CN110001065A - 一种3d打印机作业过程智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印机作业过程智能监测系统，利用进料口、输料管、打印喷头、滑杆、打印平台、储料容器、左侧板、右侧板、中央处理装置、温度传感器、湿度传感器、振动传感器、底板、压力传感器以及信号处理电路对生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号进行采集，由此，工作人员能够实时获知生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号，以及时调整生物3D打印机作业时的环境温湿度和进料速度，以此保障3D打印的效果符合预期。

Description

一种3D打印机作业过程智能监测系统

技术领域

本发明涉及智能测试领域，尤其涉及一种3D打印机作业过程智能监测系统。

背景技术

3D打印作为快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属、塑料、陶瓷等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，常用于模具、模型的制造，但随着3D打印技术在工业领域的快速发展，已经广泛应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业等领域。

而生物3D打印是利用3D打印离散/堆积成型的基本原理和方法，形成所需的具有生物活性的植入物、细胞三维结构或人工组织器官等。3D生物打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。

对于生物3D打印机而言，由于生物3D打印机喷头在打印作业时，环境的温湿度对3D打印效果有直接影响，在环境温湿度不良的情况下，3D打印效果不佳，但是，目前市场上未有对生物3D打印机喷头作业时对其作业环境的温湿度进行有效、高精度监控的装置。同时，生物3D打印机的进料速度也会对3D打印效果造成影响，但是，目前市场上也未有对生物3D打印机的进料速度进行有效、高精度监控的装置。

因此，亟需提供一种3D打印机作业过程智能监测系统。

发明内容

因此，为了克服上述问题，本发明提供一种3D打印机作业过程智能监测系统，利用进料口、输料管、打印喷头、滑杆、打印平台、储料容器、左侧板、右侧板、中央处理装置、温度传感器、湿度传感器、振动传感器、底板、压力传感器以及信号处理电路对生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号进行采集，并将采集到的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号传输至中央处理装置，再通过中央处理装置将其接收到的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号传输至显示装置进行显示，由此，工作人员能够实时获知生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号，以及时调整生物3D打印机作业时的环境温湿度和进料速度，以此保障3D打印的效果符合预期。

本发明提供的3D打印机作业过程智能监测系统包括进料口、输料管、打印喷头、滑杆、打印平台、储料容器、左侧板、右侧板、中央处理装置、温度传感器、湿度传感器、振动传感器、底板、压力传感器以及信号处理电路。

其中，输料管通过进料口与储料容器连接，储料容器向打印喷头输送3D打印原料，打印喷头利用滑杆根据工作人员向中央处理装置中输入的三维模型进行移动作业，打印平台位于打印喷头下方，底板设置于打印平台下方，滑杆的两端固定设置于左侧板和右侧板之间，温度传感器设置于打印平台上，温度传感器用于采集生物3D打印机作业时的温度信号，湿度传感器所述振动传感器均设置于底板上，湿度传感器用于采集生物3D打印机作业时的湿度信号，振动传感器用于采集生物3D打印机作业时的振动信号，压力传感器设置于进料口内，压力传感器用于采集输料管向进料口输送原料时的压力信号。

其中，温度传感器通过AD转换电路与中央处理装置连接，湿度传感器通过AD转换电路与中央处理装置连接，振动传感器通过AD转换电路与中央处理装置连接，压力传感器将采集的压力信号传输至信号处理电路，信号处理电路通过AD转换电路与中央处理装置连接，中央处理装置将接收到的湿度信号、温度信号以及压力信号传输至显示装置进行显示。

优选的是，温度传感器为铂电阻温度传感器，通过铂电阻阻值的变化对温度进行监测，中央处理装置对接收到的温度信号分析生物3D打印机作业时的温度变化，其中，通过下述公式对温度进行计算：

。

其中，R为铂电阻的实时阻值，R（0℃）为铂电阻在0℃时的电阻值，t为待测温度值，A=4.18×0.001，B=-9.41×0.00000001，C=1.33×0.000000001，D=-3.92×0.0000000001，E=8.72×0.00000000001。

优选的是，湿度传感器采集的湿度信号为x(n)，n为正整数，中央处理装置对接收到的湿度信号通过下述公式对湿度进行零漂补偿：

。

。

其中，h(n)为零漂补偿函数，为零漂调节常数，补偿效果通过进行调节，y(n)为经过零漂补偿后的湿度信号。

优选的是，压力传感器将采集到的压力信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的压力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至中央处理装置。

