CN114754661A - 基于摩擦纳米发电机的智能裂缝监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种裂缝监测装置，属于工程质量检测领域。所述裂缝监测装置包括：壳体，用于固定到裂缝开裂扩展方向的一侧；滑动块，用于固定到裂缝开裂扩展方向的另一侧，且滑动块能够沿所述裂缝扩张或收缩方向在壳体上滑动；触发条；电极，用于产生摩擦电信号；以及集成电路，用于接收和处理所述摩擦电信号；其中，触发条置于壳体和滑动块之一者上，电极置于壳体和滑动块之另一者上；在滑动块在壳体上滑动时，触发条与电极相互摩擦；电极与集成电路电性连接。当裂缝扩张或收缩时，固定于裂缝两侧的壳体和滑动块产生相对位移，分别置于壳体和滑动块上的触发条和电极摩擦产生的电信号可被集成电路接收和处理，用于提醒运维人员及时检修。

Description

基于摩擦纳米发电机的智能裂缝监测装置

技术领域

本发明涉及工程质量检测领域，具体地涉及一种基于摩擦纳米发电机的智能裂缝监测装置。

背景技术

高速公路、大跨度桥梁、高架桥以及摩天大楼等基础设施由于荷载的作用和自然因素的影响，路面、衔接处、承重墙会逐渐有不同程度的损坏，基础设施的受损程度随时间的变化日益加剧，随时间的变化其承载能力下降，所以实时检测这些基础设施的损坏程度是十分必要的。裂缝是基础设施损坏最显著的标志，而实际使用中处于高危位置的裂缝的检测不易进行，且检测结果难以具备准确性及时效性。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种传感设备，该设备能够实时、准确地测量任何裂缝并及时提醒运维人员适时检修。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种裂缝监测装置，所述裂缝监测装置包括：

壳体，用于固定到所述裂缝开裂扩展方向的一侧；

滑动块，用于固定到所述裂缝开裂扩展方向的另一侧，且所述滑动块能够沿所述裂缝扩张或收缩方向在所述壳体上滑动；

触发条；电极，用于产生摩擦电信号；

集成电路，用于接收和处理所述摩擦电信号；

其中，所述触发条置于所述壳体和所述滑动块之一者上，所述电极置于所述壳体和所述滑动块之另一者上；

在所述滑动块在所述壳体上滑动时，所述触发条与所述电极相互摩擦；

所述电极与所述集成电路电性连接。

可选的，所述壳体为硬质基底材料，其材质为亚克力、PCB中的一者或多者。

可选的，所述滑动块为硬质基底材料，其材质为亚克力、PCB中的一者或多者。

可选的，所述触发条为高分子膜，其材质为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯中的一者或多者。

可选的，所述电极为导电金属膜，其材质为铜或者铝。

优选的，所述电极为栅状电极。

进一步的，所述栅状电极的栅格带宽范围在0.4mm-0.6mm之间，间隔1mm。

优选的，所述栅状电极的栅格数量与所述裂缝的检测范围正相关。

优选的，所述集成电路包括：信号采集器、预警程序、信号发射器；其中，所述信号采集器用于接收并输出所述摩擦电信号；所述预警程序接收所述摩擦电信号并进行计算，当所述摩擦电信号超出预设阈值时，触发所述信号发射器向所述接收端发送裂缝状态信息。

优选的，所述信号发射器通过无线通信和/或卫星向所述接收端发送所述裂缝状态信息。

通过上述技术方案，当裂缝扩张或收缩时，固定于裂缝两侧的壳体和滑动块产生相对位移，分别置于壳体和滑动块上的触发条和电极摩擦产生的电信号可被集成电路接收和处理，用于提醒运维人员及时检修。特别是，当电极优选的采用铜栅格设计时，每当固定于裂缝两侧的壳体和滑动块产生相对位移达到一个栅格带宽，所述摩擦电信号就会产生一个完整的波形，通过波形的数量即可直观反应裂缝扩展或收缩的宽度。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，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实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例的裂缝监测装置的外观框线图；

图2是本发明一实施例的裂缝监测装置的主视图；

图3是本发明一实施例的裂缝监测装置的侧视剖面图；

图4是本发明另一实施例的裂缝监测装置的装配示意图；

图5是本发明另一实施例裂缝扩张时的电信号波形图；以及

图6是本发明再一实施例的数据流程图。

附图标记说明

11—滑动块；

12—壳体；

13—触发条；

14—电极；

15—集成电路；以及

101、102—固定安装孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明旨在提供一种基于摩擦纳米发电机的智能裂缝监测装置，能够根据不同位置的不同大小的裂缝通过合适的选型与安装以达到测量的普适性与合理性，从根本上避免高危位置的裂缝无法实时测量和测不准的问题。

本发明的一个实施例的智能裂缝监测装置，其外观框线图如图1所示，其中：滑动块11在实施中应通过固定安装孔101固定到所述裂缝开裂扩展方向的一侧，壳体12应通过固定安装孔102固定到所述裂缝开裂扩展方向的另一侧，当所述裂缝扩张或收缩时所述滑动块能够沿所述裂缝扩张或收缩方向在所述壳体上滑动。

