CN115096251B - 面向结构健康监测的蒙皮监测系统及监测方法 - Google Patents

面向结构健康监测的蒙皮监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了面向结构健康监测的蒙皮监测系统，包括柔性智能蒙皮、选通电路、STM32主控制器；柔性智能蒙皮包括柔性基底，柔性基底上密封封装呈阵列化的惯性倾角敏感单元，相邻两个惯性倾角敏感单元之间通过联通导线连接，每个惯性倾角敏感单元均连接同一个级联单元、信号输出单元，信号输出单元连接STM32主控制器；选通电路连接级联单元，用于对惯性倾角敏感单元扫描选通，控制惯性倾角敏感单元进行分时有序采样；STM32主控制器，通过IIC通信接口向选通电路发送控制信号，本发明面向结构健康监测的蒙皮监测系统及监测方法能够实现对中尺度构件“弯曲、扭转、倾斜等多种失效状态”的监测和重构。

Description

面向结构健康监测的蒙皮监测系统及监测方法
技术领域
本发明属于形变测量技术领域，具体涉及面向结构健康监测的蒙皮监测系统，还涉及曲面结构健康监测方法。
背景技术
结构健康监测被普遍认为是提高工程结构健康与安全、实现结构长寿命和可持续管理的最有效途径之一。变形和缺陷等失效损伤是影响构件服役寿命和功能的关键要素，探索面向中尺度构件失效损伤的原位、共形监测方法，是形变测量技术领域面临的主要挑战之一。
中尺度构件的主要特点是“结构尺寸大”与“失效损伤种类繁多”。典型的中尺度构件关键尺寸均至少在“米级”水平，有形状相对简单的，如平板和立方体结构，也有形状相对复杂的，如包含曲面的圆柱结构或异形曲面结构。因此，针对曲面结构构件，如何实现对其弯曲、扭转、倾斜等全局失效状态的监测，实现对被测构件的“监测系统全覆盖便捷部署”，是这类传感测量方法亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供面向结构健康监测的蒙皮监测系统，能够实现对中尺度构件“弯曲、扭转、倾斜等多种失效状态”的监测。
本发明的另一目的是提供曲面结构健康监测方法，能够实现对中尺度结构“弯曲、扭转、倾斜等多种失效状态”的重构。
本发明所采用的技术方案是，面向结构健康监测的蒙皮监测系统，包括柔性智能蒙皮、选通电路、STM32主控制器；
柔性智能蒙皮包括柔性基底，柔性基底上密封封装呈阵列化的惯性倾角敏感单元，相邻两个惯性倾角敏感单元之间通过联通导线连接，每个惯性倾角敏感单元均连接同一个级联单元、信号输出单元，信号输出单元连接 STM32主控制器。
选通电路连接级联单元，用于对惯性倾角敏感单元扫描选通，控制惯性倾角敏感单元进行分时有序采样。
STM32主控制器，通过IIC通信接口向选通电路发送控制信号。
STM32主控制器还连接数据处理显示终端。
本发明的特点还在于：
柔性基底是软质基底，制造材料是聚二甲基硅氧烷。
柔性基底上通过GD414弹性密封剂封装多个惯性倾角敏感单元，使多个惯性倾角敏感单元呈阵列化排列。
联通导线为柔性印刷电路。
本发明所采用的另一种技术方案是，曲面结构健康监测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将被监测曲面结构与柔性智能蒙皮紧紧贴合，通过STM32主控制器向选通电路发送控制信号；选通电路接收到控制信号后，先控制行选通电路进行行选通，待行选通结束时，再控制列选通电路进行列选通，从而控制惯性倾角敏感单元阵列化采集曲面的形变数据；惯性倾角敏感单元通过联通导线上传测量的带有自身ID信息的形变数据到信号输出单元；信号输出单元将接收到的数据传输至STM32主控制器，将多个带有自身ID信息的形变数据作为惯性倾角形成惯性倾角解集；
步骤2、利用惯性倾角解集进行带可调参数的高次插值样条方法拟合得到多条曲线，由多条曲线形成反演曲面；
