CN109443610A - 基于液态金属传感器的远程交互式监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属传感器的远程交互式监测装置及其监测方法，该监测装置包括监测站和远程连接的远程通讯基站，监测站包括集成为一体式的信号采集部分、信号处理部分、预警驱动部分、通讯部分和显示部分，所述远程通讯基站通过无线通讯信号与所述监测站连接，实现数据传输，所述电信号采集部分连接有多个液态金属传感器。本发明信号采集部分、信号处理部分、预警驱动部分、LoRa通讯模块，可实现岩土工程应力的远程实时监控，其具有原理简单，安装方便的优点，且本装置通过多个液态金属传感器进行多个点位实时监测，并将电信号通过通讯部分发送到远程通讯基站进行汇集处理，打破了传统的点对点的单一监测系统。

Description

基于液态金属传感器的远程交互式监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程监测技术领域，具体涉及基于液态金属传感器的远程 交互式监测装置。

背景技术

目前岩土工程结构应变监测呈现人工观测、半自动观测以及自动观测并存 的现状，采用的传感设备主要为振弦式或电阻式。现有技术情况下表所示：

目前以仪器测量、仪器记录为主逐步向自动化控制的智能监测、预警方向 发展。

但是，人工或半自动化监测存在明显的时间域空白，实时性差，夜晚、雨 天等不利条件下难以实现基本的数据采集工作，采集数据可靠性受人为影响因 素大，难以满足现今自动化实时监测需求。目前现有自动化监测手段，为实现 其功能，整个监测系统包含传感、采集、传输、供电、防雷、安装附件等部分 (即集成度不高)，由于系统部件较多，对野外安装维护提出了极高的要求。 其次现有自动化观测系统侧重于数据采集，对数据的可靠性、合理性未进行深 入挖掘。第三现有自动化观测系统其通讯模式多为点对点单向通讯，对现场组 网通讯及设备方向控制尚未成熟。最后现有自动化监测系统在可视化展示及现 场预警方面尚有待提升。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种基于液态金属传感器的远程 交互式监测装置及其监测方法，其具有结构简单、安装方便、高集成、一体化 的优点，同时能实时监控多个点位，打破了传统的点对点的单一监测系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，包括监测站和远程连接 的远程通讯基站，所述监测站包括集成为一体式的信号采集部分、信号处理部 分、预警驱动部分、通讯部分和显示部分，所述远程通讯基站通过无线通讯信 号与所述监测站连接，实现数据传输，所述电信号采集部分连接有多个液态金 属传感器。

优选的，所述液态金属传感器采用外接于信号采集部分或内置于所述信号 采集部分

优选的，所述液态金属传感器的基底材料在外力作用下产生弹性变形，液 态金属传感器的微流通道的形状和尺寸发生改变，液态金属的电阻值也随之发 生变化；然后通过液态金属传感器对应的测量电路将液态金属的电阻转换成电 信号；最后所述信号采集部分将该电信号采集、放大并传输到电信号处理部分 进行处理。

优选的，所述信号处理部分包括内嵌信号滤波器和评查处理算法，用于对 液态金属传感器的电信号进行处理，监测液态金属电阻值，并对应计算出应力 值。

优选的，所述预警驱动部分连接有声光报警器，当应力值超出预警范围后 便会通过声光报警器发出报警。

优选的，所述通讯部分包括LoRa通讯模块和通讯天线组成，所述远程通 讯基站对应设有通讯天线用于远程接收由通讯部分传送的应力信号进行数据 汇集。

优选的，所述显示部分包括半柔性光伏板和OLED显示屏，用于显示设备 工作状态。

优选的，所述监测站和远程通讯基站均设有磷酸铁锂电池组，且均设有预 留充电接口。

一种基于液态金属传感器的远程交互式监测方法，包括如下步骤：

a、通过液态金属传感器将各个监测点位的电阻变化转换成电信号传送并 通过信号采集部分将该电信号采集、放大并传输到信号处理部分进行处理；

b、所述信号处理部分包括内嵌信号滤波器和评查处理算法，用于对电信 号进行处理，监测电阻应变量，并计算出相应的应力值P；

c、然后通过通讯部分将压力信号传送到所述远程通讯基站进行数据汇集， 进行监测和预警。

优选的，液态金属的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与微流通道的 长度和横截面积有关。构件上的液态金属传感器受力变形时，微流通道的长度 和横截面积也随之变化，进而导致液态金属的电阻发生变化。

