CN212459490U - 臂架监测装置及工程机械 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工程机械领域，公开了一种臂架监测装置及工程机械。所述装置包括：布设于臂架指定结构上的不同监测点的多个传感器，其中每一传感器用于采集臂架损伤信号，且所述多个传感器被选择性地电性连接以形成针对所述臂架指定结构的传感网络；以及监测机构，与所述传感网络电性连接，用于从所述传感网络获取所述臂架损伤信号以进行数据处理，并输出经数据处理后的臂架健康结果。本实用新型基于实体传感网络进行臂架监测，传感网络布设的灵活性使得采用较少的传感器就能精确地测定臂架损伤的位置。

Description

臂架监测装置及工程机械

技术领域

本实用新型涉及工程机械领域，具体地，涉及一种臂架监测方装置及工程机械。

背景技术

臂架是工程机械关键承载结构，其安全可靠对大型装备的安全运行起着至关重要的作用。在臂架设计过程中，金属结构设计寿命是根据规范里载荷谱系数和工作级别确定的，而这两者应通过实际载荷组合确定。但实际载荷组合很难预知，设计时往往凭经验选取，实际使用工况与预期使用工况的差异性导致使用寿命通常会偏离设计寿命，从而在实际使用过程中出现大量的安全事故。此外，工程机械设备使用环境复杂恶劣，臂架在使用过程中可能发生碰撞，造成臂架结构损伤，进一步加剧工程机械设备在使用中的安全隐患。为此，开展臂架的实时健康监测，把控其使用过程中结构的损伤情况，确定其是否处于安全使用裕度范围内变得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种臂架监测装置，用于解决臂架的实时健康监测的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种臂架监测装置，包括：布设于臂架指定结构上的不同监测点的多个传感器，其中每一传感器用于采集臂架损伤信号，且所述多个传感器被选择性地电性连接以形成针对所述臂架指定结构的传感网络；以及监测机构，与所述传感网络电性连接，用于从所述传感网络获取所述臂架损伤信号以进行数据处理，并输出经数据处理后的臂架健康结果。

可选地，所述传感器为压电传感器和/或光纤传感器，且对应形成的传感网络为压电传感网络和/或光纤传感网络。

可选地，形成所述压电传感网络的多个压电传感器中包括：触发传感器，被配置为发出激励信号；以及接收传感器，被配置为响应于所述激励信号而输出监测的机械波，其中所述机械波用于示出所述臂架损伤信号；其中，所述触发传感器与所述接收传感器能够相互转换。

可选地，形成所述光纤传感网络的多个光纤传感器相串联并通过统一接口输出监测的光波值，其中所述光波值用于示出所述臂架损伤信号。

可选地，在所述臂架指定结构是由上盖板、下盖板以及形成在所述上盖板和所述下盖板之间的两个腹板形成的箱型结构；并且，所述压电传感网络和/或所述光纤传感网络被布置为能够监测所述箱型结构的四个面。

可选地，所述压电传感网络包括：在所述上盖板和所述下盖板上各布置的至少两个压电传感器；以及在每一所述腹板上各自布置的至少一个压电传感器；其中，所述上盖板和所述下盖板上各自的一个压电传感器作为触发传感器，且位于所述上盖板、所述下盖板或所述腹板上的其他压电传感器作为接收传感器；其中，所述触发传感器被配置为发出激励信号，所述接收传感器被配置为响应于所述激励信号而输出监测的机械波，其中所述机械波用于示出所述臂架损伤信号。

优选地，所述压电传感网络包括：在所述上盖板上布置的第一压电传感器和第二压电传感器；在所述下盖板上布置的第三压电传感器和第四压电传感器；在所述腹板上布置的第五压电传感器、第六压电传感器和第七压电传感器；其中，所述第一压电传感器和所述第三压电传感器为所述触发传感器，所述第二压电传感器、所述第四压电传感器、所述第五压电传感器、所述第六压电传感器以及所述第七压电传感器为所述接收传感器。

可选地，所述光纤传感网络包括：相对于所述箱型结构的预设参考点，在每一腹板上靠近该腹板与对应上盖板或下盖板的交界处的位置上布置的至少一个光纤传感器；其中，同一腹板上的光纤传感器相串联以形成一个光纤传感网络，且形成的光纤传感网络通过统一接口输出监测的光波值，其中所述光波值用于示出所述臂架损伤信号。

可选地，所述两个腹板为第一腹板和第二腹板，且所述光纤传感网络包括：布置在所述第一腹板上的六个光纤传感器，其中三个光纤传感器靠近该第一腹板与所述上盖板的交界处，另外三个光纤传感器靠近该第一腹板与所述下盖板的交界处；以及布置在所述第二腹板上且的六个光纤传感器，其中三个光纤传感器靠近该第二腹板与所述上盖板的交界处，另外三个光纤传感器靠近该第二腹板与所述下盖板的交界处；其中，所述第一腹板和所述第二腹板上各自的六个光纤传感器相串联并分别通过统一接口输出监测的光波值。

