CN107941389A - 一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统及方法，所述应力测量和可视化的系统包括：力学‑光学信号转换装置，用于在测量过程中将欲测量表面的应力状态实时转换成光学信号；信号采集及分析系统，用于对力学‑光学信号转换装置得到的光学信号进行采集和分析，得到完整的测量表面力谱。本发明可以针对任意材料构成及任意曲率的欲测量表面，实现对任意率表面的应力状态进行全域测量、分析。本发明的装置具有自适应粘附性、可用于任意曲率半径表面、可对欲测量表面全域进行应力测量等特点，可用于传感器、多模态医学成像、人造皮肤、生物医学诊断系统、物件表面应力分布检测、城市建筑物防灾以及减灾系统等。
Description
技术领域
本发明涉及应力测量技术领域，特别是涉及一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统及方法。
背景技术
无论是在土木工程、建筑、机械工程、矿业工程、材料科学、生物医学、军工等领域中，应力都扮演着重要的角色。例如，在建构筑物施工过程中，如钢结构安装、卸载、改造、加固，混凝土浇筑等过程，需对应力变化进行监测，并在监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。而在材料在制备和加工过程中，应力的存在降低了工件的强度，使工件在制备和应用过程中产生变形和开裂等工艺缺陷。构件断裂、疲劳破坏、应力腐蚀等原因导致材料力学性能下降。因此，应力的测量具有重要意义。
应力的测量往往需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学信号换为电信号的器件。
例如，目前常见的力学传感器有以下几种：
1.应变式力学传感器
电阻应变式传感器的工作原理是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其他方法安装电阻应变敏感元件，用于应力的点测量。当接触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化。通过变换电路将阻值的变化变成电压(或电流)的变化，并将其信号输出到测量电路，根据电压(或电流)变化量，通过模拟计算得到接触力的大小与作用位置。
2.电感式压力传感器
电感式压力传感器的原理是通过电感线圈电感量变化测量压力。常见的有气隙式和差动变压器式两种结构形式，用于应力的点测量。气隙式的工作原理是被测压力作用在膜片上使之产生位移，引起电感线圈的磁路磁阻发生变化，膜片距磁心的气隙一边增加一边减少，电感量则一边减少一边增加，由此构成的电感差动变化，通过电杆组成的电桥输出一个与被测压力相互对应的交流电压。差动变压式的工作原理是被测压力作用在弹簧管，使之产生与压力成正比的位移，同时带动连接在弹簧管末端的铁芯移动，使差动变压器的两个对称和番向串接的次级绕组失去平衡，输出一个与被测压力成正比的电压，用以获得相关力学信息。
3.电容式力学传感器
电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜受到压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压形成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容性压力传感器，用于应力的点测量。
4.压电式力学传感器
压电式力学传感器的主要原理是通过压电效应进行压力的点测量。某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷。若将外力去掉时，其表面又重新回到不带电状态。压电式力学传感器利用电气元件和其他机械将待测的力转换为电量，模拟计算后得到力的相关信息。
5.压磁式力学传感器
由硅钢片叠替而成的压磁元件在不受力时，铁心的磁阻在各个方向上是一致的。初级线圈的磁力线对称地分布，不予次级线圈发生交链，因而不会在次级线圈中产生感应电动势。
当传感器受压力时，在平行于作用力方向上磁导率减小，磁阻增大。在垂直于作用力方向上磁导率增大，磁阻减小。初级线圈产生的磁力线将重新分布，此时一部分磁力线与次级绕组交链而产生感应电动势。压力越大，交链的磁力线越多，感应电动势也越大。感应电动势通过模拟计算后可表示被测力的大小，用于压力的点测量。
现有技术存在以下缺点：
目前大多数力学传感器主要用于压力传感，需要根据不同使用表面条件选择不同类型力学传感器，而独立力学传感器仅可检测有限面积受力情况，仅能对欲测量表面进行应力的点测量，若需进行大面积检测，则需安装大量传感器，成本高昂，且独立传感器获得的是欲测量表面上相互独立的点阵应力信息，无法获得欲测量表面全域完整连续的受力信息，同时安装、监测过程较复杂。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统及方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统及方法，本发明可以针对任意材料构成及任意曲率的欲测量表面，实现对任意率表面的应力状态进行全域测量、分析。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统，所述应力测量和可视化的系统包括：
