CN113532261B - 一种应变监测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种应变监测系统与方法，该系统包括应变采集模块、温度采集模块、信号放大模块、数模转换模块和控制模块；应变采集模块包括应变传感器和应变采集电路，温度采集模块包含与应变采集模块数量相同的温度传感器；控制模块对应变数据和环境温度进行处理，根据电阻补偿表达式对应变传感器的阻值进行补偿，得到应变值；该系统还包括无线通讯模块、数据存储模块、电源管理模块和显示模块。电阻补偿公式计算得到应变传感器由于应变导致的真实电阻变化，以消除应变传感器的测量误差，得到待监测设备的实际应变值。应变传感器具有高灵敏度、高可拉伸性和自愈合性，对安装表面的平整度要求较低，在圆弧形表面以及弯脚连接处容易布设，适用范围更广。

Description

一种应变监测系统与方法

技术领域

本发明属于应变采集监测技术领域，具体涉及一种应变监测系统与方法。

背景技术

应变监测技术是通过实时采集结构件的应变数据来判断结构件本身的位移及形变变化。机械设备会因服役时间、自然或人为等破坏因素，导致其产生变形而失效，从而引发安全事故，因此应变监测是避免设备受到破坏导致失效的有效手段，也是设备维护的检查项目之一。目前，设备维护主要依靠人工定期进行安全检查，并不能实时监测应变。

现有的应变监测技术主要包括：(1)金属箔式应变传感器，如申请号为201811257966.8的中国专利公开了一种基于混合3D打印技术的金属箔式应变片设计与制造方法，此类金属箔式应变片安装时对于被监测结构表面的平整度要求较高，由于许多机械设备的结构复杂且表面凹凸不平，结构之间连接件较多，因此金属箔式应变片并不适用。(2)光纤应变传感器，如申请号为202110352692.6的中国专利公开了一种微应变光纤光栅传感器、应力测量系统及其工作方法，该传感器将光纤施加到钢结构上，与结构共形安装，当结构产生应变时，光纤一同被拉紧，通过光纤中光信号的光学性质，如光的强度、波长、频率等反映结构的应变变化。光纤应变传感器成本较高。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷包括：(1)金属箔式应变传感器在光滑平整表面适用性较强，对于结构以弧度和弯角为主，且表面粗糙的设备，使用金属箔式应变传感器监测难度较大。(2)光纤应变传感器的布设难度高，成本昂贵，且后期维护成本较大。(3)在实际使用过程中，应变传感器自身阻值以及设备结构热膨胀特性受环境温度影响较大，因此存在较大的测量误差。(4)由于应用场景的复杂性，应变应变器不仅需要具有超高的灵敏度，同时具有高度的可拉伸性。为了保证应变应变器的耐用性，同时要求应变传感器还应具有断裂后自愈合性能。(5)现有的应变监测数据缺少数据库，对于设备使用年限及安全性缺少大数据分析，对后续的产品优化设计缺少应用数据支撑。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种应变监测系统与方法。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：

一种应变监测系统，包括应变采集模块、温度采集模块、信号放大模块、数模转换模块和控制模块；应变采集模块包括应变传感器和应变采集电路，温度采集模块包含与应变采集模块数量相同的温度传感器；其特征在于，控制模块对应变数据和环境温度进行处理，根据电阻补偿表达式对应变传感器的阻值进行补偿，得到应变值；

电阻补偿表达式为：

ΔR₁＝ΔR₂-ΔR₃-ΔR₄ (1)

其中，ΔR₂为应变传感器测得的电阻变化量；ΔR₃为环境温度对应变传感器自身阻值的影响，

R₀为应变传感器在0℃下的初始电阻，

为应变传感器的温度系数，T为当前环境温度；ΔR₄为待监测设备由于热膨胀导致的应变传感器阻值变化量，ΔR₄＝κ·l₀·T·R₀·α₂，κ表示应变传感器的应变率，l₀为待监测点的原始长度，α₂为待监测设备粘贴应变传感器表面的热膨胀系数。

所述应变传感器的制备过程为：

步骤一、将机械剥离生产的石墨烯加入到去离子水中，在室温条件下进行机械搅拌，得到石墨烯混合液；石墨烯与去离子水的质量体积比为0.5∶100g/ml；将石墨烯混合液进行超声分散，得到石墨烯分散液；