可选地，所述压电传感网络和/或所述光纤传感网络内置于粘附于所述臂架指定结构的外表面的预设材料层中，以与所述臂架指定结构形成为一体。

可选地，所述监测机构是控制器或工控机。

本实用新型实施例还提供一种工程机械，该工程机械包含上述任意的臂架监测装置。

通过上述技术方案，本实用新型实施例提供了基于实体传感网络的臂架监测装置，传感网络布设的灵活性使得采用较少的传感器就能精确地测定臂架损伤的位置，并与监测机构相配合以实时地获知臂架健康情况。

本实用新型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实用新型的进一步理解，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实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型实施例一提供的臂架监测装置的结构示意图；

图2(a)和图2(b)分别是本实用新型实施例二中针对箱型结构的压电传感网络的正面布设图和背面布设图；

图3为图2(a)和图2(b)的箱型结构所形成的1-2-4-6-5监测网络；

图4(a)和图4(b)分别是本实用新型实施例三中对应图2(a)和图2(b)的箱型结构的光纤传感网络的正面布设图和背面布设图；

图5是本实用新型实施例三中的串联式光纤传感网络的示意图；以及

图6(a)和图6(b)是本实用新型实施例四中压电传感网络和光纤传感网络联合布设的示意图。

附图标记说明

100、传感网络；200、监测机构；101、上盖板；102、下盖板；103、第一腹板；104、第二腹板；105、接口出线端。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限制本实用新型。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的臂架监测装置的结构示意图。如图1所示，该臂架监测装置包括：布设于臂架指定结构上的不同监测点的多个传感器(如传感器1、传感器2、……传感器n)，其中每一传感器用于采集臂架损伤信号，且所述多个传感器被选择性地电性连接以形成针对所述臂架指定结构的传感网络100；以及监测机构200，与所述传感网络100电性连接，用于从所述传感网络100获取所述臂架损伤信号以进行数据处理，并输出经数据处理后的臂架健康结果。

本实用新型实施例中，要求传感器能够采集臂架损伤信号即可，并不对传感器类型进行限制。但所述传感器优选为压电传感器和/或光纤传感器，而对应形成的传感网络则为压电传感网络和/或光纤传感网络。

本实用新型实施例中，要求所述监测机构200具有基于预设算法处理臂架损伤信号以得到臂架健康结果的能力，其中所述预设算法可以是对应于传感器类型的通用算法，下文将会结合示例简单介绍，而在此并不对具体的算法类型进行限制。另外，所述监测机构200优选为控制器或工控机，其中所述控制器可以是通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processing)、多个微处理器、与DSP核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC，Application SpecificIntegrated Circuit)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)电路、其他任何类型的集成电路(IC，Integrated Circuit)、状态机等等。而当所述监测机构200为工控机时，其还可集成遥控设备，以远程地向传感网络100传输信息或者远程地接收所述传感网络100所传输的信息。

下面分别介绍监测机构200与压电传感网络和光纤传感网络相配合以获知臂架健康结果的过程。

一、压电传感网络

所述压电传感网络的每一监测路径上的压电传感器包括用于发出激励(也可称为激振)信号的触发传感器以及用于响应所述激励信号的接收传感器，且所述臂架损伤信号是所述接收传感器响应于所述激励信号的机械波。即，在臂架指定结构上的触发传感器发出激励信号，臂架会发出相应的机械波进行响应，当臂架指定结构出现冲击、螺栓松动，产生微裂纹，裂纹扩展后，臂架机械波的大小和路径均会发生变化，从而导致臂架损伤信号的变化。

以压电陶瓷片作为压电传感器为例，本实用新型实施例的压电传感网络发现损伤的原理是：通过将压电陶瓷片粘贴在被测零件结构表面上，当对压电陶瓷片施加交流电场时，由于逆压电效应压电陶瓷片会产生振动，并引起零件结构一起振动；零件结构的振动又反作用到压电陶瓷片上，在正向压电效应的作用下使之产生相应的表面电荷；当出现结构裂纹、螺栓松动、结构本体受到冲击/撞击时，产生的表面电荷的振动特征(即机械波响应信号)对应发生变化，从而实现损伤的监测。

进一步地，监测路径上不同的接收传感器相对于触发传感器的距离不同，从而对应机械波响应信号的强弱也不同，由此可知监测路径上的压电传感器之间的距离与对应的机械波响应信号的信号强度存在关联关系，从而可根据该关联关系来确定损伤位置，并进一步确定损伤值，完成损伤监测。

