CN205484167U - 一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统包括：至少一个裂纹监测传感器组、至少一个裂纹监测采集终端、处理终端以及计算机；所述裂纹监测传感器组由多个裂纹监测传感器组成，用于感知裂纹变化；所述裂纹监测采集终端用于采集所述裂纹监测传感器组获得的裂纹变化数据；所述处理终端用于处理分析所述裂纹变化数据并获得监测结果；所述计算机用于根据所述监测结果进行健康状况评估分析；所述裂纹监测采集终端与所述处理终端基于zigbee技术组成无线分布网络拓扑结构。能够降低功耗，拓扑容量大，制作成本低；数据传输安全可靠，并且能够实现冗余校验检查功能。同时响应快、容量大、成本低、数据可靠安全等特点，可以适合更多特定工作环境。

Description

一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统

技术领域

本实用新型属于裂纹监测技术，具体涉及一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统。

背景技术

目前基于智能涂层的裂纹监测技术得到发展，但主要实现形式比较单一，如有线式分布网络拓扑。但其使用具有有限性，例如空间位置小，无法实现有线布线的环境；监测点分散，不适合采用长距离布线的环境；供电不便利，无法为采集端提供长期有效电源的环境等等，这些因素都限制了有线式智能涂层技术的实现，导致智能涂层裂纹监测技术的广泛推广，一直缺乏有效可行的实现措施。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，所述系统包括：至少一个裂纹监测传感器组、至少一个裂纹监测采集终端、处理终端以及计算机；所述裂纹监测传感器组由多个裂纹监测传感器组成，用于感知裂纹变化；所述裂纹监测采集终端用于采集所述裂纹监测传感器组获得的裂纹变化数据；所述处理终端用于处理分析所述裂纹变化数据并获得监测结果；所述计算机用于根据所述监测结果进行健康状况评估分析；所述裂纹监测采集终端与所述处理终端基于zigbee技术组成无线分布网络拓扑结构。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述裂纹监测传感器包括：信息传感层、信息采集层以及传感器保护层；所述信息传感层至少包含聚合物、导电粒子以及胶黏剂；所述信息采集层为电阻性涂层；所述传感器保护层为聚酰亚胺膜或真金属保护组件。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述裂纹监测采集终端包括：采集器壳体、CPU处理单元、35芯插头、多路通道控制器、信号处理电路、A/D采集转换电路、第一zigbee通信模块、Flash存储器、工作指示灯以及电源电路；所述35芯插头用于获得高精度的裂纹监测传感器电阻值；所述多路通道控制器、信号处理电路、A/D采集转换电路分别用于裂纹变化数据的巡查采集、滤波处理、模数转换处理，最终将电阻信号转变为数字信号；所述第一zigbee通信模块用于无线通信及组网，并向所述处理终端传输监测结果；所述CPU处理单元用于协调所述裂纹监测采集终端的工作。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述处理终端包括：处理器壳体、主控CPU处理单元、第二zigbee通信模块、Flash存储器、指示灯驱动电路、状态指示灯、计算机通信接口、时间计算电路以及电源电路；所述主控CPU处理单元用于协调所述处理终端的工作，并对所述检测结果进行分析处理，判断裂纹监测传感器状态，并驱动所述指示灯驱动电路和状态指示灯指示当前工作状态及故障状态；所述第二zigbee通信模块用于无线网络组网及数据传输，并下载所述裂纹监测采集终端的监测结果；所述时间计算电路产生系统时间，所述Flash存储器存储所有数据加注时间标志；所述计算机通信接口用于与所述计算机进行数据通信和数据上传。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述裂纹监测传感器采用四线制接线方式。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，一个所述裂纹监测采集终端至多可采集8个所述裂纹监测传感器的裂纹变化数据。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述裂纹监测采集终端采用微电池供电。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述采集器壳体和处理器壳体均采用能够电磁屏蔽的航空铝。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述系统还包括：温度补偿电路，用于消除温度变化对测量精度的影响。

上述一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其中，所述CPU处理单元能够进行电源管理，用于对所述系统进行休眠及唤醒。

本实用新型所公开的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统采用裂纹监测采集终端与处理终端基于zigbee技术构造的无线网络拓扑具有如下特性：休眠—唤醒机制，能够降低功耗；且唤醒响应速度快，平均为几十ms。拓扑容量大，可多达几百个终端节点；制作成本低；数据传输可靠，采取碰撞避免措施；数据安全性高，并且能够实现冗余校验检查功能。同时响应快、容量大、成本低、数据可靠安全等特点，较蓝牙、WIFI等无线技术具有较高优势；较有线式分布系统有更宽泛的适用性，可以适合更多特定工作环境。

