层传感器的电阻值信息计算是否有裂纹产生，结合光纤传感器和智能涂层传感器的信息，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况；
步骤六，在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示；
步骤七，对监测的结构进行危险预警，包括裂纹萌生的预警、裂纹异常(快速)扩展的预警、剩余寿命小于设定阈值的到寿预警等，在软件平台上采用一定颜色予以区分。
其中，在步骤一中所述的“搭建软件平台”，是指基于微软C/C++编译器6.0版本(即VC++6.0)和微软基础类库Microsoft Foundation Classes(简称MFC)开发的的软件平台；其作法如下：在计算机上安装VC++6.0，新建名为“Fiber”的工程，使用MFC设计开发软件平台；使用MFC设计开发软件平台的具体作法如下：打开创建的“Fiber”的工程，选择MFC库，定义变量和函数，利用并行结构完成软件平台的搭建。
其中，在步骤二中所述的“将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据传输到软件平台上”，其作法如下：软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建端口(即Socket)，与客服端连接成功之后，将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据，通过TCP/IP协议网络通信，传输到软件平台上，其具体作法如下：软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建端口(即Socket)，如果端口未创建成功，则软件平台重新开启服务器，直至创建端口成功，提示服务器开启成功，同时在客户端输入信息，若信息输入错误则重新输入，直至信息输入正确提示连接成功，服务器与客服端连接成功之后，将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据，通过TCP/IP协议网络通信，以每秒20个数据的速度传输到软件平台上。
其中，在步骤三中所述的“将实际结构上布贴的光纤传感器和智能涂层传感器的位置用三维图像进行显示，实现对该结构的平移、旋转功能”，其作法如下：用键盘的上下左右键对该结构的三维图像进行上下左右的平移，当用鼠标点中三维图像之后能对其进行旋转看到该结构的各个面；其具体作法如下：按住键盘中的上键，则结构的三维图像上移，每次上移1厘米，按住键盘中的下键，则结构的三维图像下移，每次下移1厘米，按住键盘中的左键，则结构的三维图像左移，每次左移1厘米，按住键盘中的右键，则结构的三维图像右移，每次右移1厘米，当鼠标长时间点中三维图像之后，拖动鼠标移动则可使结构的三维图像旋转，从而看到结构的各个面。
其中，在步骤四中所述的“对各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，同时对每个智能涂层传感器的电阻值进行监测，并且实时显示观测数据的变化”其具体作法如下：利用光纤栅点的波长数据计算出应力应变值，并进行实时显示，同时对智能涂层传感器的电阻值进行显示，观测数据的变化情况。
其中，在步骤五中所述的“利用光纤栅点的应力应变值计算裂纹的大小，利用智能涂层传感器的电阻值信息计算是否有裂纹产生，结合光纤传感器和智能涂层传感器的信息，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况”，其具体作法如下：通过对光纤传感器计算出的应力应变值和智能涂层传感器电阻值的数据进行预处理，找到数据的均值，然后对监测结构的应力应变值进行实时监测，当均值超过预设的临界值之后，进行定性的判断产生了裂纹，当确定有裂纹之后，通过对数据的处理进行裂纹的定量计算，并将裂纹的位置与大小进行显示。
其中，在步骤六中所述的“在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示”，其作法如下：当发现产生裂纹之后，利用寿命模型与概率评估方法对裂纹的发展趋势与概率剩余寿命的评估进行计算评估，并且将得到的结果在本发明所述软件平台上显示；其具体作法如下：当裂纹产生之后，将此时的数据带入到寿命模型与概率评估方法，从而对裂纹的发展趋势与概率剩余寿命的评估进行计算评估，能够得到裂纹在之后的一个月内呈现的发展趋势，并且得到结构的概率剩余寿命，将裂纹的发展趋势在本发明所述软件平台上用折线显示，将概率寿命在本发明所述软件平台上用数字显示。
其中，在步骤七中所述的“在软件平台上采用一定颜色予以区分”，其具体作法如下：针对情况的紧急程度根据规定的颜色进行显示，以对不同的情况进行区分，必要的时候利用蜂鸣器报警。
通过以上步骤，实现了一种基于光纤和智能涂层的结构监测软件平台，具备监测结构裂纹和应变的功能，此外，软件平台将各个功能封装成模块，各模块之间可独立运行，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，便于实际的工程应用。
(三)本发明的优点在于：
1、基于光纤和智能涂层的结构监测软件平台，具备监测结构裂纹和应变的功能。
2、实现方式简单，适用性和可操作性强，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，方便进行后续开发。
3、与其他结构健康监测系统相比，本发明的功能全面，适用范围广。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2 TCP/IP通信流程图。
图3布贴位置的三维图像显示流程图。
图4数据的监测与显示的流程图。
图5裂纹损伤位置与大小的定量监测与显示流程图。
图6概率剩余寿命的评估结果显示流程图。
图中序号、符号、代号说明如下：
图1中：“IP”为网络之间互连的协议；
