CN113607299A - 一种压力容器的结构健康监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力容器的结构健康监测系统和方法，该系统包括：监测结构系统、信号采集处理系统和至少一个传感器系统，其中，所述传感器系统分别与所述监测结构系统和所述信号采集处理系统连接；所述监测结构系统用于构建被监测的压力容器；所述传感器系统用于对所述压力容器进行实时监测，并将监测数据发送给所述信号采集处理系统。本发明搭建了由承重结构、悬臂梁和定滑轮组成的压力容器对真实的压力容器进行模拟，以避免真实压力容器伴有的爆炸、泄露等风险，保障了实验人员的安全性，并通过多传感器测量和数据传输以方便后续数据融合与评估。

Description

一种压力容器的结构健康监测系统和方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，特别涉及一种压力容器的结构健康监测系统和方法。
背景技术
结构健康监测技术是将保证工程结构的运行安全作为基本目标，通过各种传感器的部署来监测结构的各种物理量从而对结构状态和性能进行评估的一种新兴的技术。结构健康监测的概念在上个世纪三十年代被提出，逐步在机械、土木、航空航天等领域拓展，目前已经普遍被认可为是提高工程结构的健康和安全以及实现工程结构的可持续管理和长寿命的最有效的途径之一。
全球领先的结构健康监测技术机构之一是位于新墨西哥州阿尔伯克基市的桑迪亚国家实验室，在结构监测技术中，他们目前主要使用5种传感器，分别为光纤、碳纳米管、声-超声、压电和真空比较监测，每种类型的传感器都可以根据其特有的监测方法来获取特定结构损伤的相关数据。光纤光栅传感器可以监测周围环境的温度和应变，其精度高，稳定性好，可以重复利用，但其配套设施如光纤光栅解调仪等成本较高。新型碳纳米传感技术可以在线监测气体、应变和温度，可以与复合材料进行一体化成型制备。超声无损监测技术主要运用在金属材料等质地均匀的材料的村上检测中，是这个领域中比较常用的监测技术。
压力容器自身内部环境不稳定，为保障设备安全性对其结构健康监测是必要的。并且压力容器的温度、压力和容器壁内的应变等参数相耦合，往往不能从单一传感器参数对该压力容器进行健康评估。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明公开提供了一种压力容器的结构健康监测系统和方法。
第一方面，本发明提供了一种压力容器的结构健康监测系统，该系统包括：监测结构系统、信号采集处理系统和至少一个传感器系统，其中，所述传感器系统分别与所述监测结构系统和所述信号采集处理系统连接；
所述监测结构系统用于构建被监测的监测结构；
所述传感器系统用于对所述监测结构进行实时监测，并将监测数据发送给所述信号采集处理系统。
可选地，所述监测结构系统包括承重结构、悬臂梁和定滑轮，所述承重结构构成监测结构的壳体，所述悬臂梁的一端固定在所述壳体的内壁，所述定滑轮固定在所述壳体顶部，所述悬臂梁的另一端与所述定滑轮之间通过绳索连接。
可选地，所述传感器系统包括温度传感器系统、压力传感器系统、应变传感器系统和加速度传感器系统，用于实时监测所述监测结构的温度、压力、应变和加速度。
可选地，所述温度传感器系统包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于测量标准温度，所述第二传感器用于测量对比温度，所述第一传感器包括PT100温度传感器，所述第二传感器包括FBG光学传感器。
可选地，所述PT100温度传感器包括PT100铂热电阻模块和以太网转换模块，所述PT100铂热电阻模块用于采集所述监测结构的环境温度，并将温度变化信息转换成电阻值的变化，所述以太网转换模块用于将变化的电阻值转换成数字量。
可选地，所述应变传感器系统包括第三传感器，所述第三传感器用于对悬臂梁的应变进行检测得到应变信息，所述第三传感器包括FBG光学传感器。
可选地，所述压力传感器系统用于测量大气压以及所述壳体内不同深度的压力。
可选地，所述压力传感器系统包括压力变送器模块和以太网转换模块，所述压力变送器模块用于采集所述监测结构内液压变化信息并转换成模拟的电流信号，所述以太网转换模块用于将所述模拟的电流信号换成TCP信号。
可选地，所述加速度传感器系统包括加速度计和信号转换模块，所述加速度计用于采集所述监测结构不同方向的加速度信息，所述信号转换模块用于将所述加速度信息转换为可进行网络传输的信号。
第二方面，本发明提供了一种压力容器的结构健康监测方法，该方法包括：
利用监测结构系统构建被监测的监测结构；