优选的是，压力传感器设置于进料口内，压力传感器用于采集输料管向进料口输送原料时的压力信号，将采集的压力信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，压力传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端通过AD转换电路与中央处理装置连接。

优选的是，信号放大单元包括集成运放A1、电容C1-C3、三极管VT1-VT4和电阻R1-R9；

其中，压力传感器的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R4和电容C2并联后的一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R2的一端与电容C1的一端连接，电阻R2的一端还与集成运放A1的输出端连接，电阻R2的另一端与三极管VT1的集电极连接，电阻R2的另一端还与三极管VT3的基极连接，电容C1的另一端与三极管VT3的集电极连接，电阻R5的一端与三极管VT1的基极连接，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端还与三极管VT3的发射极连接，电阻R6的另一端与+5V电源连接，三极管VT1的发射极也与+5V电源连接，电容C1的另一端还与三极管VT4的集电极连接，电阻R3的一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R3的另一端与三极管VT2的集电极连接，电阻R3的另一端还与三极管VT4的基极连接，电阻R7的一端与三极管VT2的基极连接，电阻R7的另一端与三极管VT4的发射极连接，三极管VT2的发射极接地，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端与三极管VT4的发射极连接，电容C3的一端接地，电阻R9的一端与电容C3的另一端连接，电阻R9的另一端与三极管VT4的集电极连接，电阻R4和电容C2并联后的另一端与电阻R9的另一端连接，电阻R4和电容C2并联后的另一端还与信号滤波单元的输入端连接。

优选的是，信号滤波单元包括电阻R10-R14、电容C4-C6以及集成运放A2；

其中，信号放大单元的输出端与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A2的同相输入端连接，电容C5的一端也与集成运放A2的同相输入端连接，电容C5的另一端接地，电容C4的一端与电阻R11的一端连接，电容C4的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R13与电阻R14串联再与电容C6并联后的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R13与电阻R14串联再与电容C6并联后的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R12的一端接地，电阻R12的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的输出端通过AD转换电路与中央处理装置连接，集成运放A2将处理后的电压信号V1通过AD转换电路传输至中央处理装置。

优选的是，中央处理装置还包括一数据扩展端口，扩展端口用于根据用户需求增设监测传感器。

优选的是，湿度传感器为电容型相对湿度传感器，湿度传感器的感湿部分使用的是聚合物薄膜。

优选的是，3D打印机作业过程智能监测系统采用太阳能供电，3D打印机作业过程智能监测系统还包括一太阳能板、整流装置和蓄电池，太阳能板将光能转换为电能后，经过整流装置进行整流处理后将电能存储于蓄电池，蓄电池为3D打印机作业过程智能监测系统供电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明提供一种3D打印机作业过程智能监测系统，利用进料口、输料管、打印喷头、滑杆、打印平台、储料容器、左侧板、右侧板、中央处理装置、温度传感器、湿度传感器、振动传感器、底板、压力传感器以及信号处理电路对生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号进行采集，并将采集到的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号传输至中央处理装置，再通过中央处理装置将其接收到的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号传输至显示装置进行显示，由此，工作人员能够实时获知生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号，以及时调整生物3D打印机作业时的环境温湿度和进料速度，以此保障3D打印的效果符合预期。

（2）本发明提供的一种3D打印机作业过程智能监测系统，本发明的发明点还在于由于压力传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放A1、电容C1-C3、三极管VT1-VT4和电阻R1-R9对压力传感器输出的电压V0进行放大处理，由集成运放A1、电容C1-C3、三极管VT1-VT4和电阻R1-R9构成的信号放大单元只有0.1μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内25nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R10-R14、电容C4-C6以及集成运放A2对经过放大后的电压信号进行低通滤波处理，从而提高了压力检测的精度。

附图说明

图1为本发明的3D打印机作业过程智能监测系统的结果图；

图2为本发明的3D打印机作业过程智能监测系统的示意图；

图3为本发明的信号处理电路的电路图。

附图标记：

1-进料口；2-输料管；3-打印喷头；4-滑杆；5-打印平台；6-储料容器；7-左侧板；8-右侧板；9-中央处理装置；10-温度传感器；11-湿度传感器；12-底板；13-压力传感器；14-信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的3D打印机作业过程智能监测系统进行详细说明。