步骤二、将盐酸多巴胺加入到碱性溶剂中进行磁力搅拌，得到聚多巴胺溶液；盐酸多巴胺与碱性溶剂的质量体积比为0.2∶100g/ml；

步骤三、将聚多巴胺溶液与石墨烯分散液按照体积比1∶1混合后进行磁力搅拌，再超声分散，得到聚多巴胺修饰石墨烯分散液；按照PDMS与固化剂为10∶1的比例调制PDMS混合液，将PDMS混合液与聚多巴胺修饰石墨烯分散液按质量百分比5wt％-15wt％进行混合，然后倒入模具中固化，得到复合薄膜；

步骤四、对复合薄膜进行裁剪，通过导电胶在裁剪后的复合薄膜的两端分别连接导线，封装得到应变传感器。

步骤一中，机械搅拌的转速3000r/min，搅拌时间为6h；超声分散的温度为10℃，时间为24h；步骤二中，磁力搅拌时间为30min；步骤三中，磁力搅拌时间为2h，超声分散时间为12h；固化的温度为80℃，固化时间为6h。

步骤二中，碱性溶剂为Tris-HCI缓冲液，pH＝8～9。

该系统还包括无线通讯模块、数据存储模块、电源管理模块和显示模块，无线通讯模块和电源管理模块集成在控制模块的电路板上；控制模块通过无线通讯模块将数据实时传输至通信基站，通信基站再将数据上传至云端服务器的数据存储模块，建立云端数据库；显示模块为独立的显示模块。

本发明还提供一种应变监测方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

S1、将应变传感器粘贴在待监测点，每个应变传感器接入各自的应变采集电路；每个应变传感器上均安装温度传感器；

S2、控制模块对应变数据和环境温度进行处理，并根据电阻补偿表达式对应变传感器的阻值进行补偿，得到应变值；若应变值超过设定的应变阈值，则控制模块的蜂鸣器发出报警信号；

S3、控制模块通过无线通讯模块将采集的应变数据和环境温度以及处理得到的应变值实时传输至通信基站，通信基站再将所有数据传输至云端服务器，建立云端数据库；

S4、用户通过移动设备从云端数据库随时查看，实时监测应变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.由于环境温度对应变传感器的测量精确度影响极大，包括环境温度对应变传感器自身阻值的影响以及待监测设备自身热膨胀对应变传感器阻值的影响，因此控制模块根据电阻补偿公式计算得到应变传感器由于应变导致的真实电阻变化，以消除应变传感器的测量误差，得到待监测设备的实际应变值。

2.本发明的应变传感器具有高灵敏度、高可拉伸性和自愈合性三大特点，可以检测微小应变，应变传感器的制作成本较低，布设容易，对安装表面的平整度要求较低，在圆弧形表面以及弯脚连接处容易布设，适用范围更广，例如适用于游乐设施、电梯、混凝土结构等。

3.该系统可以通过物联网技术将采集的数据以及处理后的数据传输至云端服务器，建立云端数据库，方便通过手机等设备实时查看监测数据，同时还方便进行大数据分析，为待监测设备的结构优化提供数据支撑。

附图说明

图1是本发明的系统各模块的连接图；

图2是本发明的应变传感器的安装示意图；

图中：1、应变采集模块；2、温度采集模块；3、信号放大模块；4、数模转换模块；5、控制模块；6、无线通信模块；7、数据存储模块；8、电源管理模块；9、显示模块。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。

