CN205175951U - 一种结构裂纹在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种结构裂纹在线监测系统，所述系统包括依次连接的所述裂纹监测传感器、裂纹监测采集器和裂纹监测处理器；所述裂纹监测采集器实时循环测量每个裂纹监测传感器阻值，并以数字通讯的形式发送给裂纹监测处理器。本实用新型的有益效果为：本实用新型根据工程实际需要设计成为结构裂纹实时在线监测系统，采用分布式结构布局，1个处理器连接8个采集器，1个采集器连接8个传感器，与传统连接方式相比分布均匀，导线用量少、质量轻，传输更可靠，工作更稳定；系统具有完备的抗干扰电路，可有效抵抗外界电磁干扰，保证系统在恶劣环境下的测量精度和mΩ级的分辨率。

Description

一种结构裂纹在线监测系统

技术领域

本实用新型属于裂纹监测技术，具体涉及一种结构裂纹在线监测系统。

背景技术

目前国内外针对结构健康(损伤)监测主要有两类基本方法：应力应变监测和直接裂纹监测。应力应变监测包括应变片法、疲劳寿命片(亦称疲劳寿命计)、光纤法、压电法等监测手段；而直接监测裂纹的方法包括断裂丝片、声发射法、CVM(相对真空度)、MWM－Arrays(柔性电涡流阵列)。

(1)无损检测法：包括射线探伤、超声检测、渗透探查、磁粉检测、涡流检测等无损检测手段一般都是一些被动的“事后技术行为”，只有结构分解时，在满足某种无损“检测”技术所需环境下才能对结构损伤情况进行“检测”，一般不能实时、在线地进行损伤监测。

(2)应变片法：该方法只能完成结构的应力应变测量，无法直接检测结构的裂纹损伤，对应力场的感受具有较强的方向性，且结构件受力复杂情况下，预先粘贴应变片很难准确定位，同时应变片自身的寿命较短，一般不能与被监控结构同寿，因而难以实现对重要部件“结构健康状态”长期监测，更多的是用于全尺寸疲劳试验。例如俄罗斯在Su27设备全尺寸疲劳试验时采用应变片进行裂纹监测，所贴应变片达10000片之多，但仍未全面、及时、准确地监测到Su27设备疲劳裂纹，大部分关键危险部位的裂纹是通过事后的检测发现的。

(3)光纤法：主要用于应变和温度等信号的测量，多用于复合材料结构损伤监测，采用埋入式法影响基体结构，较大区域应变监测有优势，一般不能直接监测裂纹，且监测孔边裂纹的难度大。其设备控制系统较复杂，接口稳定性不够。

(4)声发射法：声发射技术已成功监测全尺寸设备疲劳实验中承力结构的开裂，但对噪声的敏感和相关信号处理的滞后性,使得实际飞行应用受到较大限制。

(5)CVM法：对硅橡胶真空管粘贴工艺要求较高，从其工作原理来看，需要很高的粘结密封质量才能保证其正常工作，系统设计较复杂，不能用于高温等恶劣的工作环境，对气体稀薄和油水密封环境不适用。可以作为部件裂纹测试方法，但对于实际复杂的应力集中部位处监测的复杂性明显增加。

(6)压电法：压电传感器(压电陶瓷和PVDF等)大量应用于结构变形监测，一般不能直接监测裂纹，其脆性和安装方式使得工作寿命较短、耐久性差，相关信号处理系统也较复杂，难以适应设备封闭主承力结构裂纹的长期监测。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种结构裂纹在线监测系统。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种结构裂纹在线监测系统，其改进之处在于：所述系统包括依次连接的所述裂纹监测传感器、裂纹监测采集器和裂纹监测处理器；

所述裂纹监测传感器包括依次设置的信息传感层，信息采集层和保护层；所述信息采集层属于电阻性元器件，所述信息传感层由聚合物、导电粒子和胶粘剂组成，所述保护层由聚酰亚胺膜和AB胶或金属构件组成；