如图1-2所示，本发明提供的3D打印机作业过程智能监测系统包括进料口1、输料管2、打印喷头3、滑杆4、打印平台5、储料容器6、左侧板7、右侧板8、中央处理装置9、温度传感器10、湿度传感器11、振动传感器、底板12、压力传感器13以及信号处理电路14。

其中，输料管2通过进料口1与储料容器6连接，储料容器6向打印喷头3输送3D打印原料，打印喷头3利用滑杆4根据工作人员向中央处理装置9中输入的三维模型进行移动作业，打印平台5位于打印喷头3下方，底板12设置于打印平台5下方，滑杆4的两端固定设置于左侧板7和右侧板8之间，温度传感器10设置于打印平台5上，温度传感器10用于采集生物3D打印机作业时的温度信号，湿度传感器11和振动传感器设置于底板12上，湿度传感器11用于采集生物3D打印机作业时的湿度信号，振动传感器用于采集生物3D打印机作业时的振动信号，压力传感器13设置于进料口1内，压力传感器13用于采集输料管2向进料口1输送原料时的压力信号。

其中，温度传感器10通过AD转换电路与中央处理装置9连接，湿度传感器11通过AD转换电路与中央处理装置9连接，振动传感器通过AD转换电路与中央处理装置9连接，压力传感器13将采集的压力信号传输至信号处理电路14，信号处理电路14通过AD转换电路与中央处理装置9连接，中央处理装置9将接收到的湿度信号、温度信号以及压力信号传输至显示装置进行显示。

生物3D打印机作业时的振动信号也是工作人员判断生物3D打印机是否正常运行的重要指标，因此，本发明提供的3D打印机作业过程智能监测系统还包括一振动传感器（图中未示出），其设置于底板12上。

上述实施方式中，利用进料口1、输料管2、打印喷头3、滑杆4、打印平台5、储料容器6、左侧板7、右侧板8、中央处理装置9、温度传感器10、湿度传感器11、振动传感器、底板12、压力传感器13以及信号处理电路14对生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号进行采集，并将采集到的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口的压力信号传输至中央处理装置9，再通过中央处理装置9将其接收到的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口1的压力信号传输至显示装置进行显示，由此，工作人员能够实时获知生物3D打印机作业时的环境温度信号、湿度信号、振动信号以及进料口1的压力信号，以及时调整生物3D打印机作业时的环境温湿度和进料速度，以此保障3D打印的效果符合预期。

AD转换电路采用AD976A，其中，AD976/AD976A，16位逐次逼近式ADC—AD976/AD976A与8位和12位的AD转换器相比，16位ADC在精度要求较高的场合更能符合设计要求。AD976/AD976A是美国模拟器件（Analog Device）公司推出的一款16位高精度、高速、低功耗ADC。采用逐次逼近式工作原理，单一+5V供电，单通道输入，输入电压范围+/-10V，采样速率为100KSPS,AD976A为200KSPS。

此芯片满幅为±4 VREF(VREF=2.5V)时，±10V范围输入，传输特性如下：

输入量：+FSR - 1LSB 输出量： 7FFF

Midscale + 1LSB 0001

Midscale 0000

Midscale - 1LSB 0001

-FSR + 1LSB 8001

-FSR 8000

AD979A具有窄型28脚DIP，SSOP及SOIC三种封装形式，芯片各引脚功能简述如下(说明：R/C即为，CS即为，BUSY即为)。

VIN(1脚)：模拟输入。该引脚和模拟信号源之间连接一个200Ω的电阻，满量程输入范围为±10V。

AGND1(2脚)：模拟地。作为REF引脚的参考地。

REF (3脚)：基准输入/输出。该引脚为内部+ 2. 5V基准的输出或从该引脚输入一个外部基准。两种情况下，均应在该引脚和REF引脚之间接入一个2. 2uF的钽电容。