附图说明

图1是本实用新型实施例中一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中述裂纹监测传感器的具体结构示意图；

图3是本实用新型实施例中裂纹监测采集终端的具体结构示意图；

图4是本实用新型实施例中处理终端的具体结构示意图；

图5是本实用新型实施例中裂纹监测传感器四线制接线方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。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。

一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，如图1所示，所述系统包括：至少一个裂纹监测传感器组101、至少一个裂纹监测采集终端102、处理终端103以及计算机104；所述裂纹监测传感器组101由多个裂纹监测传感器组成，用于感知裂纹变化；所述裂纹监测采集终端102用于采集所述裂纹监测传感器组101获得的裂纹变化数据；所述处理终端103用于处理分析所述裂纹变化数据并获得监测结果；所述计算机104用于配置管理及根据所述监测结果进行健康状况评估分析；所述裂纹监测采集终端102与所述处理终端103基于zigbee技术组成无线分布网络拓扑结构。较佳的，系统可由多个裂纹监测采集终端和一个处理终端基于zigbee技术构建一个无线分布式测试网络，实现多路数据的测试与采集分析。具体的，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。

本实用新型上述实施例所提供的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统采用裂纹监测采集终端与处理终端基于zigbee技术构造的无线网络拓扑具有如下特性：休眠—唤醒机制，能够降低功耗；且唤醒响应速度快，平均为几十ms。拓扑容量大，可多达几百个终端节点；制作成本低；数据传输可靠，采取碰撞避免措施；数据安全性高，并且能够实现冗余校验检查功能。同时响应快、容量大、成本低、数据可靠安全等特点，较蓝牙、WIFI等无线技术具有较高优势；较有线式分布系统有更宽泛的适用性，可以适合更多特定工作环境。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，如图2所示，所述裂纹监测传感器包括：信息传感层201、信息采集层202以及传感器保护层203；所述信息传感层201至少包含聚合物、导电粒子以及胶黏剂；所述信息采集层202为电阻性涂层；所述传感器保护层203为聚酰亚胺膜或真金属保护组件。具体的，所述信息传感层为聚合物以及胶黏剂等组成的敏感涂层，所述胶粘剂与被监测件的结构表面固化融为一体。信息采集层属于电阻性元器件，当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，信息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；传感器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。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，如图3所示，所述裂纹监测采集终端包括：采集器壳体(图未示)、CPU处理单元302、35芯插头303、多路通道控制器304、信号处理电路305、A/D采集转换电路306、第一zigbee通信模块307、Flash存储器308、工作指示灯309以及电源电路310；所述35芯插头303用于获得高精度的裂纹监测传感器电阻值；所述多路通道控制器304、信号处理电路305、A/D采集转换电路306分别用于裂纹变化数据的巡查采集、滤波处理、模数转换处理，最终将电阻信号转变为数字信号；较佳的，每次采样均连续采样十次后做均值处理作为当时采集电阻值数据，测量精度可以达到：0.2～1Ω的测量误差为±50mΩ以内，1～20Ω的测量误差为±5％以内，20～100Ω的测量误差为±10％以内。所述第一zigbee通信模块307用于无线通信及组网，并向所述处理终端传输数据；所述CPU处理单元302用于协调所述裂纹监测采集终端的工作。具体的，所述CPU处理单元能够控制系统的休眠、唤醒、数据存储等功能实现，实现系统低功耗、高精度、快速响应，高可靠性的性能需求。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，如图4所示，所述处理终端包括：处理器壳体(图未示)、主控CPU处理单元401、第二zigbee通信模块402、Flash存储器403、指示灯驱动电路404、状态指示灯405、计算机通信接口406、时间计算电路407以及电源电路408；所述主控CPU处理单元401用于协调所述处理终端的工作，并对所述检测结果进行分析处理，判断裂纹监测传感器状态，并驱动所述指示灯驱动电路404和状态指示灯405指示当前工作状态及故障状态；所述第二zigbee通信模块402用于无线网络组网及数据传输，并下载所述裂纹监测采集终端的监测结果；所述时间计算电路407产生系统时间，所述Flash存储器403存储所有数据加注时间标志；计算机通信接口406用于与所述计算机进行数据通信和数据上传。

