CN109959358B - 测量薄膜、测量薄膜的制造方法、平面应变场测量方法 - Google Patents

测量薄膜、测量薄膜的制造方法、平面应变场测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量薄膜、测量薄膜的制造方法、平面应变场测量方法。该测量薄膜包括：传感层，设置有多个传感器，其中，多个传感器的布局根据待测平面确定；引线层，设置有引线，引线用于实现传感器与后端采集电路的连接。通过本发明，达到了对二维平面进行实时应变场测量的效果。

Description

测量薄膜、测量薄膜的制造方法、平面应变场测量方法
技术领域
本发明涉及测量领域，具体而言，涉及一种测量薄膜、测量薄膜的制造方法、平面应变场测量方法。
背景技术
对于航空、建筑、道路、桥梁等领域，需要实时对结构进行应变场监测。目前的监测方法是通过将传感器安装在待测物表面，从而实现单点测量，但是二维平面测量无法实现。
针对相关技术中无法实现二维平面实时应变场测量的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种测量薄膜、测量薄膜的制造方法、平面应变场测量方法，以解决相关技术中无法实现二维平面实时应变场测量的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种测量薄膜，包括：传感层，设置有多个传感器，其中，所述多个传感器的布局根据待测平面确定；引线层，设置有引线，所述引线用于实现所述传感器与后端采集电路的连接。
进一步地，所述引线层还设置有：接口，与所述引线连接，所述接口用于连接后端采集电路。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种测量薄膜的制造方法，包括：确定待测平面的测点；根据所述待测平面的测点确定传感器布局和引线布局；根据所述传感器布局和所述引线布局生产测量薄膜，其中，所述测量薄膜包括传感层和引线层，所述传感层设置有多个传感器，所述引线层设置有引线，所述引线用于实现所述传感器与后端采集电路的连接。
进一步地，确定待测平面的测点，包括：根据所述待测平面的属性值确定以下至少之一：测点数量、面积、测量方向。
进一步地，根据所述待测平面的测点确定传感器布局和引线布局，包括：根据所述测点数量、面积和/或测量方向确定测点布置；根据所述测点布置确定所述传感器布局；根据所述传感器布局确定所述引线布局。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种平面应变场测量方法，包括：上述的测量薄膜与待测平面进行贴合；对所述待测平面施加载荷，所述测量薄膜采集测量数据；根据采集到的所述测量数据确定所述待测平面的平面应变场信息。
进一步地，所述待测平面被划分为多个网格，根据采集到的所述测量数据确定所述待测平面的平面应变场信息，包括：根据采集到的所述测量数据确定网格点的三个方向的正应变数值，其中，三个方向中任意两个方向之间的夹角为120度；根据所述网格点的三个方向的正应变数值计算x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变；根据所述x轴方向正应变、所述y轴方向正应变、所述切应变计算所述网格点的任意方向的正应变。
进一步地，根据采集到的所述测量数据确定网格点的三个方向的正应变数值，包括：采集所述网格点三个方向的多组正应变量；根据所述多组正应变量，采用插值算法计算所述网格点的三个方向的正应变数值。
进一步地，根据所述网格点的三个方向的正应变数值计算x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变，包括：根据以下公式计算所述x轴方向正应变、所述y轴方向正应变、所述切应变：ε1＝cos(θ1)*cos(θ1)*εx+sin(θ1)*sin(θ1)*εy+2*cos(θ1)*sin(θ1)*εxy，ε2＝cos(θ2)*cos(θ2)*εx+sin(θ2)*sin(θ2)*εy+2*cos(θ2)*sin(θ2)*εxy，ε3＝cos(θ3)*cos(θ3)*εx+sin(θ3)*sin(θ3)*εy+2*cos(θ3)*sin(θ3)*εxy，其中，ε1、ε2、ε3为所述网格点的三个方向的正应变数值，εx为x轴方向正应变，εy为y轴方向正应变，εxy为切应变，θ1为ε1对应的方向与x轴之间的夹角，θ2为ε2对应的方向与x轴之间的夹角，θ3为ε3对应的方向与x轴之间的夹角。