本发明提供一种应变监测系统(简称系统)，包括应变采集模块1、温度采集模块2、信号放大模块3、数模转换模块4和控制模块5；

所述应变采集模块1为至少两个，每个应变采集模块1均包含应变传感器和应变采集电路，应变采集电路主体结构为全桥电路，全桥电路的一个桥臂安装应变传感器，其余桥臂均安装与应变传感器阻值相同的电阻；所有应变采集模块1的应变传感器呈一定夹角粘贴在待监测点，用于测量待监测点不同方向上的应变，应变采集模块1的数量可以根据实际监测要求设置，本实施例包含四个应变采集模块1，四个应变传感器相邻之间的夹角为45°；每个应变采集电路的输入端连接电源，输出端与各自的信号放大模块3的同向输入端和反向输入端连接，每个信号放大模块3的输出端与各自的数模转换模块4的输入端连接，每个数模转换模块4的输出端均与控制模块5连接；温度采集模块包含至少两个安装在待监测点的温度传感器，每个温度传感器对应一个应变传感器，用于测量应变传感器所处的环境温度；每个温度传感器测量的环境温度均传输至控制模块5，控制模块5对应变数据和环境温度进行处理，并以环境温度作为变量，根据电阻补偿表达式对应变传感器的阻值进行补偿，得到应变值，温度补偿是为了补偿环境温度变化和待监测设备热膨胀导致的应变传感器的阻值变化，以消除应变传感器的虚假测量值；若应变值超过设定的应变阈值，则控制模块5的蜂鸣器发出报警信号；其中，应变采集模块1和温度采集模块共同构成应变采集前端，待测量设备表面产生微小变形导致应变传感器自身阻值发生变化，使得全桥电路产生微弱差分电压，信号放大模块3将微弱差分电压信号进行放大，数模转换模块4将放大后的信号转换为控制模块5可识别的数字信号。

该系统还包括无线通讯模块6、数据存储模块7、电源管理模块8和显示模块9；无线通讯模块6和电源管理模块8集成在控制模块5的电路板上，以减小监测系统的体积；电源管理模块8为系统的独立供电，控制模块5通过无线通讯模块6将采集的应变数据和温度以及处理得到的应变值实时传输至通信基站，通信基站再将这些数据上传至云端服务器的数据存储模块7，建立云端数据库，方便后期通过大数据分析，对待监测设备的结构优化设计提供指导；显示模块9为独立的显示模块，用户可通过电脑、手机等移动设备通过从云端数据库下载数据的方式随时查看监测数据，确保待监测设备正常稳定运行。

所述电阻补偿表达式ΔR₁满足式(1)，为消除误差后应变传感器的真实电阻变化量；

ΔR₁＝ΔR₂-ΔR₃-ΔR₄ (1)

其中，ΔR₂为应变传感器测得的电阻变化量；ΔR₃为环境温度对应变传感器自身阻值的影响，

R₀为应变传感器在0℃下的初始电阻，

为应变传感器的温度系数，T为当前环境温度，由温度传感器测得；ΔR₄为待监测设备由于热膨胀导致的应变传感器阻值变化量，ΔR₄＝κ·l₀·T·R₀·α₂，κ表示应变传感器的应变率，l₀为待监测点的原始长度，α₂为待监测设备粘贴应变传感器表面的热膨胀系数。

上述应变传感器的制备过程为：

步骤一、将机械剥离生产的石墨烯(GR)加入到去离子水中，在室温条件下进行机械搅拌，得到石墨烯混合液；石墨烯与去离子水的质量体积比为0.5:100g/ml；机械搅拌的转速3000r/min，搅拌时间为6h；将石墨烯混合液进行超声分散，得到石墨烯分散液，并将石墨烯分散液转移至密封容器中备用；超声分散的温度为10℃，时间为24h；

步骤二、将盐酸多巴胺(DA)加入到碱性溶剂中进行磁力搅拌30min，将盐酸多巴胺预聚为聚多巴胺(PDA)，得到聚多巴胺溶液；盐酸多巴胺与碱性溶剂的质量体积比为0.2:100g/ml；碱性溶剂为Tris-HCI缓冲液(三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液)，pH＝8～9，优选pH＝8.5；

步骤三、将聚多巴胺溶液与石墨烯分散液按照体积比1:1进行混合，磁力搅拌2h，再超声分散12h，得到聚多巴胺修饰石墨烯(PDA@GR)分散液；按照聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂为10:1的比例调制PDMS混合液，将PDMS混合液与聚多巴胺修饰石墨烯分散液按质量百分比5wt％-15wt％进行混合，然后倒入模具中固化，得到复合薄膜；固化的温度为80℃，固化时间为6h；

步骤四、对复合薄膜进行裁剪，通过导电胶在裁剪后的复合薄膜的两端分别连接导线，封装得到应变传感器。

上述过程得到的应变传感器具有高灵敏度、可拉伸性和自愈合性良好的特点，对待测量设备表面的平整度要求较低，粘贴后的应变传感器不易脱落。

本发明还提供一种应变监测方法，包括以下内容：

S1、根据监测需要选择应变传感器的数量，将应变传感器粘贴在待监测点，每个应变传感器接入各自的应变采集电路；每个应变传感器上均安装温度传感器；

S2、控制模块对应变数据和环境温度进行处理，并根据电阻补偿表达式对应变传感器的阻值进行补偿，得到应变值；若应变值超过设定的应变阈值，则控制模块的蜂鸣器发出报警信号；