通过传感器系统对所述监测结构进行实时监测，并将监测数据发送给信号采集处理系统。
与现有技术相比，本发明至少存在以下有益效果：
本发明搭建了由承重结构、悬臂梁和定滑轮系统组成的监测结构系统，对监测结构进行了模拟，保障实验人员安全性。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明不同实施例提供的一种结构健康监测系统的结构框图；
图2是本发明不同实施例提供的一种监测结构系统3D内外部结构简图；
图3-4是本发明不同实施例提供的一种压力容器的结构健康监测系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种压力容器的结构健康监测系统，该系统包括：监测结构系统、信号采集处理系统和至少一个传感器系统，其中，所述传感器系统分别与所述监测结构系统和所述信号采集处理系统连接；
所述监测结构系统用于构建被监测的监测结构；
所述传感器系统用于对所述监测结构进行实时监测，并将监测数据发送给所述信号采集处理系统。
如图2所示，在本发明一个实施例中，所述监测结构系统包括承重结构1、悬臂梁2和定滑轮3，所述承重结构1构成监测结构的壳体，所述悬臂梁2的一端固定在所述壳体的内壁，所述定滑轮3固定在所述壳体顶部，所述悬臂梁的另一端与所述定滑轮之间通过绳索连接。
在该实施例中，监测结构系统由承重结构、悬臂梁和定滑轮组成，用来代替和模仿实际的监测结构，此处用于模仿压力容器。承重结构可以是个箱子，构成压力容器的壳体，悬臂梁固定在箱子内壁，箱子内会装入液体，用于模拟压力容器内部的液体环境，液体环境的温度和压力由传感器系统测量。悬臂梁用于模拟压力容器底部和内壁受到的应变情况，通过定滑轮改变力的方向，绳索的一端连接悬臂梁，另一端加砝码，可将砝码向下的重力转换为对悬臂梁向上的拉力使其产生变形，从而测量其应变。压力容器的振动是通过测量箱子的加速度来判定。为了方便测量箱子的移动，可以在箱子的底部安装万向轮。
如图3-4所示，在本发明一个实施例种，所述传感器系统包括温度传感器系统、压力传感器系统、应变传感器系统和加速度传感器系统，用于实时监测所述压力容器的温度、压力、应变和加速度。
在该实施例中，传感器系统包括温度传感器系统、压力传感器系统、应变传感器系统和加速度传感器系统，将各个传感器系统安装在压力容器上后，就可以实现对压力容器的温度、压力、应变和加速度的实时监测。传感器系统输出的温度、压力、应变和加速度信息都是TCP信号，这些信号通过以太网传输给信号采集处理系统。
在本发明的实施例中，由于监测的参数需要可溯源，所以系统的温度、压力和应变信息都由两种方法得到。对于系统的温度信息，采用PT100温度传感器和FBG传感器两种传感器获得，将PT100温度传感器作为标准传感器，用FBG传感器进行温度测量，之后再与PT100温度传感器测得的温度进行比对，得到可靠的温度信息。对于系统的应变信息，一方面采用等强度悬臂梁施加重力得到理论应变值，之后用FBG传感器对等强度悬臂梁的应变进行检测，两者对比后得到可靠的应变信息；对于系统的压力信息，一方面需要测量大气压，同时叠加不同深度液体所产生的压力得到压力理论值，另一方面压力传感器测得的压力进行比对，得到可靠的压力信息。
在该实施例中，PT100温度传感器是一款基于PT100热电阻和以太网转换模块构成的温度传感器。其中PT100热电阻可以采集压力容器的环境温度，并将温度变化信息转换成电阻值的变化，再利用以太网转换模块将变化的电阻值转换成数字量，最后测量的温度信息数据通过网络传输给信号采集处理系统。
压力传感器是基于压力变送器和以太网转换模块构成压力传感器系统，先利用压力变送器采集压力容器中液压变化信息并转换成模拟的电流信号，再利用以太网转换模块将模拟量转换成TCP信号，最后测量的压力信息数据通过网络传输给信号采集处理系统。
FBG传感器是基于带探头的光纤光栅和光纤光栅解调仪构成应变传感器系统，将FBG贴在测量点，FBG的各栅点波长偏移量与温度变化量应变量相关，再连接FBG解调仪收集波长偏移量并转换为TCP信号输出，波长偏移量数据通过网络传输给信号采集处理系统，最后根据公式计算出温度变化量和应变信息。
加速度传感器是加速度计和以太网转换模块构成的加速度传感器系统，先利用加速度计采集系统的相互垂直的三个方向的加速度信息并通过串口输出，再利用串口转以太网模块将信号转换成TCP信号，最后系统三维方向的加速度信息通过网络传输给信号采集处理系统。
在本发明的一个实施例中，信号采集处理系统通过TCP/IP通信协议可以实现同时与上述的多个以太网转换模块进行通讯和数据传输，实现系统温度、压力、应变和加速度数据的实时采集。