进一步地，根据所述x轴方向正应变、所述y轴方向正应变、所述切应变计算所述网格点的任意方向的正应变，包括：根据以下公式计算所述网格点的任意方向的正应变：ε＝cos(θ)*cos(θ)*εx+sin(θ)*sin(θ)*εy+2*cos(θ)*sin(θ)*εxy，其中，ε为所述网格点的任意方向的正应变，θ为ε对应的方向与x轴之间的夹角。
在本申请实施例中，测量薄膜包括传感层和引线层，传感层中设置有多个传感器，这些传感器的位置、方向是根据待测平面确定的，引线用于实现传感器与后端采集电路的连接，以将传感器测量得到的数据传输给后端采集电路，每次能够测量待测平面多个位置和多个方向的应变量，从而达到了对二维平面进行实时应变场测量的技术效果，解决了相关技术中无法实现二维平面实时应变场测量的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种可选的测量薄膜的制造方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的一种可选的传感器布局示意图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的传感器布局示意图；
图4是根据本发明实施例的一种可选的平面应变场测量方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供了一种测量薄膜。该测量薄膜包括：传感层、引线层。
传感层，设置有多个传感器，其中，多个传感器的布局根据待测平面确定。引线层，设置有引线，引线用于实现传感器与后端采集电路的连接。
待测平面可以是建筑、道路、桥梁等的表面。
在本申请实施例中，测量薄膜包括传感层和引线层，传感层中设置有多个传感器，这些传感器的位置、方向是根据待测平面确定的，引线用于实现传感器与后端采集电路的连接，以将传感器测量得到的数据传输给后端采集电路，每次能够测量待测平面多个位置和多个方向的应变量，从而达到了对二维平面进行实时应变场测量的技术效果，解决了相关技术中无法实现二维平面实时应变场测量的问题。
可选地，引线层还设置有：接口。接口与引线连接，用于连接后端采集电路。
接口可以一端连接引线，另一端连接后端采集电路，通过引线和接口可以将多个传感器测量得到的数据传输给后端采集电路。
本发明实施例提供了一种测量薄膜的制造方法。
图1是根据本发明实施例的一种可选的测量薄膜的制造方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S102：确定待测平面的测点。
步骤S104：根据待测平面的测点确定传感器布局和引线布局。
步骤S106：根据传感器布局和引线布局生产测量薄膜，其中，测量薄膜包括传感层和引线层，传感层设置有多个传感器，引线层设置有引线，引线用于实现传感器与后端采集电路的连接。
在本申请实施例中，确定待测平面的测点，根据待测平面的测点确定传感器布局和引线布局，根据传感器布局和引线布局生产测量薄膜，其中，测量薄膜包括传感层和引线层，传感层设置有多个传感器，引线层设置有引线，以将传感器测量得到的数据传输给后端采集电路，每次能够测量待测平面多个位置和多个方向的应变量，从而达到了对二维平面进行实时应变场测量的技术效果，解决了相关技术中无法实现二维平面实时应变场测量的问题。
可选地，确定待测平面的测点，包括：根据待测平面的属性值确定以下至少之一：测点数量、面积、测量方向。
待测平面的属性可以是结构尺寸、材料等。
对于不同的待测平面，测点数量、面积、测量方向可以是不同的。例如，如果待测平面的尺寸较大，则可以设置较多的测点；如果待测平面的尺寸较小，则可以设置较少的测点。如果对平面应变场的空间测量精度要求较高，则可以设置较多的测点；如果对平面应变场的空间测量精度要求较低，则可以设置较少的测点。
可选地，根据待测平面的测点确定传感器布局和引线布局，包括：根据测点数量、面积和/或测量方向确定测点布置；根据测点布置确定传感器布局；根据传感器布局确定引线布局。
图2和图3各示出了一种传感器布局。图2中的矩形框表示传感器。可以根据测量数量、面积及测量方向进行测点布置设计，根据测点布置完成传感层的设计，根据测点数量设计测量薄膜与后端采集电路的接口，并完成引线层的设计。
本发明实施例提供了一种平面应变场测量方法。
图4是根据本发明实施例的一种可选的平面应变场测量方法的流程图，如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤S402：将测量薄膜与待测平面进行贴合。
步骤S404：对待测平面施加载荷，测量薄膜采集测量数据。