步骤3、根据步骤1和步骤2获得被监测对象反演曲面，根据该反演曲面构建被监测对象的三维形貌，将该三维形貌与被监测对象的原始三维形貌进行对比，推断被监测对象的结构状态及状态变化。
STM32主控制器还连接数据处理显示终端，STM32主控制器将接收到的数据传输至数据处理显示终端进行显示处理。
步骤2中具体过程为：
步骤2.1、将待拟合曲线分为n个测量单元，记录测量单元的坐标为{xi}，惯性倾角敏感单元对应的倾角{θi}，定义正切值{mi}，惯性倾角敏感单元对应坐标挠度值{fi}，及惯性倾角敏感单元之间的距离{hi}；
步骤2.2、构造带有可调参数{ki}的有理样条
Figure SMS_1
表达式/>
Figure SMS_2
与倾角正切序列{mi}，挠度序列{fi}，以及{hi}有关；
Figure SMS_3
Figure SMS_4
步骤2.3、利用
Figure SMS_5
二阶可导的性构造关于{fi-1,fi,fi+1}的方程αifi-1+βifi+γifi+1＝δi，重复步骤2.3，直至遍历所有区间构造出{f0-fn}；其中：
Figure SMS_6
Figure SMS_7
Figure SMS_8
Figure SMS_9
/>
步骤2.4、补充边界条件
Figure SMS_10
构造方程组矩阵形式AF＝△，求解个节点的挠度值{fi}i＝0,1,2,…n；
Figure SMS_11
根据得到的挠度值fi，带入公式(1)计算每一段的插值样条函数
Figure SMS_12
完成整个二维曲线的拟合；
步骤2.5、对于惯性倾角敏感单元之间的相对扭转角均呈线性变化，两个惯性倾角敏感单元之间任意截面的相对扭转角由下式计算:
Figure SMS_13
式中，i＝0,1,...,n，[xi,xi+1]为插值区间，
Figure SMS_14
分别为分段点xi和xi+1处的扭转角可利用惯性倾角敏感单元获得，利用坐标转换方法，获得曲线上任意一点弯扭组合变形后三维空间坐标；
Figure SMS_15
步骤2.6、类似的在一个平面内利用阵列化的惯性倾角敏感单元采集的角度信息，获得多条拟合曲线。
本发明有益效果是：
本发明面向结构健康监测的蒙皮监测系统，是在柔性基底中引入阵列化惯性倾角敏感单元、联通导线、信号输出单元和级联单元，贴合曲面结构表面，通过选通电路进行惯性倾角敏感单元阵列的扫描选通，使之实时反馈多位置的惯性倾角。STM32主控器通过发送行列选通信号对阵列化惯性倾角敏感单元进行分时有序采样，最后通过数据通信接口传送数据到数据处理显示终端。利用采集的惯性倾角解集及其位置关系，反演构件三维样貌，实现对构件弯曲、扭转和倾斜等多种失效状态的实时监测。
附图说明
图1是本发明面向结构健康监测的蒙皮监测系统结构示意图；
图2是本发明曲面结构健康监测方法流程图；
图3是本发明中反演状态示意图。
图中，1.柔性智能蒙皮，101.柔性基底，102.惯性倾角敏感单元，103. 联通导线，104.信号输出单元，105.级联单元，2.选通电路，3.STM32主控制器，4.数据处理显示终端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明面向结构健康监测的蒙皮监测系统，如图1所示，包括柔性智能蒙皮1、选通电路2、STM32主控制器3；
柔性智能蒙皮1包括柔性基底101，柔性基底101上密封封装呈阵列化的惯性倾角敏感单元102，相邻两个惯性倾角敏感单元102之间通过联通导线103连接，每个惯性倾角敏感单元102均连接同一个级联单元105、信号输出单元104，信号输出单元104连接STM32主控制器3；级联单元105能够将多个柔性智能蒙皮1通过柔性导线连接形成一个较大的蒙皮结构。惯性倾角敏感单元102即为倾角传感器。选通电路2连接级联单元105，用于对惯性倾角敏感单元102扫描选通，控制惯性倾角敏感单元102进行分时有序采样；每一个惯性倾角敏感单元102均可以贴合曲面结构表面，通过选通电路2进行惯性倾角敏感单元102阵列的扫描选通，测量贴附点位置的三轴姿态惯性倾角，使之实时反馈多位置的惯性倾角。