据此，当臂架受到冲击/撞击等，连接件发生松动或断裂(螺栓等)、产生微裂纹，压电传感网络可以采集反映这些信息的臂架损伤信号(即机械波响应信号)，并发送给监测机构200，通过监测机构200来对臂架的健康状况进行监测与评判。相对于常规采用多个压电传感器各自获取压电信号以判断结构是否损伤的方案，本实用新型实施例“激励-响应”式的信息采集方案强调在一个传感网络中针对激励信号的改变而进行多个响应信号的监测与评判，需要的压电传感器更少，且在确定损伤位置及损伤值方面的精度更高。

在优选的实施例中，所述触发传感器与所述接收传感器之间能够相互转换，以针对不同激励信号产生不同机械波响应信号，提升损伤检测的精度。

二、光纤传感网络

光纤传感网络也可称为光纤光栅网络，且对应的光纤传感器也可称为光纤光栅传感器。光纤传感器具有尺寸小、不会发生信号漂移、动态信号稳定等特点。另外，光纤传感网络的监测范围可达为400-800mm左右，从而可较精确地监测裂纹的扩展速率、结构的剩余寿命，以在臂架结构处于危险状态时发出报警信号，指导臂架的检测与维护。

优选地，形成所述光纤传感网络的多个光纤传感器相串联并通过统一接口输出监测的光波值。其中，所述光波值用于示出所述臂架损伤信号。具体地，通过所述光波值可以确定臂架的裂纹变化因子，而该裂纹变化因子从一定程度上反映了臂架损伤情况。另外，串联式光纤传感网络仅需一个接口出线端就能实现多传感器的输出，相对于多接口设计，有利于减少成本。

下文还将结合其他实施例具体介绍压电传感网络和光纤传感网络在臂架指定结构上的布设，在此则不再进行赘述。

进一步地，在优选的实施例中，压电传感网络和/或光纤传感网络可内置于粘附于所述臂架的外表面的预设材料层中，以与所述臂架形成为一体。举例而言，压电传感网络可内置于碳纤维/玻璃纤维等材料形成的材料层中，也可以先内置于树脂基中，再粘附于臂架外表面金属材料上，与臂架成为一体。与臂架一体的传感网络使得形成的臂架监测装置的可靠性变高，使用寿命增长。

综上，本发明实施例一提供了基于实体传感网络的臂架监测装置，传感网络布设的灵活性使得采用较少的传感器就能精确地测定臂架损伤的位置，并与监测机构相配合以实时地获知臂架健康情况。

实施例二

在实施例一的基础上，本实用新型实施例二提供了针对示例臂架指定结构应用压电传感网络的臂架监测装置。图2(a)和图2(b)是本实用新型实施例二中针对示例臂架指定结构布设压电传感网络的示意图，参考该图2(a)和图2(b)，可知所述示例臂架指定结构是由上盖板101、下盖板102以及形成在所述上盖板101和所述下盖板102之间的两个腹板形成的箱型结构，其中两个腹板包括对应于箱型结构正面的第一腹板103以及对应于箱型结构背面的第二腹板104。

本实用新型实施例二中，所述压电传感网络被布置为能够监测所述箱型结构的四个面。对此，在优选的实施例中，所述压电传感网络包括：在所述上盖板101和所述下盖板102上各布置的至少两个压电传感器；以及在每一所述腹板(第一腹板103和第二腹板104)上各自布置的至少一个压电传感器。其中，所述上盖板101和所述下盖板102上各自的一个压电传感器作为触发传感器，且位于所述上盖板101、所述下盖板102或所述腹板上的其他压电传感器作为接收传感器。

举例而言，图2(a)和图2(b)分别是箱型结构的压电传感网络的正面布设图和背面布设图，其中的数字1-7表示布设的七个压电传感器。参考图2(a)和图2(b)，上盖板101布置压电传感器1和2，下盖板布置压电传感器3和4，腹板上布置传感器5、6、7，其中传感器1与3为触发传感器，由其产生激励信号，传感器2、4-7为接收传感器，其接收激励并做出不同的响应。

对于臂架的不同结构，压电传感器可组成N个网络和N条监测路径，盖板监测则相对简单，由传感器1、2或传感器3、4就组成其监测网络，分别为上盖板监测网络与下盖板监测网络；其他监测网络相对复杂，如1-2-4-6-5、1-3-4-6-5、1-2-4-7等监测网络等。每个监测网络由N条监测路径组成，图3为图2(a)和图2(b)的箱型结构所形成的1-2-4-6-5监测网络，易知该1-2-4-6-5监测网络由9条监测路径组成，以每一三角形为一个监测区域，可知该9条监测路径能实现各个区域的监测。据此，可知通过7个监测点可实现了箱型监测结构的4个面监测。

上述箱型结构例如是臂架中间段结构，臂架中间段结构相对简单，采用压电传感网络的监测范围大，可高达1.2-1.7m之间，而上述通过7个监测点实现了箱型监测结构的4个面监测的布设方式，非常适用于1.2-1.7m范围内的监测。但是，对于另一些臂架指定结构，例如臂架的臂头与臂尾结构，其形式较为复杂，一般由折弯板或加强板等拼焊而成，且此部分结构采用压电传感网络的监测范围一般在0.5-1m范围以内，从而需要根据其结构与受力特征布置压电传感网络，且根据其结构的复杂程度，传感网络的数量以及每个传感网络位置点的数量会有不同，但单个压电传感网络的监测点一般控制在4-7点左右。

