CN210221355U - 一种基于物联网复合材料健康检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网复合材料健康检测装置及系统，包括依次连接的碳纳米管压阻传感器2、电阻测量电路和信号传输电路；碳纳米管压阻传感器2包括矩阵式排列的多个碳纳米管压阻器件2；碳纳米管压阻传感器2的多个碳纳米管压阻器件3贴附于被测物体表面；每行或每列的碳纳米管压阻器件3串联，并与电阻测量电路连接；碳纳米管压阻器件3包括衬底6、碳纳米管聚合物薄膜7和电极4，碳纳米管聚合物薄膜7固定于衬底6上，碳纳米管聚合物薄膜7的两端各引出一个电极4。本实用新型大大提高了安装的效率、使传感器与被测物体贴合更加紧密、对被测复合材料的损伤定位更加准确；利用碳纳米管极高的压阻因子特性，提高检测的灵敏度。

Description

一种基于物联网复合材料健康检测装置及系统

技术领域

本实用新型涉及材料检测技术领域，尤其涉及一种基于物联网复合材料健康检测装置及系统。

背景技术

传统基于物联网的健康检测中，人们往往采用由高电阻系数电阻丝弯曲制成的电阻应变片或半导体应变传感器等对复合材料制成的桥梁、高铁轨道、塔架、建筑物、风力发电机叶片等构件的应力进行检测，以测试其是否发生性能退化和结构损伤。对表面积较大、结构复杂构件的构件检测，要么采用形状结构较大的传感器件，但存在与被测构件结合不紧密，对应力方向定位不准，不便于定位损伤位置的问题；要么采取多个应变传感器进行检测，但存在传感器安装工序较多、布线复杂，定位损伤位置不准确的问题。此外，现有检测手段还存在传感器电阻率不够高，对应力反映不敏感，导致检测精度低等问题。

发明内容

本实用新型为解决现有技术存在的技术问题而提出。本实用新型的技术方案为一种基于物联网复合材料健康检测装置，包括依次连接的碳纳米管压阻传感器、电阻测量电路和信号传输电路；所述碳纳米管压阻传感器包括矩阵式排列的多个碳纳米管压阻器件；所述碳纳米管压阻传感器的多个碳纳米管压阻器件贴附于被测物体表面；每行或每列的碳纳米管压阻器件串联，并与所述电阻测量电路连接；所述碳纳米管压阻器件包括衬底、碳纳米管聚合物薄膜和电极，所述碳纳米管聚合物薄膜固定于衬底上，所述碳纳米管聚合物薄膜的两端各引出一个电极。

本实用新型的有益效果是：通过采用矩阵式排列的结构，提高安装的效率、使传感器与被测物体贴合更加紧密、对被测复合材料的损伤定位更加准确；通过采取碳纳米管压阻器件，利用极高的压阻因子特性，提高检测的灵敏度；通过将碳纳米管聚合物薄膜固定于衬底上，可较好地保护碳纳米管聚合物薄膜，提高了传感器的强度和耐用性；通过将每行或每列的碳纳米管压阻器件串联，减少了引出电极的数量，降低了布线复杂度。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步地，所述碳纳米管聚合物薄膜采用多壁碳纳米管和聚甲基丙烯酸的聚合物薄膜。

进一步地，所述电阻测量电路包括直流电流源、信号放大电路、模数转换电路，所述直流电流源与所述电极连接，所述电极同时与所述信号放大电路输入端连接，所述信号放大电路输出端与所述模数转换电路输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用直流电流源，运用直流电流源内阻较大的特性，提高测量精度。

进一步地，所述信号传输电路包括依次连接的信号处理电路和通信电路。

进一步地，所述信号处理电路包括单片机。

进一步地，所述通信电路采用有线通信模块或无线通信模块。

进一步地，所述无线通信模块包括WIFI通信模块。

进一步地，基于物联网复合材料健康检测装置还包括显示电路和存储电路，所述显示电路和存储电路均与所述信号处理电路连接。

进一步地，所述衬底包括依次层叠的不锈钢片和环氧树脂薄层，所述碳纳米管聚合物薄膜固定于所述环氧树脂薄层上。

本实用新型还提供一种基于物联网复合材料健康检测系统，包括所述的基于物联网复合材料健康检测装置，以及与所述基于物联网复合材料健康检测装置有线或无线连接的服务器。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的实施例提供的功能框图；