该实施例的主视图如图2所示，其侧视剖面图如图3所示。触发条13应置于所述壳体12和所述滑动块11之一者上，电极14应置于所述壳体和所述滑动块之另一者上，且所述触发条13与所述电极14在所述滑动块在所述壳体上滑动时，所述触发条与所述电极相互摩擦；集成电路15与所述电极14电性连接。

在本实施例中，触发条13固定于壳体12上，电极14固定于滑动块11上，且当滑动块11滑动到最大化覆盖壳体12时触发条13应位于电极14最内侧边缘处，当滑动块11滑动到最小化覆盖壳体12时触发条13应位于电极14最外侧边缘处。当该智能裂缝监测装置被固定到裂缝位置处开始监测时，滑动块11应初始设置于最大化覆盖壳体12的位置，当裂缝扩张时滑动块和壳体被裂缝两侧带动产生相对位移，触发条13跟随壳体12向相对于电极14外侧滑动。

可以理解的是，以上固定方式用于监测裂缝扩张的情况，若需要监测裂缝的收缩或监测裂缝的收缩和/或扩张时，应根据裂缝宽度变化的方向调整滑动块11与壳体12的初始设置位置。

该实施例中滑动块11、壳体12、触发条13与电极14组成(在本装置中可将这个组合视作监测模块)一个单电极结构的摩擦纳米发电机，其中滑动块11和壳体12相当于基底层，触发条13相当于摩擦层，电极14相当于电极层。当滑动块11在壳体12上滑动时，触发条13与电极14随之发生相对位移，由于接触引发表面带电效应，表面电荷将在触发条13和电极14之间转移产生电势差，由于触发条13材料本身具有很好的绝缘性，当其与电极14相接触，在电势差的作用下，电子从电极14材料中迁移，从而形成电信号的输出。

集成电路15接收电极14输出的电信号并进行分析，根据分析结果启动预警程序，并发送预警信息给接收端，提醒运维人员及时检修。

在本实施例中，滑动块11和壳体12为pcb材质，触发条13为聚酰亚胺材质，电极14为铜栅格，集成电路15包含电池、信号采集模块、预警程序、信号发射器。为保证信号稳定铜栅格的带宽范围在0.4-0.6mm之间，间隔1mm，并通过导线与集成电路15连接，滑动块11为铜栅格的载体，栅格的数量与监测范围正相关。

该实施例的智能裂缝监测装置采用摩擦纳米发电机作为裂缝监测的传感器件收集位移产生的能量，并将该能量转化为电信号传输出；通过极短的栅格宽度与间距可以实现裂缝的准确测量，具有很好的准确性；通过采用单电极式摩擦纳米发电机，使得智能裂缝监测装置整体结构简单，成本低廉，制作工艺简便，能很好的完成裂缝监测的运动区间、实时监测和及时预警。

相较于现有的裂缝监测手段，本发明的智能裂缝监测装置能准确的实时监测裂缝的状态，且操作简便、成本低廉、制作工艺简单，在提高监测与预警功能的同时，可以与程序结合，减少公共安全事故的发生。

由于摩擦纳米发电机的工作原理，不同的基底材料、摩擦材料和电极材料在应用上并没有本质的区别，因此上述各部件的材质还可以有以下选择：相当于基底层的滑动块11和壳体12应选择硬质基底材料，可采用亚克力或pcb板等；相当于电极层的电极14应为固态导电材料，优选为导电金属膜，可采用铜或者铝材质；相当于摩擦层的触发条13应为高分子膜，可采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯等材质。在触发条13和电极14之间发生相对位移的过程中，电极14通过负载接地将在其间产生电流。

本申请中所述各部件的材料也可用其他同种作用类似的材料替换，只要能够具有同样的效果，都应在本申请保护范围之内。

不同长宽的裂缝可通过改变裂缝监测装置的设计参数来调节，理论上，裂缝监测装置安装可以满足任何桥梁与墙体裂缝的检测要求。

在本申请的另一实施例中，裂缝监测装置的制备步骤为：

S1：根据待检测裂缝的长宽在滑动块11的基材上开设一定深度的凹槽，深度以刚好嵌入电极14为准；

S2：将经过磁控溅射成的栅状电极14放置于凹槽处，并做外接线处理；

S3：壳体12边缘开设滑动槽，使得滑动块11可以沿滑动槽在壳体12上平稳滑动；

S4：在壳体12上，对应于栅状电极14在滑动块11最大化覆盖壳体12的位置的边缘上方固定安装触发条13，触发条13的长度不超过栅状电极14的宽度；

S5：在滑动块11上开设用于刚好嵌入集成电路15凹槽；

S6：装配。可参考图4所示的另一实施例的裂缝监测装置的装配示意图，将栅状电极14固定于滑动块11凹槽，将集成电路15固定于滑动块11上另一凹槽，并保证滑动块11外观平整均一；再将集成电路15与栅状电极14通过导线连接，最后将滑动块11沿滑动槽安装到已固定好触发条13的壳体12上。其中滑动块11沿滑动槽到最大化覆盖壳体12位置时，触发条13与栅状电极14的上下相对位置关系如图4所示。