本实用新型实施例中，所述监测机构200被配置为根据所述压电传感网络所采集臂架损伤信号来确定所述臂架的健康情况，即可理解为实现压电传感损伤监测算法。举例而言，所述监测机构200可被配置为执行以下操作：

1)计算所述压电传感网络中每条监测路径上的当前臂架损伤信号相对于对应的初始损伤信号的第一损伤变化特征值。其中，所述初始损伤信号是所述压电传感器在所述臂架工作前测得的损伤信号。

2)在所有第一损伤变化特征值等于零的情况下，确定所述臂架处于健康状态，否则根据所述第一损伤变化特征值及对应的监测路径参数确定所述臂架的损伤位置。

3)计算所述损伤位置对应的接收传感器相对于所述触发传感器的第二损伤变化特征值。

4)在所述第二损伤变化特征值大于或等于预设阈值时，确定所述臂架产生损伤，否则确定所述臂架处于健康状态。

下面通过示例具体介绍这四个步骤的实施，在该示例中，利用本实用新型实施例的监测机构200所执行的具体监测过程如下所示：

(1)在臂架工作前，获取每条监测路径(例如N条)的初始损伤信号θ₀(t)，此初始损伤信号指的是臂架结构在工作前测得的机械波响应信号。

(2)臂架工作一段时间后，获取每条监测路径当前损伤θ_t(t)，并计算第一损伤变化特征值：a(t)＝θ_t(t)-θ₀(t)。

(3)判断a(t)大小，若未有变化，则确定臂架处于健康状态，可以安全运行，继续循环步骤(2)，若大于零则进行损伤位置与损伤值的判定，进行后续监测。

(4)通过下式确定监测区域的损伤位置：

其中，A(x，y)是损伤变化值a(x，y)的傅里叶变换的幅值，A_ij(ω₀,t)为特定频率ω₀下第一损伤变化特征值a(t)傅里叶变换的幅值，ω₀为激励频率，a_ij为i作为激励、j接受到的损伤变化特征值(即响应信号)，R_r和R_t分别表示传感器i和j在x方向坐标系和y方向坐标系之间的距离(其中x、y针对平面上的坐标系(x，y))，c_g表示信号在结构中传输的速度。在此，对于这些参数，除第一损伤变化特征值a(t)之外，其余参数可统称为监测路径参数。

下面举例说明基于上式确定损伤位置的过程。假定网络内有4个监测点，则一个激励信号对应3个响应信号，通过上式确定这3个响应信号各自的损伤值的大小，其中A(x，y)最大的被认为可能的初始损伤位置，再根据这3个响应信号各自损伤值的特点，让另外一个监测点作为激励信号，重复看损伤值最大值的交叉位置，此位置就是损伤位置。

(5)根据路径确定最终的损伤值a_ij(t)。

举例而言，当确定位置后，计算此路径的损伤量，作为此空间的损伤值。

(6)判定结构是否处于健康状态：判断a_ij(t)与a_阈值之间的关系，若大于阈值则停止工作，对臂架进行监测与维护；若小于，则臂架处于健康状态，可以正常工作。

通过试验可知，本实用新型实施例二的臂架监测装置对损伤极为敏感，对臂架结构表面进行轻微按压(例如用大拇指按压)就可以监测到结构的变化，从而可以实现对损伤的精确定位。并且，本实用新型实施例二的臂架监测装置只需要采用较少的压电传感器，就可以对臂架受到的冲击/撞击、连接件松动、裂纹等损伤进行监测，且确定的损伤位置及损伤值的精度较高，即精确地实现了臂架损伤的定位、损伤值分析与确定。

实施例三

在实施例一的基础上，本实用新型实施例三提供了针对示例臂架指定结构应用光纤传感网络的臂架监测装置。其中，示例臂架指定结构仍然为图2(a)和图2(b)所示出的箱型结构，而所述光纤传感网络被布置为能够监测所述箱型结构的四个面

根据上述实施例二，可知实施例二的应用压电传感网络的臂架监测装置对于是否出现裂纹、连接件松动、冲击/断裂极为敏感，但是其难以精确的预估裂纹长度、结构的剩余寿命等，即压电传感网络的定量监测的精度略低。而本实用新型实施例三的臂架监测装置正好弥补了这一缺陷，其采用光纤传感网络，光纤传感网络的监测范围为400-800mm左右，可较精确地监测裂纹的扩展速率、结构的剩余寿命，以在臂架结构处于危险状态时发出报警信号，指导臂架的检测与维护。