STM32主控制器3，通过IIC通信接口向选通电路2发送控制信号， STM32主控制器3还连接数据处理显示终端4，STM32主控制器3通过发送行列选通信号对阵列化惯性倾角敏感单元102进行分时有序采样，最后通过数据通信接口传送数据到数据处理显示终端4，对取得的数据文件进行数据解码，分离出每一被测量的测量结果，利用带可调参数的高次插值拟合方法，将各测量结果按照其物理属性还原成构件三维轮廓图像，最后形成特定的数据文件保存并输出，从而实现对构件弯曲、扭转和倾斜等多种失效状态的实时监测。
柔性基底101是软质基底，由于聚二甲基硅氧烷具有方便易得、化学性质稳定、透明、热稳定性好、低杨氏模量、触感接近皮肤和电子材料粘结性好等优点，则制造材料是聚二甲基硅氧烷。
柔性基底101上通过GD414弹性密封剂封装多个惯性倾角敏感单元102，使多个惯性倾角敏感单元102呈阵列化排列，横向和竖向的多个惯性倾角敏感单元102之间的距离相等，从而实现多点多路分布式测量系统，快速感知柔性蒙皮变形产生的应变和位移等物理量信息，从而实现对结构健康的实时监测。
联通导线103为柔性印刷电路，采用柔性印刷电路代替传统的信号引线，将联通导线103集成在柔性智能蒙皮中，使得各个传感元件及其电路达到更好的装连一致性。
在本发明中每块柔性智能蒙皮1都作为一个独立的模块，级联单元105 用于供电和信号的有线传输，多块柔性智能蒙皮1通过嵌合与级联能够形成不同尺寸大小的大型柔性智能蒙皮，用于对不同面积大小的结构进行监测。
如图2所示，曲面结构健康监测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将被监测曲面结构与柔性智能蒙皮1紧紧贴合，通过STM32 主控制器3向选通电路2发送控制信号；选通电路2接收到控制信号后，先控制行选通电路进行行选通，待行选通结束时，再控制列选通电路进行列选通，从而控制惯性倾角敏感单元102阵列化采集曲面的形变数据；惯性倾角敏感单元102通过联通导线103上传测量的带有自身ID信息的形变数据到信号输出单元104；信号输出单元104将接收到的数据传输至STM32主控制器3，STM32主控制器3还连接数据处理显示终端4，STM32主控制器3 将接收到的数据传输至数据处理显示终端4进行显示处理，将数据处理显示终端4上显示的多个带有自身ID信息的形变数据作为惯性倾角形成惯性倾角解集；
步骤2、利用惯性倾角解集进行带可调参数的高次插值样条方法拟合得到多条曲线，由多条曲线形成反演曲面；具体过程为：
步骤2.1、将待拟合曲线分为n个测量单元，记录测量单元的坐标为{xi}，惯性倾角敏感单元102对应的倾角{θi}，定义正切值{mi}，惯性倾角敏感单元102对应坐标挠度值{fi}，及惯性倾角敏感单元102之间的距离{hi}；
步骤2.2、构造带有可调参数{ki}的有理样条
Figure SMS_16
表达式/>
Figure SMS_17
与倾角正切序列{mi}，挠度序列{fi}，以及{hi}有关；
Figure SMS_18
Figure SMS_19
步骤2.3、利用
Figure SMS_20
二阶可导的性构造关于{fi-1,fi,fi+1}的方程αifi-1+βifi+γifi+1＝δi，重复步骤2.3，直至遍历所有区间构造出{f0-fn}；其中：
Figure SMS_21
Figure SMS_22
Figure SMS_23
Figure SMS_24
步骤2.4、补充边界条件
Figure SMS_25