本发明搭建了由承重结构、悬臂梁和定滑轮组成压力容器对真实的压力容器进行模拟，以避免真实压力容器伴有的爆炸、泄露等风险，保障了实验人员的安全性，并通过多传感器测量和数据传输以方便后续数据融合与评估。
应当理解，本申请中描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被该机器执行时，该机器变成实践本发明的设备。
在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的该程序代码中的指令，执行本发明的各种方法。
以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员应当理解在本文所发明的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中发明的所有特征以及如此发明的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中发明的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的发明是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，该系统包括：监测结构系统、信号采集处理系统和至少一个传感器系统，其中，所述传感器系统分别与所述监测结构系统和所述信号采集处理系统连接；
所述监测结构系统用于构建被监测的监测结构；
所述传感器系统用于对所述监测结构进行实时监测，并将监测数据发送给所述信号采集处理系统。
2.根据权利要求1所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述监测结构系统包括承重结构、悬臂梁和定滑轮，所述承重结构构成监测结构的壳体，所述悬臂梁的一端固定在所述壳体的内壁，所述定滑轮固定在所述壳体顶部，所述悬臂梁的另一端与所述定滑轮之间通过绳索连接。
3.根据权利要求2所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述传感器系统包括温度传感器系统、压力传感器系统、应变传感器系统和加速度传感器系统，分别用于实时监测所述监测结构的温度、压力、应变和加速度。
4.根据权利要求3所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述温度传感器系统包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于测量标准温度，所述第二传感器用于测量对比温度，所述第一传感器包括PT100温度传感器，所述第二传感器包括FBG光学传感器。
5.根据权利要求4所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述PT100温度传感器包括PT100铂热电阻模块和以太网转换模块，所述PT100铂热电阻模块用于采集所述监测结构的环境温度，并将温度变化信息转换成电阻值的变化，所述以太网转换模块用于将变化的电阻值转换成数字量。
6.根据权利要求3所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述应变传感器系统包括第三传感器，所述第三传感器用于对悬臂梁的应变进行检测得到应变信息，所述第三传感器包括FBG光学传感器。
7.根据权利要求3所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述压力传感器系统用于测量大气压以及所述壳体内不同深度的压力。
8.根据权利要求7所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述压力传感器系统包括压力变送器模块和以太网转换模块，所述压力变送器模块用于采集所述监测结构内液压变化信息并转换成模拟的电流信号，所述以太网转换模块用于将所述模拟的电流信号换成TCP信号。
9.根据权利要求3所述压力容器的结构健康监测系统，其特征在于，所述加速度传感器系统包括加速度计和信号转换模块，所述加速度计用于采集所述监测结构不同方向的加速度信息，所述信号转换模块用于将所述加速度信息转换为可进行网络传输的信号。
10.一种压力容器的结构健康监测方法，其特征在于，该方法包括：
利用监测结构系统构建被监测的监测结构；
通过传感器系统对所述监测结构进行实时监测，并将监测数据发送给信号采集处理系统。
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