步骤S406：根据采集到的测量数据确定待测平面的平面应变场信息。
在本申请实施例中，测量薄膜包括传感层和引线层，传感层中设置有多个传感器，这些传感器的位置、方向是根据待测平面确定的，引线用于实现传感器与后端采集电路的连接，以将传感器测量得到的数据传输给后端采集电路，在需要进行平面应变场测量时，将测量薄膜与待测平面进行贴合，对待测平面施加载荷，测量薄膜采集测量数据，根据采集到的测量数据确定待测平面的平面应变场信息，每次能够测量待测平面多个位置和多个方向的应变量，从而达到了对二维平面进行实时应变场测量的技术效果，解决了相关技术中无法实现二维平面实时应变场测量的问题。
可选地，待测平面被划分为多个网格，根据采集到的测量数据确定待测平面的平面应变场信息，包括：根据采集到的测量数据确定网格点的三个方向的正应变数值，其中，三个方向中任意两个方向之间的夹角为120度；根据网格点的三个方向的正应变数值计算x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变；根据x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变计算网格点的任意方向的正应变。
可以采用矩形网格，每个网格等大小。待测平面被划分的网格情况与测量薄膜中的传感器布局相对应。
本申请实施例通过在平面分三个方向集成密集布置多个应变传感单元，利用二维平面插值算法，可计算出每个点三个方向的正应变，再通过坐标转换矩阵，可以解算出每个点在两个坐标轴方向的正应变以及切应变。
可选地，根据采集到的测量数据确定网格点的三个方向的正应变数值，包括：采集网格点三个方向的多组正应变量；根据多组正应变量，采用插值算法计算网格点的三个方向的正应变数值。
插值算法可根据需要采用线性内插、三次方程内插等。这里可以采用4格点插值方法。
可选地，根据网格点的三个方向的正应变数值计算x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变，包括：根据以下公式计算x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变：
ε1＝cos(θ1)*cos(θ1)*εx+sin(θ1)*sin(θ1)*εy+2*cos(θ1)*sin(θ1)*εxy，
ε2＝cos(θ2)*cos(θ2)*εx+sin(θ2)*sin(θ2)*εy+2*cos(θ2)*sin(θ2)*εxy，
ε3＝cos(θ3)*cos(θ3)*εx+sin(θ3)*sin(θ3)*εy+2*cos(θ3)*sin(θ3)*εxy，
其中，ε1、ε2、ε3为网格点的三个方向的正应变数值，εx为x轴方向正应变，εy为y轴方向正应变，εxy为切应变，θ1为ε1对应的方向与x轴之间的夹角，θ2为ε2对应的方向与x轴之间的夹角，θ3为ε3对应的方向与x轴之间的夹角。
当求出x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变之后，就已经求得待测平面的二维应变场分布。可选地，根据x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变计算网格点的任意方向的正应变，包括：根据以下公式计算网格点的任意方向的正应变：
ε＝cos(θ)*cos(θ)*εx+sin(θ)*sin(θ)*εy+2*cos(θ)*sin(θ)*εxy，
其中，ε为网格点的任意方向的正应变，θ为ε对应的方向与x轴之间的夹角。
以待测结构件为一个复材板为例，一个实施案例可以包含以下步骤：
(1)根据结构尺寸、材料等确定传感测点数量和面积以及测量方向；
(2)根据测点数量和面积及测量方向进行测点布置设计；
(3)根据测点布置完成传感层的设计；
(4)根据测点数量设计传感薄膜(即上述测量薄膜)与后端采集电路的接口，并完成引线层的设计；
(5)根据传感层和引线层的设计生产双层软板，软板的一层为传感层，另一层为引线层；
(6)将集成的传感薄膜通过与待测结构件(如复材板)胶粘贴合；
(7)将传感薄膜的接口与后端采集电路接合，从配套软件操作控制开始采集数据；
(8)施加载荷，进行测试，可从配套软件上读取到待测结构件的实时应变场信息。
本申请实施例通过在平面分三个方向集成密集布置多个应变传感单元，利用二维平面插值算法，可计算出每个点三个方向的正应变，再通过坐标转换矩阵，可以解算出每个点在两个坐标轴方向的正应变以及切应变。
通过传感数据解算平面应变场的算法具体如下：