图2中：“CAD”为计算机辅助设计，指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作；“stl文件”即标准模板库文件(Standard Template Library，简称STL文件是
在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。
图3中：“N”是指数据总个数；data[]是存放数据的数组。
图4中：“i”是标志位；“n”是监测结构的总个数。
具体实施方式
本发明一种基于光纤和智能涂层的结构监测软件平台，如图1所示，其具体步骤如下：
步骤一，首先确定编程语言，本发明使用微软C/C++编译器6.0版本(即VC++6.0)进行程序的编写，在此基础上搭建编程环境，利用MFC编程环境，建立对话框工程；
步骤二，软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建Socket，与客服端进行连接，若连接失败则重新开启服务器，若连接成功，则对处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据进行接收；TCP/IP协议的软件平台服务器端的开启、客户端的连接以及相互之间数据传输的流程如图2所示；
步骤三，将实际结构上布贴的光纤传感器和智能涂层传感器的位置用三维图像进行显示，通过选择标准模板库文件(即Standard Template Library，简称STL文件，是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式)显示三维图像，如果文件格式不正确则显示错误并重新选择，图像显示之后做相应的人机交互功能，利用OnMouseWheel(UINT nFlags,short zDelta,CPoint pt)函数实现鼠标拖动、ChangeSize(UINT nID,intx,int y)函数实现图形的放大缩小、OnColor()函数实现改变背景颜色等功能。布贴位置的三维图像显示流程如图3所示；
步骤四，对各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，同时对每个智能涂层传感器的电阻值进行监测，并且实时显示观测数据的变化，能够对多个通道的光纤传感器和智能涂层传感器数据进行显示，判断传感器的通道是否改变，如果改变则进行重绘，否则对数据个数进行判断是否到达屏幕的最大显示数目，进而进行数据的显示及最大最小值的确定，最终确定显示的坐标并绘图。数据的监测与显示流程如图4所示；
步骤五，裂纹位置与大小的显示，通过对光纤传感器计算出的应力应变值和智能涂层传感器电阻值的数据进行预处理，找到数据的均值，然后对监测结构的应力应变值进行实时监测，当均值超过预设的临界值之后，进行定性的判断产生了裂纹，当确定有裂纹之后，通过对数据的处理进行裂纹的定量计算，并将裂纹的位置与大小进行显示。裂纹损伤位置与大小的定量监测与显示流程如图5所示；
步骤六，裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估是在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获。将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示，可直观了解结构的剩余寿命与故障发展趋势。概率剩余寿命评估结果显示流程如图6所示；
步骤七，对监测的结构进行危险预警，包括裂纹萌生的预警、裂纹异常(快速)扩展的预警、剩余寿命小于设定阈值的到寿预警等，当监测到这些情况的时候，进行预警，并在软件平台上对不同的情况采用红色、橙色、黄色、蓝色、绿色予以区分。具体实现方法如下：
当设备健康状态良好，未检测到裂纹萌生，剩余寿命远大于设定阈值时均采用绿色进行表示。
对于裂纹萌生的预警，设置阈值a1、a2、a3、a4分别表示不同的裂纹长度，设当前裂纹监测结果为α，其预警机制为：当0＜α＜a1时，采用蓝色进行预警；当a1＜α＜a2时，采用黄色进行预警；当a2＜α＜a3时，采用橙色进行预警；当a3＜α＜a4时，采用红色进行预警。
对于裂纹异常(快速)扩展的预警，设置阈值b1、b2、b3、b4分别表示不同的裂纹扩展速度,设当前裂纹扩展速度为β，其预警机制为：当0＜β＜b1时，采用蓝色进行预警；当b1＜β＜b2时，采用黄色进行预警；当b2＜β＜b3时，采用橙色进行预警；当b3＜β＜b4时，采用红色进行预警。
对于到寿预警，若设计寿命为c1,设c3＞c2＞c1＞c5＞c4为阈值，表示不同的寿命，设当前预测寿命为γ，其预警机制为：当c2＜γ＜c3时，采用蓝色进行预警；当c1＜γ＜c2时，采用黄色进行预警；当c5＜γ＜c1时，采用橙色进行预警；当c4＜γ＜c5时，采用红色进行预警。
其中，在步骤三中所述的“OnMouseWheel(UINT nFlags,short zDelta,CPointpt)”，是鼠标滚轮事件响应函数，nFlags指明是否按下了虚拟键，zDelta指明了旋转的距离，pt指定了光标的x和y轴坐标；
“ChangeSize(UINT nID,int x,int y)”是改变控件大小的响应函数，nID为控件ID，x,y分别为控件当前的长和宽；
“OnColor()”是改变颜色的响应函数，当改变背景颜色时会调用此函数，对背景颜色进行更改。
Claims (8)
1.一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：其实施步骤如下：
步骤一，基于微软C/C++编译器即VC和微软基础类库即MFC搭建软件平台；
步骤二，通过网络通信协议即TCP/IP协议，在服务器和客户端建立连接之后，将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据传输到软件平台上；
步骤三，将实际结构上布贴的光纤传感器和智能涂层传感器的位置用三维图像进行显示，实现对该结构的平移、旋转功能；