构造方程组矩阵形式AF＝△，求解个节点的挠度值{fi}i＝0,1,2,…n；
Figure SMS_26
根据得到的挠度值fi，带入公式1计算每一段的插值样条函数
Figure SMS_27
完成整个二维曲线的拟合；/>
步骤2.5、对于惯性倾角敏感单元102之间的相对扭转角均呈线性变化，两个惯性倾角敏感单元102之间任意截面的相对扭转角由下式计算：
Figure SMS_28
式中，i＝0,1,...,n，[xi,xi+1]为插值区间，
Figure SMS_29
分别为分段点xi和xi+1处的扭转角可利用惯性倾角敏感单元获得，利用坐标转换方法，获得曲线上任意一点弯扭组合变形后三维空间坐标；
Figure SMS_30
步骤2.6、类似的在一个平面内利用阵列化的惯性倾角敏感单元102采集的角度信息，获得多条拟合曲线，由多条曲线形成反演曲面。
柔性智能蒙皮1与被监测曲面结构属于紧密贴合，因此柔性智能蒙皮1 的反演曲面即为被监测曲面结构的反演曲面。
步骤3、根据步骤1和步骤2获得被监测对象(被监测曲面结构)反演曲面，根据该反演曲面构建被监测对象的三维形貌，将该三维形貌与被监测对象的原始三维形貌进行对比，推断被监测对象的结构状态及状态变化。
如图3所示，假设传感阵列如图所示布置，对于构件弯曲、倾斜，可直接利用S11,S21,S31在X-Y平面内俯仰角和他们的位置坐标进行计算，当俯仰角不为0，通过上述样条插值拟合研究方法，沿轴向生成拟合曲线，判断构件整体弯曲、倾斜状态。对于构件的扭转，在Y-Z平面内，利用S11,S21,S31的滚转角及惯性倾角敏感单元的位置坐标，插值得到任意截面的相对扭转角度，以此判断构件扭转状态。对于构件曲面状态反演，根据俯仰角矩阵及其位置矩阵，通过上述插值关系可以得到轴向6条插值曲线，结合各点位置的扭转角度，可以得到曲线上任意一点弯扭组合变形后的坐标，以此进行曲面拟合，反演构件三维状态。
本发明面向结构健康监测的蒙皮监测系统，在实现大规模惯性倾角敏感单元阵列的传感采样的同时保证复杂曲面的反演精度，通过带可调参数的高次插值样条方法，在惯性倾角敏感单元数量得到保证的情况下，误差低于5％。考虑其贴敷性和拓展性，采用柔性基底，并配有级联单元，实现全覆盖高精度结构状态检测。
通过上述方式，本发明面向结构健康监测的蒙皮监测系统，主要包括柔性智能蒙皮、选通电路、STM32主控制器、数据处理显示终端。柔性智能蒙皮包括柔性基底、阵列化惯性倾角敏感单元、联通导线、信号输出单元、级联单元，是在柔性基底中引入阵列化惯性倾角敏感单元、联通导线、信号输出单元和级联单元，贴合曲面结构表面，通过选通电路进行惯性倾角敏感单元阵列的扫描选通，使之实时反馈多位置的惯性倾角。STM32主控器通过发送行列选通信号对阵列化惯性倾角敏感单元进行分时有序采样，最后通过数据通信接口传送数据到数据处理显示终端。利用采集的惯性倾角解集及其位置关系，反演构件三维样貌，实现对构件弯曲、扭转和倾斜等多种失效状态的实时监测。

Claims (1)

1.曲面结构健康监测方法，使用面向结构健康监测的蒙皮监测系统，包括柔性智能蒙皮(1)、选通电路(2)、STM32主控制器(3)；
所述柔性智能蒙皮(1)包括柔性基底(101)，所述柔性基底(101)上密封封装呈阵列化的惯性倾角敏感单元(102)，相邻两个所述惯性倾角敏感单元(102)之间通过联通导线(103)连接，每个惯性倾角敏感单元(102)均连接同一个级联单元(105)、信号输出单元(104)，所述信号输出单元(104)连接STM32主控制器(3)；
所述选通电路(2)连接级联单元(105)，用于对惯性倾角敏感单元(102)扫描选通，控制惯性倾角敏感单元(102)进行分时有序采样；
所述STM32主控制器(3)，通过IIC通信接口向选通电路(2)发送控制信号；