对应于图2(a)和图2(b)的箱型结构，该实施例三中的光纤传感网络包括：相对于所述箱型结构的预设参考点，在每一腹板上靠近该腹板与对应上盖板或下盖板的交界处的位置上布置的至少一个光纤传感器；其中，同一腹板上的光纤传感器相串联以形成一个光纤传感网络，且形成的光纤传感网络通过统一接口输出监测的光波值，其中所述光波值用于示出所述臂架损伤信号。

举例而言，图4(a)和图4(b)分别是对应图2(a)和图2(b)的箱型结构的光纤传感网络的正面布设图和背面布设图，其中A1-A6以及B1-B6表示分别针对第一腹板103和第二腹板104布设的光纤传感器。参考图4(a)和图4(b)，A1、A2与B1、B2监测网络可实现上盖板101、起裂位置为上盖板101与腹板的交界处的监测，则对应的A2、A3与B2、B3监测网络也可实现上盖板101、起裂位置为上盖板101与腹板的交界处的监测。A4、A5与B4、B5监测网络或A5、A6与B5、B6监测网络实现对下盖板102、起裂位置为下盖板102与腹板的交界处的监测。其中，A1、A2、A4、A5(A2、A3、A5、A6)以及B1、B2、B4、B5(B2、B3、B5、B6)分别对第一腹板103和第二腹板104进行监测。其中，在臂架中间段布置1个参考点(图4(a)中的A_参考)，用于判定此时光纤传感网络监测结果的变化是因为裂纹(微小裂纹或冲击/撞击的损伤引起的)的增长还是结构受力的变化产生的影响。

进一步地，如图5所示，A1、A2、A3、A6、A5和A4相串联，各自监测的光波值通过一个统一的接口出线端输出。即，参考图5，对于串联式光纤传感网络，仅需一个接口出线端105，一个监测点为一个数据，通过多个监测点的计算可得出裂纹的扩展情况，从而对于整个光纤传感网络的6个信号(A1-A6)甚至更多的信号，仅需一个接口出线端就能实现多传感的输出。传统的采用应变片监测裂纹的方案，每个应变片都需要对应一个接口，开展大量的信号监测不方便，而本实用新型实施例则正好利用串联式光纤传感网络解决了这一问题。

此外，同实施例二相同，关于光纤传感网络的布设方式也包括光纤传感网络的数量和每个光纤传感网络中布设的光纤传感器的数量及位置等，其可根据具体需求确定。

本实用新型实施例中，所述监测机构200被配置为根据所述光纤传感网络所监测的光波值来确定所述臂架的健康情况，具体可包括执行以下几步的操作：

1)针对每一光纤传感网络，获取所述多个光纤传感器各自监测的光波值。

2)根据所述光波值确定裂纹变化因子，其中各个光纤传感器对应的光波值与所述裂纹变化因子之间具有第一函数关系。

以A1、A2和B1、B2的监测网络为例，A1、A2、B1、B2、A_参组成一监测网络，通过对5个参考点的评判，可确定裂纹长度l与监测点的光波值之间的关系，它们之间的关系用K—l表示，其中K为裂纹变化因子。裂纹变化因子K满足以下第一函数关系：