力学-光学信号转换装置，用于在测量过程中将欲测量表面的应力状态实时转换成光学信号；
信号采集及分析系统，用于对力学-光学信号转换装置得到的光学信号进行采集和分析，得到完整的测量表面力谱。
作为本发明的进一步改进，所述力学-光学信号转换装置包括粘性介质及均匀分散在粘性介质中的力致发光材料。
作为本发明的进一步改进，所述粘性介质可粘附于任意曲率表面，并保持固定形状，同时具有可塑性和延展性,可随欲测量表面的形变而变化。
作为本发明的进一步改进，所述力致发光材料为铜离子或锰离子掺杂的硫化锌、或铕离子或镝离子或铈离子掺杂的铝酸盐或硅酸盐或钛酸盐中的一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述力致发光材料与粘性介质的质量比为1:10～3:1。
作为本发明的进一步改进，所述信号采集及分析系统包括：
信号采集装置，用于采集力学-光学信号转换装置得到的光学信号；
信号处理系统，用于对光学信号进行处理得到完整的测量表面力谱。
作为本发明的进一步改进，所述信号采集装置用于采集波长为200～10000纳米范围内的光学信号。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的方法，所述应力测量和可视化的方法包括：
S1、通过力学-光学信号转换装置将测量表面全域应力状态转换成光学信号；
S2、利用信号采集及分析系统采集力学-光学信号转换装置产生的光学信号；
S3、分析任意曲率表面的应力状态，获得测量表面所受应力情况及应力分布信息，并进行力谱成像。
作为本发明的进一步改进，所述应力测量和可视化的方法还包括：
根据发光强度和所粘附表面受力时间，成像和测量初始受力的大小及其随时间的变化；和/或
根据发光强度和受力大小，成像和测量所粘附表面受力的初始时间、持续时间及其变化特征。
本发明的有益效果是：
本发明除可对测量表面所受压力进行测量外，同时可对包括冲击、拉伸、变形、压力、张力、剪切力、摩擦力、断裂等应力进行测量并进行力谱成像；
力学-光学信号转换装置具有自适应黏附特性，对欲测量表面特性要求低，同时可依靠自适应粘性粘附于任意曲率半径表面，制备工艺简单，安装、监测过程，成本低廉；
力学-光学信号转换装置可依靠介质的可塑性、延展性布满欲测量表面，获得连续完整的表面力谱；
根据发光强度和所粘附表面受力时间，成像和测量初始受力的大小及其随时间的变化，或根据发光强度和受力大小，成像和测量所粘附表面受力的初始时间、持续时间及其变化特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施方式中用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统的模块示意图；
图2为本发明一具体实施方式中力学-光学信号转换装置的结构示意图；
图3为本发明一具体实施例中发光强度衰减曲线图；
图4为本发明一具体实施例中应力与发光强度的曲线图；
图5为本发明一具体实施方式中获得的力谱图像。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明一具体实施方式中公开了一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统，该应力测量和可视化的系统由力学-光学信号转换装置A与信号采集及分析系统B组成，其中：
力学-光学信号转换装置2用于在测量过程中将欲测量表面1所受应力的应力状态实时转换成光学信号；
信号采集及分析系统信号采集装置3及信号处理系统4，用于对力学-光学信号转换装置得到的光学信号进行采集和分析，得到完整的测量表面力谱。
结合图2所示，力学-光学信号转换装置2包括自适应黏附在基底21上的粘性介质22及均匀分散在黏性介质中的力致发光材料23。
优选地，粘性介质22可粘附于任意曲率表面，并保持固定形状，同时具有可塑性和延展性,可随欲测量表面的形变而变化。力致发光材料23为铜离子或锰离子掺杂的硫化锌、或铕离子或镝离子或铈离子掺杂的铝酸盐或硅酸盐或钛酸盐中的一种或多种的组合。力致发光材料23与粘性介质22的质量比为1:10～3:1。
在本发明的一具体实施例中，力学-光学信号转换装置2的制备方法如下：
将2g淀粉加到10ml去离子水中，加热到60℃后加入6g无机盐，成胶后加入9g聚二甲基硅氧烷，机械搅拌后加入7g铜掺杂ZnS，继续搅拌，60℃静置6小时固化，得到力学-光学信号转换装置。
本实施方式中的信号采集及分析系统包括：
信号采集装置3，用于采集力学-光学信号转换装置得到的光学信号；
信号处理系统4，用于对光学信号进行处理得到完整的测量表面力谱。
优选地，信号采集装置用于采集波长为200～10000纳米范围内的光学信号。
相应地，本发明另一实施方式还公开了一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的方法，该应力测量和可视化的方法包括：
S1、通过力学-光学信号转换装置将测量表面全域应力状态实时转换成光学信号；
S2、利用信号采集及分析系统采集力学-光学信号转换装置产生的光学信号；
S3、分析任意曲率表面的应力状态，获得测量表面所受应力情况及应力分布信息，并进行力谱成像。