图2示出了根据本实用新型的实施例提供的碳纳米管压阻器件示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、被测复合材料；2、碳纳米管压阻传感器；3、碳纳米管压阻器件；4、电极；5、直流电流源；6、衬底；7、碳纳米管聚合物薄膜。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1－图2示出了根据本实用新型的实施例提供的一种基于物联网复合材料健康检测装置及系统。

如图1所示，本实施例中提供了一种基于物联网复合材料健康检测装置，包括依次连接的碳纳米管压阻传感器2、电阻测量电路和信号传输电路；所述碳纳米管压阻传感器2包括矩阵式排列的多个碳纳米管压阻器件3；所述碳纳米管压阻传感器2的多个碳纳米管压阻器件3贴附于被测物体表面；每行或每列的碳纳米管压阻器件3串联，并与所述电阻测量电路连接；如图2所示，所述碳纳米管压阻器件3 包括衬底6、碳纳米管聚合物薄膜7和电极4，所述碳纳米管聚合物薄膜7固定于衬底6上，所述碳纳米管聚合物薄膜的两端各引出一个电极4。每个碳纳米管压阻器件3两端各引出一个电极4，同一行或同一列碳纳米管压阻器件3的电极4两两互相连接，处于各行两端处的电极4与电阻测量电路连接。

上述实施例中，通过采用矩阵式排列的结构，提高安装的效率、使传感器与被测物体贴合更加紧密、对被测复合材料的损伤定位更加准确；通过采取碳纳米管压阻器件，利用极高的压阻因子特性，提高检测的灵敏度；通过将碳纳米管聚合物薄膜固定于衬底上，可较好地保护碳纳米管聚合物薄膜，提高了传感器的强度和耐用性；通过将每行或每列的碳纳米管压阻器件串联，减少了引出电极的数量，降低了布线复杂度。

可选地，所述碳纳米管聚合物薄膜7采用多壁碳纳米管和聚甲基丙烯酸的聚合物薄膜。

可选地，所述电阻测量电路包括直流电流源5、信号放大电路、模数转换电路，所述直流电流源与所述电极10连接，所述电极10同时与所述信号放大电路输入端连接，所述信号放大电路输出端与所述模数转换电路输入端连接。所述信号放大电路包括型号为LM393的放大器芯片。所述模数转换电路可采用多个独立通道的模数转换电路，也可以是多路模拟输入一路数字输出的分时复用模数转换电路，或二者的结合。所述模数转换电路可以是STM32F103VET6的内置多通道模数转换电路。该模数转换电路为分时复用模数转换电路。

通过利用直流电流源内阻较大、提供电流稳定的特性，将碳纳米管压阻传感器2的电阻变化线性的转化为电压变化，经放大后，输入给模数转换电路，降低了测量误差，提高了测量精度。

可选地，所述信号传输电路包括依次连接的信号处理电路和通信电路。

可选地，所述信号处理电路包括单片机。

可选地，所述信号处理电路采用STM32F103VET6单片机芯片。

通过采用单片机，可以对各行或各列模数转换的结果进行分析处理，得到被测复合材料的应力变化情况，并根据应力变化情况进行分析计算，定位出损伤发生的具体位置。也可以根据复合材料检测的需要，将检测结果传输或根据检测结果进行相应的处理。