K＝μf(ρ_m,ρ_n,ρ_f,ρ_g,ρ_参)+b，

其中，A1光纤光波值对应的为ρ_m，A2对应的为ρ_n，B1对应的为ρ_f，B2对应的为ρ_g，μ和b为修正参数，ρ_参为参考点的光波值。

3)根据所述裂纹变化因子确定裂纹长度，其中所述裂纹变化因子与所述裂纹长度之间具有第二函数关系。

该示例中，大量试验与有限元仿真表明裂纹断裂因子K与裂纹长度l呈函数关系，此时满足第二函数关系：

l＝xf(K)+t，

其中，x和t为修正参数。据此，当确定断裂因子K就可反推裂纹长度l。

4)根据所述裂纹长度，计算臂架损伤值，其中所述裂纹长度与所述臂架损伤值之间具有第三函数关系。

由上述裂纹变化因子K的变化来确定裂纹长度l，而光纤监测网络监测的臂架损伤值与裂纹长度l衡量。以臂架上盖板为例，臂架的损伤值a(t)与裂纹长度l满足第三函数关系：

a(t)＝kf(l_t(t)、b、N_u)+w

其中，上盖板的宽度为b，N_u为臂架工作时间(使用寿命)，l_t(t)为随着时间(循环次数)的变化的裂纹长度，k和w为修正参数。

5)根据所述臂架损伤值确定所述臂架的健康情况。

举例而言，判定a(t)与a_阈值之间的关系，若大于阈值，则确定臂架处于非健康状态，停止工作，对其进行监测与维护；若小于，则确定臂架处于健康状态，可正常工作。

6)根据所述臂架损伤值确定所述臂架的剩余寿命，其中所述臂架损伤值与所述臂架的剩余寿命之间具有第四函数关系。

举例而言，臂架结构的剩余寿命N_f与裂纹扩展速率有关dl/dN有关，其具体值可以通过损伤值进行转换，假定设计寿命为Nt，则满足以下第四函数关系：

其中D为臂架的总的损伤值，在0.4-1之间选择。

进一步地，根据所计算剩余寿命，若显示剩余寿命低于示出臂架处于危险状态的阈值，则进行报警，并指导臂架的检测与维护。

结合从1)-6)的步骤，监测机构200进行的具体监测过程如下所示：

(1)初步预警判定及监测时间步长的确定：若裂纹变化因子大于设定的阈值，根据对应的光波值判断裂纹原因是否与实际情况吻合；在所述裂纹原因与所述实际情况相吻合的情况下，根据所述光波值确定对应光纤传感器的监测时间步长。

举例而言，监测参考点的光波值，判断其大小，若裂纹变化因子较大，判断是否与实际情况吻合；若吻合，继续作业，若不吻合停止作业。

其中，根据对应的光波值判断裂纹原因是否与实际情况吻合包括：针对每一光纤传感网络，根据各个光纤传感器各自监测的光波值与该光纤传感网络中的参考点对应的光纤传感器的光波值的比较结果，判断裂纹原因是裂纹长度增长还是结构受力变化。其中，结构受力变化表明是因为外部载荷大而使得裂纹变化因子增大，而裂纹长度增长表明可能已出现较大的损伤而使得裂纹变化因子的值变大。

进一步地，关于确定监测时间步长，举例而言，初步预警判定通过后，若参考点的值大，则臂架受力大，监测时间步长短；若参考点的值小，则臂架受力小，监测时间步长较长。进一步举例，若确定臂架受力大，则将原定的光纤传感网络四小时监测一次修改为两小时监测一次，以适应实际情况。据此，这里的实际情况可理解为裂纹变化因子较大究竟是因为外部载荷大的原因，还是已出现较大的损伤(裂纹长度增长)的原因，若是后者，则被视为对应的光波值判定裂纹原因与实际情况吻合。

(2)报警诊断方法的判定过程：在获得臂架损伤值之后，可在所述臂架损伤值小于设定的阈值时，根据所述臂架损伤值调整对应光纤传感器的下一次监测时间步长。

举例而言，若损伤值a(t)大(例如大于阈值)，臂架停止作业；损伤值a(t)小，臂架继续作业。根据a(t)的大小，调整下一次的监测时间步长。例如，a_i(t)与上一次的a_i-1(t)进行比较，若差值大，则将数值的变化值与关于监测时长的特定参数表比对，可能从常规的每监测时长2h计算一次，改为每监测时长1h计算一次。

(3)根据第(2)步的结果，调整第(1)步的监测时间步长，再进行第(2)步的判断，循环进行。

(4)设备停止运行重新启动或姿态调整后，需从第(1)步重新开始初步预警判定。

(5)判定结构是否处于安全状态：a(t)与a_阈值之间的关系，若大于阈值则停止工作，对其进行监测与维护；若小于，则运行步骤(1)，臂架正常工作。

综上，本实用新型实施例的臂架监测装置采用光纤传感网络，当损伤达到一定程度，甚至出现微小裂纹后，可较精确对臂架的裂纹长度和剩余寿命进行估算，从而为臂架检测和维护周期提供定量的方案。

实施例四

实施例二和实施例三各自采用压电传感网络和光纤传感网络构建臂架监测装置，各有其优点，例如实施例三利用光纤传感网络对裂纹扩展的监测精度比实施例二利用压电传感网络要高，且实施例二的在线实时监测性不好，其更适用于采用定期监测的方式。再例如，实施例二利用压电传感网络对于是否出现裂纹、连接件松动、冲击/断裂极为敏感，也就是其对损伤定位十分敏感，但是其难以精确的预估裂纹长度，结构的剩余寿命，也就是其定量监测的精度略低，而实施例三利用光纤传感网络正好能弥补这一缺陷，用以加强监测装置的诊断能力。

另外，臂架在实际使用过程中长期受到振动、冲击等作用，受力形式极为复杂。对于不同的工程机械，臂架开裂的位置略有不同，有些集中在臂架与臂架连接的头部或尾部等，有些集中在臂架中间段，甚至有些各部位都是风险点，对于不同的形式需要有不同的传感网络形式。并且，工程机械设备一般为长臂架，其长度在几米到十几米之间，基本很难实现全臂架的健康状况监测。

因此，本实用新型实施例四提出了集成实施例二和实施例三的实用新型思路的方案，出于提高监测装置的安全性和精确性的目的，在臂架上同时布置光纤传感网络和压电传感网络，以便为臂架的实时检测与维护提供更精确的指导。