由试验可知，液态金属电阻值R与应力P(单位MPa)之间具有以下的关系 式：

本发明的有益效果为：

本发明采用液态金属传感器、信号采集部分、信号处理部分、预警驱动部 分、LoRa通讯模块，可实现岩土工程结构远程实时监控，同时所述信号采集 部分、信号处理部分、预警驱动部分、通讯部分和显示部分集成为一体式设计， 因此，其具有原理简单，安装方便的优点，且本装置通过多个液态金属传感器 进行多个点位实时监测，并将电信号通过通讯部分发送到远程通讯基站进行汇 集处理，打破了传统的点对点的单一监测系统。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下 面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图 中：

图1和图2是本发明基于液态金属传感器的远程交互式监测装置的采用外 置和内置两种方式的结构示意图；

图3是本发明基于液态金属传感器的远程交互式监测装置顶面的示意图。

图中各附图标记说明如下。

监测站A、远程通讯基站B、信号采集部分1、信号处理部分2、预警驱 动部分3、通讯部分4、显示部分5、液态金属传感器6、磷酸铁锂电池组7、 预留充电接口7a、传感信号采集部分8。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合 实施方式并配合附图详予说明。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描 述的实施例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，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中 心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位 或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简 化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图3，一种基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，主 要应用于岩土工程领域，该监测装置包括监测站A和远程连接的远程通讯基站 B，所述监测站A设置在岩土工程结构中进行实时监测，将监测信号采集并处 理成电信号通过无线传输到远程设置的远程通讯基站B进行汇集，可达到对岩 土工程结构的实时监控，且稳定性更强。所述监测站A包括集成为一体式的信 号采集部分1、信号处理部分2、预警驱动部分3、通讯部分4和显示部分5， 所述远程通讯基站B通过无线通讯信号与所述监测站A连接，实现数据传输。所述信号采集部分1连接有多个液态金属传感器6，可实现多个点的监测。本 发明中所述监测站A中的信号采集部分1、信号处理部分2、预警驱动部分3、 通讯部分4和显示部分5集成为一体式设计，安装部署更加便捷。

本发明中，所述液态金属传感器6采用外接于信号采集部分1或内置于所 述信号采集部分1两种方式，其中内置液态金属传感器组成传感信号采集部分 8。

在本实施例中，所述液态金属传感器6的基底材料在外力作用下产生弹性 变形，液态金属传感器的微流通道的形状和尺寸发生改变，液态金属的电阻值 也随之发生变化；然后通过液态金属传感器6对应的测量电路将液态金属的电 阻转换成电信号；最后所述信号采集部分1将该电信号采集、放大并传输到电 信号处理部分2进行处理。

所述信号处理部分2包括内嵌信号滤波器和平差处理算法，用于对液态金 属传感器6的电信号进行处理，监测液态金属电阻值应变量，并计算出相应的 应力值。

所述预警驱动部分3连接有声光报警器，当应力值超出预警范围后便会通 过声光报警器发出报警。

所述通讯部分4包括LoRa通讯模块和通讯天线组成，所述远程通讯基站 B对应设有通讯天线用于远程接收由通讯部分4传送的应力信号进行数据汇 集。本发明中可通过多个液态金属传感器6进行多个点位实时监测，并将电信 号通过通讯部分4发送到远程通讯基站B进行汇集处理，打破了传统的点对点 的单一监测系统。

在本实施例中，所述显示部分5设于装置的顶面，且显示部分5包括半柔 性光伏板和OLED显示屏，用于显示设备工作状态，实施观测曲线等，且所述 半柔性光伏板采用下沉式嵌入方案贴敷于外壳顶面。