基于zigbee技术的裂纹监测系统的工作流程为：系统安装、调试完成后，首先采集并保存每一个裂纹监测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。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，如图5所示，所述裂纹监测传感器采用四线制接线方式，用于提高裂纹监测传感器的测量精度。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，所述裂纹监测采集终端至多可采集8个所述裂纹监测传感器的裂纹变化数据。当然，也可灵活配置1-8个个数不等的裂纹监测传感器，使得采集灵活。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，所述裂纹监测采集终端采用微电池供电，实现微型化设计和应用。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，所述裂纹监测采集终端的采集器壳体和处理终端的处理器壳体均采用能够电磁屏蔽的航空铝，既减轻了重量又达到有效的电磁屏蔽。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，所述系统还包括：温度补偿电路，用于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℃大范围变化的环境中，保证系统测量精度的一致性。

本实用新型实施例所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，较佳的，所述CPU处理单元能够进行电源管理，用于对所述系统进行休眠及唤醒，以此来降低平均功耗。

综上，本实用新型实施例具有如下优点：

1.本实用新型根据工程实际需要设计成基于zigbee技术的无线通信型智能涂层裂纹监测系统，裂纹监测采集终端可灵活配置1-8个裂纹监测传感器，多个裂纹监测采集终端和一个处理终端可构架一个zigbee无线分布式网络拓扑，实现多点测量，与有线式分布拓普网络相比更加具有广泛的适应性。

2.裂纹监测采集终端皆采用低电压、低功耗元器件；CPU处理单元具有电源管理功能，实现zigbee通信模块及系统休眠——唤醒机制，降低平均功耗；整个模块可使用微电池供电，实现微型化设计和应用。

3.本实用新型裂纹监测传感器数据采集采用四线制线路，裂纹监测传感器的测量电阻达到mΩ级的测量分辨率，数据采集精度高。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，降低系统功耗。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。

4.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。

本领域技术人员还可以了解到本实用新型实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)、单元和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)、单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个装置的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本实用新型实施例保护的范围。

本实用新型实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本实用新型实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本实用新型实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

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 (10)

1.一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述系统包括：至少一个裂纹监测传感器组、至少一个裂纹监测采集终端、处理终端以及计算机；所述裂纹监测传感器组由多个裂纹监测传感器组成，用于感知裂纹变化；所述裂纹监测采集终端用于采集所述裂纹监测传感器组获得的裂纹变化数据；所述处理终端用于处理分析所述裂纹变化数据并获得监测结果；所述计算机用于根据所述监测结果进行健康状况评估分析；所述裂纹监测采集终端与所述处理终端基于zigbee技术组成无线分布网络拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述裂纹监测传感器包括：信息传感层、信息采集层以及传感器保护层；所述信息采集层为电阻性涂层；所述传感器保护层为聚酰亚胺膜或真金属保护组件。

3.根据权利要求1所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述裂纹监测采集终端包括：采集器壳体、CPU处理单元、35芯插头、多路通道控制器、信号处理电路、A/D采集转换电路、第一zigbee通信模块、Flash存储器、工作指示灯以及电源电路；所述35芯插头用于获得高精度的裂纹监测传感器电阻值；所述多路通道控制器、信号处理电路、A/D采集转换电路分别用于裂纹变化数据的巡查采集、滤波处理、模数转换处理，最终将电阻信号转变为数字信号；所述第一zigbee通信模块用于无线通信及组网，并向所述处理终端传输监测结果；所述CPU处理单元用于协调所述裂纹监测采集终端的工作。

4.根据权利要求3所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述处理终端包括：处理器壳体、主控CPU处理单元、第二zigbee通信模块、Flash存储器、指示灯驱动电路、状态指示灯、计算机通信接口、时间计算电路以及电源电路；所述主控CPU处理单元用于协调所述处理终端的工作，并对所述监测结果进行分析处理，判断裂纹监测传感器状态，并驱动所述指示灯驱动电路和状态指示灯指示当前工作状态及故障状态；所述第二zigbee通信模块用于无线网络组网及数据传输，并下载所述裂纹监测采集终端的监测结果；所述时间计算电路产生系统时间，所述Flash存储器存储所有数据加注时间标志；所述计算机通信接口用于与所述计算机进行数据通信和数据上传。

5.根据权利要求1所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述裂纹监测传感器采用四线制接线方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，一个所述裂纹监测采集终端至多可采集8个所述裂纹监测传感器的裂纹变化数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述裂纹监测采集终端采用微电池供电。

8.根据权利要求4所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述采集器壳体和处理器壳体均采用能够电磁屏蔽的航空铝。

9.根据权利要求1所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述系统还包括：温度补偿电路，用于消除温度变化对测量精度的影响。

10.根据权利要求3所述的一种基于zigbee技术的智能涂层裂纹监测系统，其特征在于，所述CPU处理单元能够进行电源管理，用于对所述系统进行休眠及唤醒。