CAP (4脚)：基准缓冲器输出。该引脚和AGND2引脚之间接入一个2. 2LF:的钽电容。

AGND2(5脚)：模拟地。

D15( MSB) (6脚)：数据位15。

D14～D8(7脚～13脚)：数据位14～18。

DGND(14脚)：数字地。

D7～D1(15脚～21脚)：数据位7～1。

D0( LSB) (22脚)：数据位0。

BYTE(:23脚)：字节选择。BYTE:为低时，数据按上面所述方式输出；6脚( D15)为MSB，22脚(D0)为LSB。BYTE为高时，高低8位数据交换输出；D15～D8在15脚～22脚输出，D7～D0在6脚～13脚输出。

R/ C(24脚)：读/转换输入。当CS为低时, R/C的下降沿使芯片内部的采样/保持进入保持状态并开始一次转换；R/C的上升沿允许输出数据位。

CS(25脚)：片选输入。内部与R/C相或。R/C为低时，CS下降沿初始化一次转换。R/C为高时，CS下降沿允许输出数据位。CS为高时，输出数据位呈高阻状态。

BUSY(26脚)：忙输出。一次转换开始时，BUSY变低并维持到该次转换结束，数据锁入输出锁存器。CS为低、R/C为高时，BUSY变高，输出数据有效。

VANA(27脚)：模拟电源，一般为+ 5V。

VDIG(28脚)：数字电源，一般为+ 5V。

中央处理装置9为AM1808，AM1808，是美国德州仪器(TI)推出全新高性能ARM处理器，这款芯片拥有丰富的外设资源，也是业界功耗最低的ARM9处理器之一，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。不仅具备通用并行端口 (uPP)，同时也是 TI 首批集成串行高级技术附件 (SATA)的器件。

TI AM1808处理器（Pin to Pin兼容TMS320C6748，OMAPL138处理器），主频为456MHz；可采用128/256MByte工业级DDR2，或128M/256M/512MByteNAND Flash作为存储器；带1个3.5mm Line in音频输入接口，1个3.5mm Mic in音频输入接口，1个3.5mm Line out音频输出接口；UART1，3线串口，RS232电平；UART2，3线串口，RS232电平；1个RS485接口（RS485和UART1复用）；1 x USB2.0 OTG（Mini USB-B母座接口）；4 x USB1.1 HOST（2 x 双层USB Type A座）；1个标准SD卡座（SD/MMC信号，支持1.8V及3.3V逻辑电压）；1个10/100Mbps以太网络接口（RJ45连接器）；1个SATA接口（7pin SATA硬盘接口）；1个RTC座（RC1220 RTC座）；1 个JTAG接口（14Pin TI Rev B JTAG接口）；1路SPI总线；1路IIC总线；1路UART信号；1路VPIF总线；1路uPP总线；1路EMIF总线；可设置多个GPIO；1个非屏蔽中断按键；1个可编程按键；1个复位按键；2个电源指示灯；1个系统指示灯；4个可编程指示灯；一个VGA接口；一个24bit真彩色LCD接口（50pinFPC排座；含4电阻式线触摸屏接口，分辨率可支持1366x768）。

工作电压：3.8V~5.5V（典型值：5V）；工作温度：-45~85℃；环境湿度：20% ~ 90% ，非冷凝；开发板：180mm*130mm；核心板：55mm*33mm；电压：5V；电流：232mA；功耗：1.16W。

其中，时钟电路，为ARM处理器提供所需的起振时钟频率，保障其稳定运行，E2PROM，主要作用是存放本发明的软件在运行过程中所需要的重要参数。

外扩的FLASH存储器采用SPR4096A，主要用来存储及备份原始文件数据信息。

SPR4096A FLASH具有如下特征：512K×8位的存储空间；内嵌4K×8位的SRAM；外部CPU可以通过串行接口或8位并行接口来访问Flash／SRAM；I／O接口的电压范围为2.25～3.6V，并支持stand by的省电模式；可以大大降低系统的成本。在使用时，数据处理过程中，ARM处理器结合随机存储器和FLASH存储器可有效完成数据交换，以达到良好的数据处理效果；能有效保障110KV电力传输系统上的用于进行运营管理的微机系统安全稳定的正常运行，并且能够及时的发现传输线路是否存在短路或断路故障，确保传输线路正常运营，整个电路具有设计科学合理、安全稳定、实用性强等特点；采用多种存储器相结合的方式，能根据不同的数据处理需要而选择不同的存储器，从而保障数据处理的良好效果；所述的FLASH存储器可有效的进行数据备份存储，以备后期进行信息调阅等操作时有据可依。