其中，关于压电传感网络和光纤传感网络的实施细节，可分别参考实施例一至实施例三，在此则不再进行赘述。但是，压电传感网络和光纤传感网络的布设方式在该实施例四可综合进行考虑，例如综合图2(a)和图2(b)的箱型结构的压电传感网络和图4(a)和图4(b)的串联式光纤传感网络，可在压电传感网络中，布置光纤传感网络，得到的压电传感网络和光纤传感网络联合布设效果如图6(a)和图6(b)所示。另外，根据监测的实际需要，该联合布设还需要考虑压电传感网络和光纤传感网络各自的数量，例如在关键的监测区域内，可布置一套压电传感网络，布置两套光纤传感网络，在利用压电传感网络准确监测到结构出现微小的裂纹时，光纤传感网络监测启动，压电与光纤两种网络监测相联合以实现臂架结构安全的准确监测。

进一步，所述监测机构200被配置为用于执行以下操作：

1)获取所述压电传感网络在所述臂架工作中监测的臂架损伤信号。

2)根据所述臂架损伤信号确定所述臂架的损伤位置及对应的第一臂架损伤值。

优选地，该步骤可以包括：计算所述压电传感网络中每条监测路径上的当前臂架损伤信号相对于对应的初始损伤信号的第一损伤变化特征值，其中所述初始损伤信号是所述压电传感器在所述臂架工作前测得的损伤信号；在存在所述第一损伤变化特征值不为零的情况下，根据所述第一损伤变化特征值及对应的监测路径参数确定所述臂架的损伤位置；以及计算所述损伤位置对应的接收传感器相对于所述触发传感器的第二损伤变化特征值，并将该第二损伤变化特征值作为所述第一臂架损伤值。

具体的计算过程可参考实施例二的监测机构所执行的具体监测过程，在此则不再赘述。

3)在所述第一臂架损伤值达到所述光纤传感网络的预设启动值时，获取各个光纤传感器监测对应监测点的光波值。

举例而言，设所述光纤传感网络的预设启动值为a_启，则判断依赖于压电传感网络获得的第一臂架损伤值是否达到a_启，若达到，则启动光纤传感网络。

4)根据所述光波值确定包括裂纹变化因子及裂纹长度的臂架裂纹信号，并根据所述臂架裂纹信号计算第二臂架损伤值。

参考实施例三，该步骤具体可以包括：根据所述光波值确定裂纹变化因子，其中各个光纤传感器对应的光波值与所述裂纹变化因子之间具有第一函数关系；根据所述裂纹变化因子确定裂纹长度，其中所述裂纹变化因子与所述裂纹长度之间具有第二函数关系；以及根据所述裂纹长度，计算所述第二臂架损伤值，其中所述裂纹长度与所述第二臂架损伤值之间具有第三函数关系。

优选地，在计算出所述第二臂架损伤值之后，还可根据所述第二臂架损伤值确定所述臂架的剩余寿命，其中所述第二臂架损伤值与所述臂架的剩余寿命之间具有第四函数关系。

更为优选地，所述监测机构200还被配置为用于：根据所述第二臂架损伤值与设定安全阈值的比较结果，控制所述臂架的动作。举例而言，当第二臂架损伤值达到设定安全阈值，则停止臂架运动。

涉及上述四个函数关系的具体的计算过程可参考实施例三的监测机构所执行的具体监测过程，在此则不再赘述。

压电传感网络对损伤极为敏感，可以对损伤进行精确定位。当损伤达到一定程度，甚至出现微小裂纹后，需对裂纹长度和结构剩余寿命进行精确估算时，此时光纤传感网络的优势变得明显，它可较精确对结构的剩余寿命进行估算，对臂架检测和维护周期提供定量的方案。因此，本实用新型实施例四的臂架监测装置因发挥各种传感网络优势，其监测效率明显提高，可靠性显著提升。

进一步地，本实用新型实施例四的压电传感与光纤传感联合的监测装置，先以压电监测为主，判断臂架是否受到撞击/冲击、连接机构是否松动；对于螺栓松动，通过拧紧处理；对于臂架的撞击/冲击部位，将作为后续重点关注对象；随着臂架持续运行，臂架出现微小缺陷，损伤增大，当缺陷/裂纹增长至0.5-2mm时，此时的损伤值a_启作为光纤监测装置的启动信号，后续压电与光纤监测联合监测，光纤传感网络作为主要的监测网络。

另外，由于光纤传感器与压电传感器存在不同的监测原理，在一次监测活动中可以发挥各种传感器的优势，从而可在同一个终端上监测臂架结构的多种数据，由监测机构经由预设规则对监测目标进行综合诊断、损伤评估。需说明的是，不同的传感器之间可使用网络接口互连，且也可以远程控制传感器采集数据，实现远程监控，提高监测效率。本实用新型实施例四将不同的传感器进行网络集成，构成的臂架监测装置在功能上强于使用单一传感器的监测系统，且扩展方便。