本实施例中，栅状电极14的栅格带宽为0.5mm间隔也是0.5mm，栅状电极14的总长度为10cm，以满足实际的监测需要。可以理解的是，较窄的带宽与间隔可以提高监测的精准度，栅状电极14的宽度取决于裂缝开裂和欲检测范围的宽度。

裂缝监测装置的基本工作原理是摩擦纳米发电机的接触起电和静电感应的耦合。触发条13与栅状电极14发生相对位移时，由于接触引发表面带电效应，表面电荷将在摩擦层和电极材料之间转移产生电势差，由于摩擦层材料本身具有很好的绝缘性，当其与电极材料相接触，在电势差的作用下，电子从栅状电极14中迁移，从而形成电信号的输出。当栅状电极14与触发条13接触面积变化时，栅状电极14与触发条13之间的电势差发生，该电势差的起伏变化作为信号可以反应裂缝宽度的变化。因此，可以通过这个电信号的变化来判断裂缝是否发生了扩张，以及对扩张进行定量分析。当电信号的起伏完成一个波形后可以认为正好裂缝扩张使得触发条13扫过栅状电极14的一个带宽和一个间隔，对于本实施例刚好为1毫米，电信号产生了几个波形就代表裂缝扩张了几个毫米。在本实施例中，裂缝扩张时其电信号波形图如图5所示，可以得出本实施例的裂缝监测装置在裂缝平均每秒扩张5毫米的情况下，大约每0.2秒输出1个完整波形。可以理解的是，实际使用中每个波形并非完美相同或符合某种数学规律，而是随着裂缝扩张的瞬时速度和/或加速度的变化，信号波动的峰值、谷值和周期都会随之变化。

此外，如果电极14并非栅状电极，应根据其输出的电信号变化规律另外设置算法计算裂缝对应的扩张距离，此处不再穷举其对应关系和相应计算方法。

本发明再一实施例的裂缝监测装置数据流程如图6所示。当裂缝发生位移时，监测模块21(对应于图2中的滑动块11、壳体12、触发条13与电极14)生成电信号，集成电路15的信号采集模块22采集该电信号并传输给预警程序23进行计算，当计算结果表明裂缝扩张超出设定范围时，预警程序23向信号发射器24发送指令，信号发射器24通过卫星25和/或无线通信25’向接收端26发送裂缝状态信息。同时采取无线通信25’与卫星25两种手段发送可以确保接收到信息并及时反馈处理，能有效阻止事故发生。

该实施例中，集成电路15包含电池、信号采集模块22、预警程序23、信号发射器24。当裂缝宽度增加时，预警程序23根据接收到的电信号对裂缝宽度的增加量进行定量化分析，若超过设定的阈值，预警程序23将控制信号发射器24实时发送预警信息提醒运维人员及时处理以保证被监测设施/设备的安全。

本申请的智能裂缝监测装置具有十分广泛的应用范围，如高速公路、大跨度桥梁、承重墙等各种产生裂缝的场景，甚至于山体边坡、地缝等场景，只要是需要监测的裂缝都可以使用本申请的智能裂缝监测装置。

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。

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 (10)

1.一种裂缝监测装置，其特征在于，包括：

壳体，用于固定到所述裂缝开裂扩展方向的一侧；

滑动块，用于固定到所述裂缝开裂扩展方向的另一侧，且所述滑动块能够沿所述裂缝扩张或收缩方向在所述壳体上滑动；

触发条；

电极，用于产生摩擦电信号；以及

集成电路，用于接收和处理所述摩擦电信号；

其中，

所述触发条置于所述壳体和所述滑动块之一者上，所述电极置于所述壳体和所述滑动块之另一者上；

在所述滑动块在所述壳体上滑动时，所述触发条与所述电极相互摩擦；

所述电极与所述集成电路电性连接。

2.根据权利要求1所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述壳体为硬质基底材料，其材质为亚克力、PCB中的一者或多者。

3.根据权利要求1所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述滑动块为硬质基底材料，其材质为亚克力、PCB中的一者或多者。

4.根据权利要求1所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述触发条为高分子膜，其材质为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯中的一者或多者。

5.根据权利要求1所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述电极为导电金属膜，其材质为铜或者铝。

6.根据权利要求5所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述电极为栅状电极。

7.根据权利要求6所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述栅状电极的栅格带宽范围在0.4mm-0.6mm之间，间隔1mm。

8.根据权利要求6所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述栅状电极的栅格数量与所述裂缝的检测范围正相关。

9.根据权利要求1所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述集成电路包括：信号采集器、预警程序、信号发射器；其中，

所述信号采集器用于接收并输出所述摩擦电信号；

所述预警程序接收所述摩擦电信号并进行计算，当所述摩擦电信号超出预设阈值时，触发所述信号发射器向所述接收端发送裂缝状态信息。

10.根据权利要求9所述的裂缝监测装置，其特征在于，所述信号发射器通过无线通信和/或卫星向所述接收端发送所述裂缝状态信息。

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