具体地，温度传感器10为铂电阻温度传感器，通过铂电阻阻值的变化对温度进行监测，中央处理装置9对接收到的温度信号分析生物3D打印机作业时的温度变化，其中，通过下述公式对温度进行计算：

。

其中，R为铂电阻的实时阻值，R（0℃）为铂电阻在0℃时的电阻值，t为待测温度值，A=4.18×0.001，B=-9.41×0.00000001，C=1.33×0.000000001，D=-3.92×0.0000000001，E=8.72×0.00000000001。

上述实施方式中铂电阻温度传感器的测温范围为-50℃-150℃，若超出该范围则不再适用上述公式，上述公式根据铂电阻的实际阻值推算实际温度值，并对测量过程中的噪声等进行补偿，以使温度测试更为精准，在此，还能将上述公式扩展到待测温度值t的5次方温度补偿，但是，由于所叠加的补偿越多，则运算越缓慢，因此，此处选择扩展到待测温度值t的4次方温度补偿。

具体地，湿度传感器11采集的湿度信号为x(n)，n为正整数，中央处理装置9对接收到的湿度信号通过下述公式对湿度进行零漂补偿：

。

。

其中，h(n)为零漂补偿函数，为零漂调节常数，补偿效果通过进行调节，y(n)为经过零漂补偿后的湿度信号。

上述方式中，由于湿度传感器11受零漂影响较大，因此，在此对湿度传感器11采集的湿度信号为x(n)进行零漂补偿，通过零漂补偿函数h(n)对x(n)信号中零漂带来的误差值进行调节。

具体地，压力传感器13将采集到的压力信号传输至信号处理电路14，信号处理电路14对接收到的压力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至中央处理装置9。

如图3所示，压力传感器13设置于进料口1内，压力传感器13用于采集输料管2向进料口1输送原料时的压力信号，将采集的压力信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路14，V1为经过信号处理电路14处理后的电压信号，信号处理电路14包括信号放大单元和信号滤波单元，压力传感器13的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端通过AD转换电路与中央处理装置9连接。

具体地，信号放大单元包括集成运放A1、电容C1-C3、三极管VT1-VT4和电阻R1-R9。

其中，压力传感器13的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R4和电容C2并联后的一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R2的一端与电容C1的一端连接，电阻R2的一端还与集成运放A1的输出端连接，电阻R2的另一端与三极管VT1的集电极连接，电阻R2的另一端还与三极管VT3的基极连接，电容C1的另一端与三极管VT3的集电极连接，电阻R5的一端与三极管VT1的基极连接，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端还与三极管VT3的发射极连接，电阻R6的另一端与+5V电源连接，三极管VT1的发射极也与+5V电源连接，电容C1的另一端还与三极管VT4的集电极连接，电阻R3的一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R3的另一端与三极管VT2的集电极连接，电阻R3的另一端还与三极管VT4的基极连接，电阻R7的一端与三极管VT2的基极连接，电阻R7的另一端与三极管VT4的发射极连接，三极管VT2的发射极接地，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端与三极管VT4的发射极连接，电容C3的一端接地，电阻R9的一端与电容C3的另一端连接，电阻R9的另一端与三极管VT4的集电极连接，电阻R4和电容C2并联后的另一端与电阻R9的另一端连接，电阻R4和电容C2并联后的另一端还与信号滤波单元的输入端连接。

具体地，信号滤波单元包括电阻R10-R14、电容C4-C6以及集成运放A2。

其中，信号放大单元的输出端与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A2的同相输入端连接，电容C5的一端也与集成运放A2的同相输入端连接，电容C5的另一端接地，电容C4的一端与电阻R11的一端连接，电容C4的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R13与电阻R14串联再与电容C6并联后的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R13与电阻R14串联再与电容C6并联后的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R12的一端接地，电阻R12的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的输出端通过AD转换电路与中央处理装置9连接，集成运放A2将处理后的电压信号V1通过AD转换电路传输至中央处理装置9。

上述实施方式中，信号处理电路14的噪声在25nV以内，漂移为0.1μV/℃，集成运放A1、A2均为LT1013低漂移放大器，由于集成运放A1的直流偏移与漂移并不会影响电路的整体偏移，从而使得电路有着极低的偏移和漂移。