综上，本实用新型实施例四的臂架监测装置，采用压电传感和光纤传感联合监测技术，利用不同的监测技术的优势对臂架结构进行监测，形成优势互补，其监测效率明显提高，可靠性显著提升。

本实用新型其他实施例还提供了一种工程机械，该工程机械包含根据实施例一至实施例四中的任意一者的臂架监测装置。其中，所述工程机械例如是起重机、挖掘机等。

以上结合附图详细描述了本实用新型实施例的可选实施方式，但是，本实用新型实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型实施例的技术构思范围内，可以对本实用新型实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。

Claims (12)

1.一种臂架监测装置，其特征在于，该臂架监测装置包括：

布设于臂架指定结构上的不同监测点的多个传感器，其中每一传感器用于采集臂架损伤信号，且所述多个传感器被选择性地电性连接以形成针对所述臂架指定结构的传感网络；以及

监测机构，与所述传感网络电性连接，用于从所述传感网络获取所述臂架损伤信号以进行数据处理，并输出经数据处理后的臂架健康结果。

2.根据权利要求1所述的臂架监测装置，其特征在于，所述传感器为压电传感器和/或光纤传感器，且对应形成的传感网络为压电传感网络和/或光纤传感网络。

3.根据权利要求2所述的臂架监测装置，其特征在于，形成所述压电传感网络的多个压电传感器中包括：

触发传感器，被配置为发出激励信号；以及

接收传感器，被配置为响应于所述激励信号而输出监测的机械波，其中所述机械波用于示出所述臂架损伤信号；

其中，所述触发传感器与所述接收传感器能够相互转换。

4.根据权利要求2所述的臂架监测装置，其特征在于，形成所述光纤传感网络的多个光纤传感器相串联并通过统一接口输出监测的光波值，其中所述光波值用于示出所述臂架损伤信号。

5.根据权利要求2所述的臂架监测装置，其特征在于，在所述臂架指定结构是由上盖板、下盖板以及形成在所述上盖板和所述下盖板之间的两个腹板形成的箱型结构；

并且，所述压电传感网络和/或所述光纤传感网络被布置为能够监测所述箱型结构的四个面。

6.根据权利要求5所述的臂架监测装置，其特征在于，所述压电传感网络包括：

在所述上盖板和所述下盖板上各布置的至少两个压电传感器；以及

在每一所述腹板上各自布置的至少一个压电传感器；

其中，所述上盖板和所述下盖板上各自的一个压电传感器作为触发传感器，且位于所述上盖板、所述下盖板或所述腹板上的除被作为所述触发传感器的压电传感器之外的压电传感器作为接收传感器；

其中，所述触发传感器被配置为发出激励信号，所述接收传感器被配置为响应于所述激励信号而输出监测的机械波，其中所述机械波用于示出所述臂架损伤信号。

7.根据权利要求6所述的臂架监测装置，其特征在于，所述压电传感网络包括：

在所述上盖板上布置的第一压电传感器和第二压电传感器；

在所述下盖板上布置的第三压电传感器和第四压电传感器；

在所述腹板上布置的第五压电传感器、第六压电传感器和第七压电传感器；

其中，所述第一压电传感器和所述第三压电传感器为所述触发传感器，所述第二压电传感器、所述第四压电传感器、所述第五压电传感器、所述第六压电传感器以及所述第七压电传感器为所述接收传感器。

8.根据权利要求5所述的臂架监测装置，其特征在于，所述光纤传感网络包括：

相对于所述箱型结构的预设参考点，在每一腹板上靠近该腹板与对应上盖板或下盖板的交界处的位置上布置的至少一个光纤传感器；

其中，同一腹板上的光纤传感器相串联以形成一个光纤传感网络，且形成的光纤传感网络通过统一接口输出监测的光波值，其中所述光波值用于示出所述臂架损伤信号。

9.根据权利要求8所述的臂架监测装置，其特征在于，所述两个腹板为第一腹板和第二腹板，且所述光纤传感网络包括：

布置在所述第一腹板上的六个光纤传感器，其中三个光纤传感器靠近该第一腹板与所述上盖板的交界处，另外三个光纤传感器靠近该第一腹板与所述下盖板的交界处；以及

布置在所述第二腹板上且的六个光纤传感器，其中三个光纤传感器靠近该第二腹板与所述上盖板的交界处，另外三个光纤传感器靠近该第二腹板与所述下盖板的交界处；

其中，所述第一腹板和所述第二腹板上各自的六个光纤传感器相串联并分别通过统一接口输出监测的光波值。

10.根据权利要求2所述的臂架监测装置，其特征在于，所述压电传感网络和/或所述光纤传感网络内置于粘附于所述臂架指定结构的外表面的预设材料层中，以与所述臂架指定结构形成为一体。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的臂架监测装置，其特征在于，所述监测机构是控制器或工控机。

12.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包含根据权利要求1-11中任一项权利要求所述的臂架监测装置。

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