所述裂纹监测采集器包括采集器壳体、主控芯片、A/D采集转换模块、多路开关控制器、显示灯、CAN通信接口和供电电路；所述主控芯片、多路开关控制器、CAN通信接口和显示灯协同工作；

所述裂纹监测处理器包括处理器壳体、中央处理器、多路通信选择开关电路、通信选择开关驱动电路、显示驱动模块、显示灯、USB通信接口、数据存储器、时钟模块和宽输入电压电路模块；所述宽输入电压电路模块接受外部宽范围电压输入，提供稳定电压源；所述中央处理器控制通信选择开关驱动电路、多路通信选择开关电路、USB通信接口、时钟模块、数据存储器和显示灯协同工作；

所述裂纹监测采集器实时循环测量每个裂纹监测传感器阻值，并以数字通讯的形式发送给裂纹监测处理器。

优选的，中央处理器、多路通信选择开关电路、通信选择开关驱动电路、显示驱动模块、显示灯、USB通信接口、数据存储器、时钟模块和宽输入电压电路模块集成在裂纹监测处理器中PCB板上。

优选的，所述主控芯片、A/D采集转换模块、多路开关控制器、显示灯、CAN通信接口和供电电路集成在裂纹监测采集器中PCB板上。

优选的，所述裂纹监测处理器连接1～8个裂纹监测采集器，通过4根导线连接。

优选的，所述裂纹监测采集器连接1～8个裂纹监测传感器，通过4根导线连接。

优选的，所述主控芯片为嵌入式ARM处理器。

优选的，所述中央处理器采用高性能处理芯片STM32F105R8T6，负责处理与上位机端通信、与裂纹监测采集器端数据巡查接收、数据信息添加时间标志、指示灯显示状态管理、数据异常状态判断管理以及管理其他相关单元的协同工作。

优选的，所述采集器壳体和处理器壳体均采用电磁屏蔽设计的航空铝。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型根据工程实际需要设计成结构裂纹在线实时监测系统，系统由1～64通道(传感器)、1～8个裂纹监测采集器和1个裂纹监测处理器组成。数据采集处理系统可测量的传感器通道数根据实际需要在1～64之间选择；本实用新型根据工程实际需要设计成为结构裂纹实时在线监测系统，采用分布式结构布局，1个处理器连接8个采集器，1个采集器连接8个传感器，采集器与传感器组就近分布，构成一个分布式监测网络系统，与传统连接方式相比分布均匀，导线用量少、质量轻，传输更可靠，工作更稳定。

本实用新型数据采集采用四线制线路，裂纹传感器的测量电阻达到mΩ级的测量分辨率，数据采集精度很高。同时，为了保证测试电路的安全性，采用mA级的小电流测量，因此电压采集量为微伏级的小信号。系统具有完备的抗干扰电路，从测试线缆屏蔽、电源隔离、电路板级防护和外壳屏蔽四个方面进行电磁兼容设计。可有效抵抗外界电磁干扰，保证系统在恶劣环境下的测量精度和mΩ级的分辨率。

本实用新型选用适当的非导电材料作为信息传感层，使用专用设备在信息传感层上制备信息采集层，在信息采集层焊线后加上保护层，用纳米化胶粘剂和非导电材料共同作为信息传感层，实现与结构件的粘接固化。通过专用厂房、设备、检测仪器、管理制度和具有资质的人员制造传感器，实现传感器制备的产品化，专业化。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种结构裂纹在线监测系统结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种裂纹监测传感器结构示意图；

图3是本实用新型提供的一种裂纹监测采集器结构示意图；

图4是本实用新型提供的一种裂纹监测处理器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本实用新型的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本实用新型的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本实用新型的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“实用新型”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的实用新型，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个实用新型或实用新型构思。