所述STM32主控制器(3)还连接数据处理显示终端(4)，所述STM32主控制器(3)将接收到的数据传输至数据处理显示终端(4)进行显示处理；
其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将被监测曲面结构与柔性智能蒙皮(1)紧紧贴合，通过STM32主控制器(3)向选通电路(2)发送控制信号；选通电路(2)接收到控制信号后，先控制行选通电路进行行选通，待行选通结束时，再控制列选通电路进行列选通，从而控制惯性倾角敏感单元(102)阵列化采集曲面的形变数据；惯性倾角敏感单元(102)通过联通导线(103)上传测量的带有自身ID信息的形变数据到信号输出单元(104)；信号输出单元(104)将接收到的数据传输至STM32主控制器(3)，将多个带有自身ID信息的形变数据作为惯性倾角形成惯性倾角解集；
步骤2、利用惯性倾角解集进行带可调参数的高次插值样条方法拟合得到多条曲线，由多条曲线形成反演曲面；具体过程为：
步骤2.1、将待拟合曲线分为n个测量单元，记录测量单元的坐标为{xi}，惯性倾角敏感单元(102)对应的倾角{θi}，定义正切值{mi}，惯性倾角敏感单元(102)对应坐标挠度值{fi}，及惯性倾角敏感单元(102)之间的距离{hi}；
步骤2.2、构造带有可调参数{ki}的有理样条
Figure FDA0004090255720000021
表达式/>
Figure FDA0004090255720000022
与倾角正切序列{mi}，挠度序列{fi}，以及{hi}有关；
Figure FDA0004090255720000023
Figure FDA0004090255720000024
步骤2.3、利用
Figure FDA0004090255720000025
二阶可导的性构造关于{fi-1,fi,fi+1}的方程αifi-1+βifi+γifi+1＝δi，重复步骤2.3，直至遍历所有区间构造出{f0-fn}；其中：
Figure FDA0004090255720000026
/>
Figure FDA0004090255720000027
Figure FDA0004090255720000028
Figure FDA0004090255720000029
步骤2.4、补充边界条件
Figure FDA00040902557200000210
构造方程组矩阵形式AF＝Δ，求解个节点的挠度值{fi}i＝0,1,2,…n；
Figure FDA0004090255720000031
根据得到的挠度值fi，带入公式(1)计算每一段的插值样条函数
Figure FDA0004090255720000032
完成整个二维曲线的拟合；
步骤2.5、对于惯性倾角敏感单元(102)之间的相对扭转角均呈线性变化，两个惯性倾角敏感单元(102)之间任意截面的相对扭转角由下式计算:
Figure FDA0004090255720000033
式中，i＝0,1,...,n，[xi,xi+1]为插值区间，
Figure FDA0004090255720000034
分别为分段点xi和xi+1处的扭转角可利用惯性倾角敏感单元(102)获得，利用坐标转换方法，获得曲线上任意一点弯扭组合变形后三维空间坐标；
Figure FDA0004090255720000035
步骤2.6、类似的在一个平面内利用阵列化的惯性倾角敏感单元(102)采集的角度信息，获得多条拟合曲线，由多条曲线形成反演曲面；
步骤3、根据步骤1和步骤2获得被监测对象反演曲面，根据该反演曲面构建被监测对象的三维形貌，将该三维形貌与被监测对象的原始三维形貌进行对比，推断被监测对象的结构状态及状态变化。
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