S3、控制模块通过无线通讯模块将采集的应变数据和环境温度以及处理得到的应变值实时传输至通信基站，通信基站再将所有数据传输至云端服务器，建立云端数据库；

S4、用户通过移动设备从云端数据库随时查看，实时监测应变。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种应变监测系统，包括应变采集模块、温度采集模块、信号放大模块、数模转换模块和控制模块；应变采集模块包括应变传感器和应变采集电路，温度采集模块包含与应变采集模块数量相同的温度传感器；其特征在于，控制模块对应变数据和环境温度进行处理，根据电阻补偿表达式对应变传感器的阻值进行补偿，得到应变值；

电阻补偿表达式为：

ΔR₁＝ΔR₂-ΔR₃-ΔR₄ (1)

其中，ΔR₂为应变传感器测得的电阻变化量；ΔR₃为环境温度对应变传感器自身阻值的影响，

R₀为应变传感器在0℃下的初始电阻，

为应变传感器的温度系数，T为当前环境温度；ΔR₄为待监测设备由于热膨胀导致的应变传感器阻值变化量，ΔR₄＝κ·l₀·T·R₀·α₂，κ表示应变传感器的应变率，l₀为待监测点的原始长度，α₂为待监测设备粘贴应变传感器表面的热膨胀系数；

所述应变传感器的制备过程为：

步骤一、将机械剥离生产的石墨烯加入到去离子水中，在室温条件下进行机械搅拌，得到石墨烯混合液；石墨烯与去离子水的质量体积比为0.5:100g/ml；将石墨烯混合液进行超声分散，得到石墨烯分散液；

步骤二、将盐酸多巴胺加入到碱性溶剂中进行磁力搅拌，得到聚多巴胺溶液；盐酸多巴胺与碱性溶剂的质量体积比为0.2:100g/ml；

步骤三、将聚多巴胺溶液与石墨烯分散液按照体积比1:1混合后进行磁力搅拌，再超声分散，得到聚多巴胺修饰石墨烯分散液；按照PDMS与固化剂为10:1的比例调制PDMS混合液，将PDMS混合液与聚多巴胺修饰石墨烯分散液按质量百分比5wt％-15wt％进行混合，然后倒入模具中固化，得到复合薄膜；

步骤四、对复合薄膜进行裁剪，通过导电胶在裁剪后的复合薄膜的两端分别连接导线，封装得到应变传感器。

2.根据权利要求1所述的应变监测系统，其特征在于，步骤一中，机械搅拌的转速3000r/min，搅拌时间为6h；超声分散的温度为10℃，时间为24h；步骤二中，磁力搅拌时间为30min；步骤三中，磁力搅拌时间为2h，超声分散时间为12h；固化的温度为80℃，固化时间为6h。

3.根据权利要求1所述的应变监测系统，其特征在于，步骤二中，碱性溶剂为Tris-HCI缓冲液，pH＝8～9。

4.根据权利要求1所述的应变监测系统，其特征在于，该系统还包括无线通讯模块、数据存储模块、电源管理模块和显示模块，无线通讯模块和电源管理模块集成在控制模块的电路板上；控制模块通过无线通讯模块将数据实时传输至通信基站，通信基站再将数据上传至云端服务器的数据存储模块，建立云端数据库；显示模块为独立的显示模块。

5.一种使用权利要求1～4任一所述的应变监测系统的应变监测方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

S1、将应变传感器粘贴在待监测点，每个应变传感器接入各自的应变采集电路；每个应变传感器上均安装温度传感器；

S2、控制模块对应变数据和环境温度进行处理，并根据电阻补偿表达式对应变传感器的阻值进行补偿，得到应变值；若应变值超过设定的应变阈值，则控制模块的蜂鸣器发出报警信号；

S3、控制模块通过无线通讯模块将采集的应变数据和环境温度以及处理得到的应变值实时传输至通信基站，通信基站再将所有数据传输至云端服务器，建立云端数据库；

S4、用户通过移动设备从云端数据库随时查看，实时监测应变。

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