(1)以附图2所示传感器布局为例，每次采集可得到三组数据，分别为三个方向的正应变(如附图2中所示，为90°，210°及330°，分别记为θ1，θ2，θ3，对应的三个方向的正应变分别记为ε1，ε2，ε3)。此时得到的数据为各个采集点的应变值。
(2)为应变采集区域划分网格，这里采用矩形网格，每个网格等大小。
(3)计算网格点的ε1，ε2，ε3。具体方法：将采集点分为三组，分别对应ε1，ε2，ε3。采用插值算法，根据ε1对应的采集点坐标、应变值以及各网格点的坐标计算各网格点的ε1应变值。同样，可计算出各网格点的ε2和ε3。插值算法可根据需要采用线性内插、三次方程内插等。这里可以采用4格点插值方法。
(4)根据各网格点的ε1，ε2，ε3以及坐标变换计算平面应变在此坐标系下的三个分量εx(x轴方向正应变)，εy(y轴方向正应变)，εxy(切应变)：(如只需测量单向应变场，比如按图3所示布局，则步骤(4)(5)均可省略)
ε1＝cos(θ1)*cos(θ1)*εx+sin(θ1)*sin(θ1)*εy+2*cos(θ1)*sin(θ1)*εxy，
ε2＝cos(θ2)*cos(θ2)*εx+sin(θ2)*sin(θ2)*εy+2*cos(θ2)*sin(θ2)*εxy，
ε3＝cos(θ3)*cos(θ3)*εx+sin(θ3)*sin(θ3)*εy+2*cos(θ3)*sin(θ3)*εxy，
根据以上公式联立可求解εx，εy，εxy。
(5)至此，已求得采集区域的应变场分布。如需计算某个方向的正应变，可用以下公式：
ε＝cos(θ)*cos(θ)*εx+sin(θ)*sin(θ)*εy+2*cos(θ)*sin(θ)*εxy，
其中θ为此方向与x轴夹角。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种平面应变场测量方法，其特征在于，包括：
将测量薄膜与待测平面进行贴合，其中，所述测量薄膜包括传感层和引线层，所述传感层设置有多个传感器，所述引线层设置有引线，所述引线用于实现所述传感器与后端采集电路的连接；
对所述待测平面施加载荷，所述测量薄膜采集测量数据；
根据采集到的所述测量数据确定所述待测平面的平面应变场信息，其中，所述待测平面被划分为多个网格；
其中，根据采集到的所述测量数据确定所述待测平面的平面应变场信息，包括：根据采集到的所述测量数据确定网格点的三个方向的正应变数值，其中，三个方向中任意两个方向之间的夹角为120度；根据所述网格点的三个方向的正应变数值计算x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变；根据所述x轴方向正应变、所述y轴方向正应变、所述切应变计算所述网格点的任意方向的正应变。
2.根据权利要求1所述的平面应变场测量方法，其特征在于，根据采集到的所述测量数据确定网格点的三个方向的正应变数值，包括：
采集所述网格点三个方向的多组正应变量；
根据所述多组正应变量，采用插值算法计算所述网格点的三个方向的正应变数值。
3.根据权利要求1所述的平面应变场测量方法，其特征在于，根据所述网格点的三个方向的正应变数值计算x轴方向正应变、y轴方向正应变、切应变，包括：
根据以下公式计算所述x轴方向正应变、所述y轴方向正应变、所述切应变：ε1＝cos(θ1)*cos(θ1)*εx+sin(θ1)*sin(θ1)*εy+2*cos(θ1)*sin(θ1)*εxy，
ε2＝cos(θ2)*cos(θ2)*εx+sin(θ2)*sin(θ2)*εy+2*cos(θ2)*sin(θ2)*εxy，
ε3＝cos(θ3)*cos(θ3)*εx+sin(θ3)*sin(θ3)*εy+2*cos(θ3)*sin(θ3)*εxy，
其中，ε1、ε2、ε3为所述网格点的三个方向的正应变数值，εx为x轴方向正应变，εy为y轴方向正应变，εxy为切应变，θ1为ε1对应的方向与x轴之间的夹角，θ2为ε2对应的方向与x轴之间的夹角，θ3为ε3对应的方向与x轴之间的夹角。
4.根据权利要求3所述的平面应变场测量方法，其特征在于，根据所述x轴方向正应变、所述y轴方向正应变、所述切应变计算所述网格点的任意方向的正应变，包括：
根据以下公式计算所述网格点的任意方向的正应变：
ε＝cos(θ)*cos(θ)*εx+sin(θ)*sin(θ)*εy+2*cos(θ)*sin(θ)*εxy，
其中，ε为所述网格点的任意方向的正应变，θ为ε对应的方向与x轴之间的夹角。
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