如图1所示，本实用新型提供了一种结构裂纹在线监测系统具体结构如下：结构裂纹监测系统由裂纹传感器(LGQ)和数据采集处理子系统(包括LCQ-1A型裂纹监测采集器和LJQ-1A裂纹监测处理器)组成，可实现在线实时监测功能。数据采集子系统可测量的传感器通道数根据实际需要选定1～64通道；整个系统由1～64个裂纹监测传感器，1～8个裂纹监测采集器和1个裂纹监测处理器组成。本实用新型其中，数据采集采用四线制线路，裂纹传感器的测量电阻达到mΩ级的测量分辨率，数据采集精度很高。同时，为了保证测试电路的安全性，采用mA级的小电流测量，因此电压采集量为微伏级的小信号。系统具有完备的抗干扰电路，从测试线缆屏蔽、电源隔离、电路板级防护和外壳屏蔽四个方面进行电磁兼容设计。可有效抵抗外界电磁干扰，保证系统在恶劣环境下的测量精度和mΩ级的分辨率。系统中设计了温度补偿电路，消除温度变化对测量精度的影响，使得系统可以稳定工作在-55℃～70℃环境中，保证系统测量精度的一致性。

一个裂纹监测处理器连接1～8个裂纹监测采集器，通过4根导线连接；一个裂纹监测采集器连接1～8个裂纹监测传感器，通过4根导线连接；具体系统配置根据实际情况确定。结构裂纹监测系统的工作流程为：系统安装、调试完成后，首先测量并保存每一个传感器的初始电阻值(即被测点未产生裂纹前的电阻值)，作为基准值。以后每一次的测量值都和基准值比较，产生差值，通过检查差值，了解被监测点的结构健康状态。当差值大于某设定阈值时表示已产生裂纹。当差值无穷大时表示传感器已断裂，基体裂纹已大于智能涂层监测的范围。此外，结构裂纹监测系统还具有监测裂纹扩展的能力。

如图2所示，裂纹监测传感器是通过感知结构表面裂纹长度变化，并将其转换为电阻变化量来测量被测物件表面裂纹的检测元件传感器，是结构裂纹监测系统信息感知部件，由信息传感层，信息采集层和保护层组成；其剖面示意图如图2所示，信息采集层属于电阻性元器件，信息传感层由聚合物、导电粒子和胶粘剂组成，所述胶粘剂与被监测件的结构表面固化融为一体，结构表面受力变形或产生裂纹时，信息传感层驱动信息采集层一起变形，采集层的电阻会产生一个变量，为结构裂纹监测系统提供裂纹信息；保护层由聚酰亚胺膜和AB胶或金属构件组成，具有质量轻、体积小、环境适应性高、可实时在线监测、性能稳定、可设计多种形状等优势。

如图3所示，所述裂纹监测采集器包括采集器壳体、主控芯片、A/D采集转换模块、多路开关控制器、传感器接口、显示灯、CAN通信接口和供电电路；裂纹监测采集器分时循环测量每个裂纹监测传感器阻值，进行必要的数值处理，最后以数字通讯的形式发送给裂纹监测处理器的功能。对采集到的AD数值进行数据处理，主要处理顺序为完成采样数据的滤波以获取稳定的采样值、对完成滤波后的数据按照公式进行转换得到电阻值。这里的滤波算法采用均值滤波的方法，滤波后的测量精度可以达到：0.2～1Ω测量误差为±50mΩ以内；1～20Ω测量误差为±5％以内；20～100Ω测量误差为±10％以内。每个采集器与处理器之间应尽量设置一根电缆进行数字通讯，以减少布线工作量和系统重量，采集器个数可增减，随被测点数而定。同时，采集器应体积小巧，便于安装。

如图4所示，所述裂纹监测处理器包括处理器壳体、中央处理器、多路通信选择开关电路、通信选择开关驱动电路、显示驱动模块、显示灯、USB通信接口、数据存储器、时钟模块和宽输入电压电路模块；宽输入电压电路模块接受外部宽范围电压输入，提供稳定电压源，中央处理器控制通信选择开关驱动电路、多路通信选择开关电路、USB通信接口、时钟模块、数据存储器和显示灯协同工作，功能强大性能可靠；