进一步的，所述监测站A和远程通讯基站B均设有磷酸铁锂电池组7，且 均设有预留充电接口7a。

一种基于液态金属传感器的远程交互式监测方法，其特征在于，包括如下 步骤：

a、通过液态金属传感器6将各个监测点位的电阻变化转换成电信号传送 并通过信号采集部分1将该电信号采集、放大并传输到信号处理部分2进行处 理；

b、所述信号处理部分2包括内嵌信号滤波器和评查处理算法，用于对电 信号进行处理，监测电阻应变量，并计算出相应的应力值P；

c、然后通过通讯部分4将应力信号传送到所述远程通讯基站B进行数据 汇集，进行监测和预警。

请再次参阅图1至图3，本发明的工作原理：该监测装置通过液态金属传 感器6将各个监测点位的电阻变化转换成的电信号传送并通过信号采集部分1 将该电信号采集、放大并传输到信号处理部分2进行处理，其观测原理如下： 液态金属的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与微流通道的长度和横截面 积有关。构件上的液态金属传感器受力变形时，微流通道的长度和横截面积也 随之变化，进而导致液态金属的电阻发生变化。

由试验可知，液态金属电阻值R单位mΩ与应力P(单位MPa)之间具有以 下的关系式：

综上所述，所述信号处理部分2通过电阻变化可计算出应力值，然后将应 力信号在显示部分5进行显示，并通过通讯部分4传送到远程通讯基站B进行 汇集，实现各个监测点的实时监控。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述 实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实 施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围 内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便 说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它装置，均在本 发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：包括监测站(A)和远程连接的远程通讯基站(B)，所述监测站(A)包括集成为一体式的信号采集部分(1)、信号处理部分(2)、预警驱动部分(3)、通讯部分(4)和显示部分(5)，所述远程通讯基站(B)通过无线通讯信号与所述监测站(A)连接，实现数据传输，所述信号采集部分(1)连接有多个液态金属传感器(6)。

2.如权利要求1所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：所述液态金属传感器(6)采用外接于信号采集部分(1)或内置于所述信号采集部分(1)。

3.如权利要求2所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：所述液态金属传感器(6)的基底材料在外力作用下产生弹性变形，液态金属传感器的微流通道的形状和尺寸发生改变，液态金属的电阻值也随之发生变化；然后通过液态金属传感器(6)对应的测量电路将液态金属的电阻转换成电信号；最后所述信号采集部分(1)将该电信号采集、放大并传输到信号处理部分(2)进行处理。

4.如权利要求3所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：所述信号处理部分(2)包括内嵌信号滤波器和评查处理算法，用于对液态金属传感器(6)的电信号进行处理，监测液态金属电阻值，并计算出相应的应力值。

5.如权利要求4所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：所述预警驱动部分(3)连接有声光报警器，当应力值超出预警范围后便会通过声光报警器发出报警。

6.如权利要求4所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：所述通讯部分(4)包括LoRa通讯模块和通讯天线组成，所述远程通讯基站(B)对应设有通讯天线用于远程接收由通讯部分(4)传送的应力信号进行数据汇集。

7.如权利要求1所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：所述显示部分(5)包括半柔性光伏板和OLED显示屏，用于显示设备工作状态。

8.如权利要求1所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测装置，其特征在于：所述监测站(A)和远程通讯基站(B)均设有磷酸铁锂电池组(7)，且均设有预留充电接口(7a)。

9.一种基于液态金属传感器的远程交互式监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、通过液态金属传感器(6)将各个监测点位的电阻变化转换成电信号传送并通过信号采集部分(1)将该电信号采集、放大并传输到信号处理部分(2)进行处理；

b、所述信号处理部分(2)包括内嵌信号滤波器和评查处理算法，用于对电信号进行处理，监测电阻值，并对应计算出相应的应力值P；

c、然后通过通讯部分(4)将应力信号传送到所述远程通讯基站(B)进行数据汇集，进行监测和预警。

10.如权利要求9所述的基于液态金属传感器的远程交互式监测方法，其特征在于，液态金属的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与微流通道的长度和横截面积有关。构件上的液态金属传感器受力变形时，微流通道的长度和横截面积也随之变化，进而导致液态金属的电阻发生变化。

由试验可知，液态金属电阻值R(单位mΩ)与应力P(单位MPa)之间具有以下的关系式：