信号放大单元中，三极管VT1-VT4构成了并联逻辑反相器，且该并联逻辑反相器在集成运放LT1013的反馈回路内，并联逻辑反相器降低了输出电阻，因此使得当信号放大单元工作在线性区域时，具有较高增益。

在信号处理电路14中，电阻R1的阻值为1KΩ，电阻R2的阻值为1KΩ，电阻R3的阻值为1KΩ，电阻R4为阻值为10KΩ，电阻R5的阻值为1KΩ，R6的阻值为2Ω，电阻R7的阻值为1KΩ，电阻R8的阻值为2Ω，电阻R9的阻值为6.2Ω，电阻R10的阻值为500Ω，电阻R11的阻值为1.2KΩ，电阻R12的阻值为1KΩ，电阻R13的阻值为1.56KΩ，电阻R14的阻值为6.81KΩ，C1的电容值为10pF，电容C2的电容值为200pF，电容C3的电容值为100pF，电容C4的电容值为22pF，电容C5的电容值为50pF，电容C6的电容值为47pF，三极管VT1为2N3906型三极管，三极管VT2为2N3904型三极管，三极管VT3为2N3907型三极管，三极管VT4为2N2219型三极管。

由于压力传感器13采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放A1、电容C1-C3、三极管VT1-VT4和电阻R1-R9对压力传感器13输出的电压V0进行放大处理，由集成运放A1、电容C1-C3、三极管VT1-VT4和电阻R1-R9构成的信号放大单元只有0.1μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内25nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R10-R14、电容C4-C6以及集成运放A2对经过放大后的电压信号进行低通滤波处理，从而提高了压力检测的精度。

具体地，中央处理装置9还包括一数据扩展端口，扩展端口用于根据用户需求增设监测传感器。

具体地，湿度传感器11为电容型相对湿度传感器，湿度传感器11的感湿部分使用的是聚合物薄膜。

具体地，3D打印机作业过程智能监测系统采用太阳能供电，3D打印机作业过程智能监测系统还包括一太阳能板、整流装置和蓄电池，太阳能板将光能转换为电能后，经过整流装置进行整流处理后将电能存储于蓄电池，蓄电池为3D打印机作业过程智能监测系统供电。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述3D打印机作业过程智能监测系统包括进料口（1）、输料管（2）、打印喷头（3）、滑杆（4）、打印平台（5）、储料容器（6）、左侧板（7）、右侧板（8）、中央处理装置（9）、温度传感器（10）、湿度传感器（11）、振动传感器、底板（12）、压力传感器（13）以及信号处理电路（14）；

其中，所述输料管（2）通过所述进料口（1）与所述储料容器（6）连接，所述储料容器（6）向所述打印喷头（3）输送3D打印原料，所述打印喷头（3）利用所述滑杆（4）根据工作人员向所述中央处理装置（9）中输入的三维模型进行移动作业，所述打印平台（5）位于所述打印喷头（3）下方，所述底板（12）设置于所述打印平台（5）下方，所述滑杆（4）的两端固定设置于所述左侧板（7）和所述右侧板（8）之间，所述温度传感器（10）设置于所述打印平台（5）上，所述温度传感器（10）用于采集所述生物3D打印机作业时的温度信号，所述湿度传感器（11）和所述振动传感器均设置于所述底板（12）上，所述湿度传感器（11）用于采集所述生物3D打印机作业时的湿度信号，所述振动传感器用于采集所述生物3D打印机作业时的振动信号，所述压力传感器（13）设置于所述进料口（1）内，所述压力传感器（13）用于采集输料管（2）向所述进料口（1）输送原料时的压力信号；

其中，所述温度传感器（10）通过AD转换电路与所述中央处理装置（9）连接，所述湿度传感器（11）通过AD转换电路与所述中央处理装置（9）连接，所述振动传感器通过AD转换电路与所述中央处理装置（9）连接，所述压力传感器（13）将采集的压力信号传输至所述信号处理电路（14），所述信号处理电路（14）通过AD转换电路与所述中央处理装置（9）连接，所述中央处理装置（9）将接收到的湿度信号、温度信号以及压力信号传输至显示装置进行显示。

2.根据权利要求1所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述温度传感器（10）为铂电阻温度传感器，通过铂电阻阻值的变化对温度进行监测，所述中央处理装置（9）对接收到的温度信号分析所述生物3D打印机作业时的温度变化，其中，通过下述公式对温度进行计算：