步骤四，对各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，同时对每个智能涂层传感器的电阻值进行监测，并且实时显示观测数据的变化；
步骤五，利用光纤栅点计算出的应力应变值计算裂纹的大小，利用智能涂层传感器的电阻值信息计算是否有裂纹产生，结合光纤传感器和智能涂层传感器的信息，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况；
步骤六，在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示；
步骤七，对监测的结构进行危险预警，包括裂纹萌生的预警、裂纹异常扩展的预警、剩余寿命小于设定阈值的到寿预警，在软件平台上采用一预定颜色予以区分；
通过以上步骤，实现了一种基于光纤和智能涂层的结构监测软件平台，具备监测结构裂纹和应变的功能；此外，软件平台将各个功能封装成模块，各模块之间能独立运行，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，便于实际的工程应用。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“搭建软件平台”，是指基于微软C/C++编译器6.0版本即VC++6.0和微软基础类库即MFC开发的的软件平台；其作法如下：在计算机上安装VC++6.0，新建名为“Fiber”的工程，使用MFC设计开发软件平台；使用MFC设计开发软件平台的具体作法如下：打开创建的“Fiber”的工程，选择MFC库，定义变量和函数，利用并行结构完成软件平台的搭建。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据传输到软件平台上”，其作法如下：软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建端口即Socket，与客服端连接成功之后，将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据，通过TCP/IP协议网络通信，传输到软件平台上；其具体作法如下：软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建端口即Socket，如果端口未创建成功，则软件平台重新开启服务器，直至创建端口成功，提示服务器开启成功，同时在客户端输入信息，若信息输入错误则重新输入，直至信息输入正确提示连接成功，服务器与客服端连接成功之后，将处理好的光纤传感器和智能涂层传感器数据，通过TCP/IP协议网络通信，以每秒20个数据的速度传输到软件平台上。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“将实际结构上布贴的光纤传感器和智能涂层传感器的位置用三维图像进行显示，实现对该结构的平移、旋转功能”，其作法如下：用键盘的上下左右键对该结构的三维图像进行上下左右的平移，当用鼠标点中三维图像之后能对其进行旋转看到该结构的各个面；其具体作法如下：按住键盘中的上键，则该结构的三维图像上移，每次上移1厘米，按住键盘中的下键，则该结构的三维图像下移，每次下移1厘米，按住键盘中的左键，则该结构的三维图像左移，每次左移1厘米，按住键盘中的右键，则该结构的三维图像右移，每次右移1厘米，当鼠标长时间点中三维图像之后，拖动鼠标移动则可使结构的三维图像旋转，从而看到该结构的各个面。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：
在步骤四中所述的“对各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，同时对每个智能涂层传感器的电阻值进行监测，并且实时显示观测数据的变化”，其具体作法如下：利用光纤栅点的波长数据计算出应力应变值，并进行实时显示，同时对智能涂层传感器的电阻值进行显示，观测数据的变化情况。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：
在步骤五中所述的“利用光纤栅点的应力应变值计算裂纹的大小，利用智能涂层传感器的电阻值信息计算是否有裂纹产生，结合光纤传感器和智能涂层传感器的信息，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况”，其具体作法如下：通过对光纤传感器计算出的应力应变值和智能涂层传感器电阻值的数据进行预处理，找到数据的均值，然后对监测结构的应力应变值进行实时监测，当均值超过预设的临界值之后，进行定性的判断产生了裂纹，当确定有裂纹之后，通过对数据的处理进行裂纹的定量计算，并将裂纹的位置与大小进行显示。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：
在步骤六中所述的“在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示”，其作法如下：当发现产生裂纹之后，利用寿命模型与概率评估方法对裂纹的发展趋势与概率剩余寿命的评估进行计算评估，并且将得到的结果在本发明所述软件平台上显示；其具体作法如下：当裂纹产生之后，将此时的数据带入到寿命模型与概率评估方法，从而对裂纹的发展趋势与概率剩余寿命的评估进行计算评估，能够得到裂纹在之后的一个月内呈现的发展趋势，并且得到结构的概率剩余寿命，将裂纹的发展趋势在本发明所述软件平台上用折线显示，将概率寿命在本发明所述软件平台上用数字显示。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层结构监测软件平台的实现方法，其特征在于：
在步骤七中所述的“在软件平台上采用一预定颜色予以区分”，其具体作法如下：针对情况的紧急程度根据规定的颜色进行显示，以对不同的情况进行区分，必要的时候利用蜂鸣器报警。
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