中央处理器分别连接通信选择开关驱动电路、显示驱动模块、显示灯、USB通信接口、数据存储器、时钟模块和宽输入电压电路模块；

中央处理器采用高性能处理芯片STM32F105R8T6，负责处理与上位机端通信、与采集器端数据巡查接收、数据信息添加时间标志等数据处理处理、指示灯显示状态管理、数据异常状态判断管理，以及管理其他相关单元的协同工作；与采集器端数据巡查接收包括循环巡查收发各采集器的数据信息。以RS485方式进行数据传输，数据格式为8位数据位，1位偶校验位，1位停止位，波特率是9600bps，通信帧长度为42字节。

裂纹监测处理器对采集器端传输的数据进行处理，增加时间标志等管理信息，有助于数据备份及信息查询，可以实现对历史数据信息的方便查询及分析，对检测部位的历史状态做到有效的认知，同时对数据信息的异常性进行判断，研判传感器检测部位的裂纹状态，同时辅以指示灯标识给出故障告警。

结构裂纹监测系统中采集器壳体和处理器壳体均采用电磁屏蔽设计的航空铝，和系统中导线线路进行电磁屏蔽设计。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：所述系统包括依次连接的裂纹监测传感器、裂纹监测采集器和裂纹监测处理器；

所述裂纹监测传感器包括依次设置的信息传感层，信息采集层和保护层；所述信息采集层属于电阻性元器件，所述信息传感层由聚合物、导电粒子和胶粘剂组成，所述保护层由聚酰亚胺膜和AB胶或金属构件组成；

所述裂纹监测采集器包括采集器壳体、主控芯片、A/D采集转换模块、多路开关控制器、显示灯、CAN通信接口和供电电路；所述主控芯片、多路开关控制器、CAN通信接口和显示灯协同工作；

所述裂纹监测处理器包括处理器壳体、中央处理器、多路通信选择开关电路、通信选择开关驱动电路、显示驱动模块、显示灯、USB通信接口、数据存储器、时钟模块和宽输入电压电路模块；所述宽输入电压电路模块接受外部宽范围电压输入，提供稳定电压源；所述中央处理器控制通信选择开关驱动电路、多路通信选择开关电路、USB通信接口、时钟模块、数据存储器和显示灯协同工作；

所述裂纹监测采集器实时循环测量每个裂纹监测传感器阻值，并以数字通讯的形式发送给裂纹监测处理器。

2.根据权利要求1所述的一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：中央处理器、多路通信选择开关电路、通信选择开关驱动电路、显示驱动模块、显示灯、USB通信接口、数据存储器、时钟模块和宽输入电压电路模块集成在裂纹监测处理器中PCB板上。

3.根据权利要求1所述的一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：所述主控芯片、A/D采集转换模块、多路开关控制器、显示灯、CAN通信接口和供电电路集成在裂纹监测采集器中PCB板上。

4.根据权利要求1所述的一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：所述裂纹监测处理器连接1～8个裂纹监测采集器，通过4根导线连接。

5.根据权利要求1所述的一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：所述裂纹监测采集器连接1～8个裂纹监测传感器，通过4根导线连接。

6.根据权利要求1所述的一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：所述主控芯片为嵌入式ARM处理器。

7.根据权利要求1所述的一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：所述中央处理器采用高性能处理芯片STM32F105R8T6，负责处理与上位机端通信、与裂纹监测采集器端数据巡查接收、数据信息添加时间标志、指示灯显示状态管理、数据异常状态判断管理以及管理其他相关单元的协同工作。

8.根据权利要求1所述的一种结构裂纹在线监测系统，其特征在于：所述采集器壳体和处理器壳体均采用电磁屏蔽设计的航空铝。