；

其中，R为铂电阻的实时阻值，R（0℃）为铂电阻在0℃时的电阻值，t为待测温度值，A=4.18×0.001，B=-9.41×0.00000001，C=1.33×0.000000001，D=-3.92×0.0000000001，E=8.72×0.00000000001。

3.根据权利要求1所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述湿度传感器（11）采集的湿度信号为x(n)，n为正整数，所述中央处理装置（9）对接收到的湿度信号通过下述公式对湿度进行零漂补偿：

；

；

其中，h(n)为零漂补偿函数，为零漂调节常数，补偿效果通过进行调节，y(n)为经过零漂补偿后的湿度信号。

4.根据权利要求1所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述压力传感器（13）将采集到的压力信号传输至所述信号处理电路（14），所述信号处理电路（14）对接收到的压力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至所述中央处理装置（9）。

5.根据权利要求4所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述压力传感器（13）设置于所述进料口（1）内，所述压力传感器（13）用于采集输料管（2）向所述进料口（1）输送原料时的压力信号，将采集的压力信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至所述信号处理电路（14），V1为经过所述信号处理电路（14）处理后的电压信号，所述信号处理电路（14）包括信号放大单元和信号滤波单元，所述压力传感器（13）的输出端与所述信号放大单元的输入端连接，所述信号放大单元的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接，所述信号滤波单元的输出端通过AD转换电路与所述中央处理装置（9）连接。

6.根据权利要求5所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述信号放大单元包括集成运放A1、电容C1-C3、三极管VT1-VT4和电阻R1-R9；

其中，所述压力传感器（13）的输出端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R4和电容C2并联后的一端与集成运放A1的反相输入端连接，电阻R2的一端与电容C1的一端连接，电阻R2的一端还与集成运放A1的输出端连接，电阻R2的另一端与三极管VT1的集电极连接，电阻R2的另一端还与三极管VT3的基极连接，电容C1的另一端与三极管VT3的集电极连接，电阻R5的一端与三极管VT1的基极连接，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端还与三极管VT3的发射极连接，电阻R6的另一端与+5V电源连接，三极管VT1的发射极也与+5V电源连接，电容C1的另一端还与三极管VT4的集电极连接，电阻R3的一端与集成运放A1的输出端连接，电阻R3的另一端与三极管VT2的集电极连接，电阻R3的另一端还与三极管VT4的基极连接，电阻R7的一端与三极管VT2的基极连接，电阻R7的另一端与三极管VT4的发射极连接，三极管VT2的发射极接地，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端与三极管VT4的发射极连接，电容C3的一端接地，电阻R9的一端与电容C3的另一端连接，电阻R9的另一端与三极管VT4的集电极连接，电阻R4和电容C2并联后的另一端与电阻R9的另一端连接，电阻R4和电容C2并联后的另一端还与所述信号滤波单元的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述信号滤波单元包括电阻R10-R14、电容C4-C6以及集成运放A2；

其中，所述信号放大单元的输出端与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A2的同相输入端连接，电容C5的一端也与集成运放A2的同相输入端连接，电容C5的另一端接地，电容C4的一端与电阻R11的一端连接，电容C4的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R13与电阻R14串联再与电容C6并联后的一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R13与电阻R14串联再与电容C6并联后的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R12的一端接地，电阻R12的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的输出端通过AD转换电路与所述中央处理装置（9）连接，集成运放A2将处理后的电压信号V1通过AD转换电路传输至所述中央处理装置（9）。

8.根据权利要求1所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述中央处理装置（9）还包括一数据扩展端口，所述扩展端口用于根据用户需求增设监测传感器。

9.根据权利要求1所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述湿度传感器（11）为电容型相对湿度传感器，所述湿度传感器（11）的感湿部分使用的是聚合物薄膜。

10.根据权利要求1所述的3D打印机作业过程智能监测系统，其特征在于，所述3D打印机作业过程智能监测系统采用太阳能供电，所述3D打印机作业过程智能监测系统还包括一太阳能板、整流装置和蓄电池，所述太阳能板将光能转换为电能后，经过所述整流装置进行整流处理后将电能存储于所述蓄电池，所述蓄电池为所述3D打印机作业过程智能监测系统供电。