可选地，所述通信电路采用MT7620路由器芯片。

可选地，所述通信电路采用有线通信模块或无线通信模块。

可选地，所述有线通信模块可以是RJ45接口通信模块，所述无线通信模块可以是WIFI无线通信模块。

通过设置有线通信模块或无线通信模块，使得所述基于物联网复合材料健康检测装置能够与其它服务器或控制系统实现良好的互联互通，便于实现远程控制。

可选地，所述还包括显示电路和存储电路，所述显示电路和存储电路均与所述信号处理电路连接。所述显示电路可以是LCD或LED，所述存储电路可以是SD卡存储器。

通过设置显示电路和存储电路，使得可以方便地现场直接获取数据，尤其是当网络发生故障的情况下，所述基于物联网复合材料健康检测装置仍能够有效的进行检测。

可选地，所述衬底6包括依次层叠的不锈钢片和环氧树脂薄层，所述碳纳米管聚合物薄膜固定于所述环氧树脂薄层上。

利用不锈钢片和环氧树脂薄层较好的材料性能，实现对碳纳米管压阻传感器的保护，提高碳纳米管压阻传感器的耐用性。

本发明还同时提供一种基于物联网复合材料健康检测系统，包括与基于物联网复合材料健康检测装置，以及与所述基于物联网复合材料健康检测装置有线或无线连接的服务器。

通过配置服务器，可实现远程的对复合材料健康状态进行实时监控，可较为迅速地对检测到的复合材料损伤做出响应，提高了检测的实时性和响应的快速性。

如图1所示，呈矩阵式排列的碳纳米管压阻传感器2与结构复杂的被测复合材料1紧密贴合，当构件损伤时，导致碳纳米管压阻传感器2因所受应力发生变化而导致碳纳米管压阻传感器各碳纳米管压阻器件的电阻值也发生变化。通过直流电流源5给碳纳米管压阻传感器供给稳定的电流，根据电压电流公式U＝R*I，当电流恒定，纳米管压阻器件的电阻值发生变化，将导致碳纳米管压阻传感器上的电压产生相应变化，变化的电压依次经过LM393信号放大电路放大和 STM32F103VET6内置数模转换电路转换为数字检测信息后，数字测量信息经STM32F103VET6单片机处理后，可进行直接显示或存储，也可通过MT7620通信电路，通过无线WIFI或有线RJ45传输到服务器，服务器可根据检测的结果，以决定对被测复合材料进行更换、维护、停止使用等相应的处理。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用以限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，包括依次连接的碳纳米管压阻传感器(2)、电阻测量电路和信号传输电路；

所述碳纳米管压阻传感器(2)包括矩阵式排列的多个碳纳米管压阻器件(3)；所述碳纳米管压阻传感器(2)的多个碳纳米管压阻器件(3)贴附于被测物体表面；每行或每列的碳纳米管压阻器件(3)串联，并与所述电阻测量电路连接；

所述碳纳米管压阻器件(3)包括衬底(6)、碳纳米管聚合物薄膜(7)和电极(4)，所述碳纳米管聚合物薄膜(7)固定于衬底(6)上，所述碳纳米管聚合物薄膜(7)的两端各引出一个电极(4)。

2.根据权利要求1所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，所述碳纳米管聚合物薄膜(7)采用多壁碳纳米管和聚甲基丙烯酸的聚合物薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，所述电阻测量电路包括直流电流源(5)、信号放大电路和模数转换电路，所述直流电流源(5)与所述电极(4)连接，所述电极(4)同时与所述信号放大电路输入端连接，所述信号放大电路输出端与所述模数转换电路输入端连接。

4.根据权利要求1所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，所述信号传输电路包括依次连接的信号处理电路和通信电路。

5.根据权利要求4所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，所述信号处理电路包括单片机。

6.根据权利要求4所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，所述通信电路采用有线通信模块或无线通信模块。

7.根据权利要求6所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，所述无线通信模块包括WIFI通讯模块。

8.根据权利要求4至7任一项所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，还包括显示电路和存储电路，所述显示电路和存储电路均与所述信号处理电路连接。

9.根据权利要求1至7任一项所述的基于物联网复合材料健康检测装置，其特征在于，所述衬底(6)包括依次层叠的不锈钢片和环氧树脂薄层，所述碳纳米管聚合物薄膜(7)固定于所述环氧树脂薄层上。

10.一种基于物联网复合材料健康检测系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的基于物联网复合材料健康检测装置，以及与所述基于物联网复合材料健康检测装置有线或无线连接的服务器。

Images