进一步地，本实施方式中还包括：
根据发光强度和所粘附表面受力时间，判断初始受力的大小；和/或
根据发光强度和初始受力大小，判断所粘附表面受力时间。
如在本发明的一具体实施例中，首先信号收集系统通过信号采集装置采集力学-光学信号转换装置所受应力，得到图3所示的发光强度衰减曲线。
然后根据如图3的发光强度衰减曲线，已知装置在t＝20分钟时，亮度I＝30mlm；t＝30分钟时，亮度I＝20mlm，则根据公式
I＝I0e-αt (1)
其中，初始亮度为：
I0＝bF (2)
30＝I0e-20α，
20＝I0e-30α，
得：
α＝0.058 (3)
而根据如图4的应力大小与发光强度的关系I0＝bF，当F＝20N时，I0＝80mlm，
得，b＝4，
得到公式，
I＝4Fe-0.058t (4)
信号采集及分析系统根据公式4对信号采集装置得到的图片进行处理，得到如图5的力谱图像。
信号采集及分析系统可根据发光强度和所粘附表面受力时间，判断初始受力的大小，或根据发光强度和初始受力大小，判断所粘附表面受力时间。
本发明具有装置具有自适应粘附性、可用于任意曲率半径表面、可对欲测量表面全域进行应力测量等特点，可用于传感器、多模态医学成像、人造皮肤、生物医学诊断系统、物件表面应力分布检测、城市建筑物防灾以及减灾系统等。
上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明除可对测量表面所受压力进行测量外，同时可对包括冲击、拉伸、变形、压力、张力、剪切力、摩擦力、断裂等应力进行测量并进行力谱成像；
力学-光学信号转换装置具有自适应黏附特性，对欲测量表面特性要求低，同时可依靠自适应粘性粘附于任意曲率半径表面，制备工艺简单，安装、监测过程，成本低廉；
力学-光学信号转换装置可依靠介质的可塑性、延展性布满欲测量表面，获得连续完整的表面力谱；
可根据发光强度和所粘附表面受力时间，判断初始受力的大小，或根据发光强度和初始受力大小，判断所粘附表面受力时间。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统，其特征在于，所述应力测量和可视化的系统包括：
力学-光学信号转换装置，用于在测量过程中将欲测量表面的应力状态实时转换成光学信号；
信号采集及分析系统，用于对力学-光学信号转换装置得到的光学信号进行采集和分析，得到完整的测量表面力谱。
2.根据权利要求1所述的应力测量和可视化的系统，其特征在于，所述力学-光学信号转换装置包括粘性介质及均匀分散在粘性介质中的力致发光材料。
3.根据权利要求2所述的应力测量和可视化的系统，其特征在于，所述粘性介质可粘附于任意曲率表面，并保持固定形状，同时具有可塑性和延展性,可随欲测量表面的形变而变化。
4.根据权利要求2所述的应力测量和可视化的系统，其特征在于，所述力致发光材料为铜离子或锰离子掺杂的硫化锌、或铕离子或镝离子或铈离子掺杂的铝酸盐或硅酸盐或钛酸盐中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求2所述的应力测量和可视化的系统，其特征在于，所述力致发光材料与粘性介质的质量比为1:10～3:1。
6.根据权利要求1所述的应力测量和可视化的系统，其特征在于，所述信号采集及分析系统包括：
信号采集装置，用于采集力学-光学信号转换装置得到的光学信号；
信号处理系统，用于对光学信号进行处理得到完整的测量表面力谱。
7.根据权利要求6所述的应力测量和可视化的系统，其特征在于，所述信号采集装置用于采集波长为200～10000纳米范围内的光学信号。
8.一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的方法，其特征在于，所述应力测量和可视化的方法包括：
S1、通过力学-光学信号转换装置将测量表面全域应力状态实时转换成光学信号；
S2、利用信号采集及分析系统采集力学-光学信号转换装置产生的光学信号；
S3、分析任意曲率表面的应力状态，获得测量表面所受应力情况及应力分布信息，并进行力谱成像。
9.根据权利要求8所述的应力测量和可视化的方法，其特征在于，所述应力测量和可视化的方法还包括：
根据发光强度和所粘附表面受力时间，成像和测量初始受力的大小及其随时间的变化；和/或
根据发光强度和受力大小，成像和测量所粘附表面受力的初始时间、持续时间及其变化特征。
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| CN201710478128.2A Pending CN107941389A (zh) | 2017-06-22 | 2017-06-22 | 一种用于任意曲率表面的应力测量和可视化的系统及方法 |
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| CN (1) | CN107941389A (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2017
- 2017-06-22 CN CN201710478128.2A patent/CN107941389A/zh active Pending
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