一種應力分布監測裝置及方法
【專利摘要】一種應力分布監測裝置及方法，其監測裝置主要由壓電纖維、動態信號放大器、電荷放大器、信號采用保持電路、多路模擬開關、A/D轉換器和微處理器構成，其監測方法是將多根壓電纖維交叉分布成網在需要檢測的結構部件上，感知結構部件受力變形產生的壓電信息，通過交叉纖維的信息處理，確定結構部件的應力分布。這種監測方法能夠實時分析機械及其它結構部件的應力分布，對避免結構受力過大而斷裂具有重要的意義。
【專利說明】一種應力分布監測裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種應力分布監測裝置及方法，尤其適用于檢測械或機械結構部件的 應力變化使用。

【背景技術】
[0002] 目前機械或其它結構部件的應力監測通常采用應變傳感器，監測的信息往往反應 整個機械部件的變形，無法精確了解結構部件的最大應變和部位、以及整個結構部件的應 力分布，這對于機械部件的受力分析是非常重要的。通過機械部件的應力分布，可以發現受 力的不均勻性，為結構部件的結構改造提供依據；通過結構部件的最大應力分析，可以為采 掘機械裝備的控制提供關鍵信息，避免受力過大而發生斷裂事故。而目前的各種應力監測 方法都無法達到此要求。
[0003] 目前應力分布檢測的技術主要有磁檢測方法（ZL01143445. 7)，利用鐵磁性材料表 面磁場強度變化來側量其內部的應力分布。這種檢測方法存在的缺點主要有兩點。第一檢 測對象必須限于鐵磁性材料，無法檢測非鐵磁性材料的結構；第二檢測信號極容易受到環 境電磁干擾，影響檢測的可靠性。


【發明內容】

[0004] 技術問題：本發明的目的是針對已有技術中存在的問題，提供一種結構簡單，使用 方便，可以機械結構部件的應力分布情況，且不受電磁干擾的應力分布監測裝置及方法。
[0005] 技術方案：為實現上述目的，本發明的應力分布監測裝置，包括多路模擬開關、與 多路模擬開關兩連接的多個壓力感應器，A/D轉換器和微處理器，所述壓力感應器包括壓電 纖維、輸出跟隨器、電荷放大器、微分器和信號采用保持電路，其中壓電纖維設置于被測裝 置上，壓電纖維一端接地，一端與輸出跟隨器相連接，輸出跟隨器的輸出端分別與電荷放大 器和微分器的輸入端相連接，電荷放大器和微分器的輸出端分別與兩個信號采用保持電路 的輸入端相連接，兩個信號采用保持電路的輸出端分別與多路模擬開關的輸入端相連接， 所述多路模擬開關的輸出端順序與A/D轉換器和微處理器相連接。
[0006] 所述的輸出跟隨器由運算放大器和電阻Rl構成，運算放大器的通向輸出端上設 有電阻R1，反向輸出端與輸出端串聯，Rl取值為l〇〇k，運算放大器型號為ADA4891 ;所述的 電荷放大器由運算放大器和電阻R2、電阻R3和電容Cl構成；其中運算放大器的反向輸入 端上分別連接有電阻R2、電阻R3和電容Cl的一端，電阻R2和電容Cl的另一端與運算放大 器的輸出端相連接，運算放大器的正相輸入端接地電位，電阻R2取值10k，電阻R3取值1G， 電容Cl取值100p，運算放大器型號為ADA4891 ;所述的微分器由運算放大器、電阻R4和電 容C2,其中微分器的輸入端通過電容C2接運算放大器的反相輸入端，電阻R4作為負反饋 元件，電阻R4兩端分別接運算放大器的反相輸入端和輸出端，運算放大器的正相輸入端接 地，電阻R4取值100k，電容C2取值0. 22uF，運算放大器型號為ADA4891。
[0007] 使用上述裝置的應力分布監測方法，包括如下步驟：
[0008] a、將多個壓力感應器中的壓電纖維分為橫向壓電纖維與縱向壓電纖維相互交叉 成壓電纖維網設置在被測物品上，當被測物品應力變化時，輸出跟隨器將檢測到壓電纖維 上的應力變化信息分別輸入電荷放大器和微分器，此時電荷放大器輸出靜態電荷信號，微 分器輸出電荷變化動態信號；
[0009] b.每個壓力感應器均將采集到的壓電纖維上的電荷變化動態信號和靜態電荷信 號通過信號采用保持電路輸入到多路模擬開關，并通過多路模擬開關的通道，將采集的信 號經由A/D轉換器從模擬信號轉換為數字信號后發送到微處理器中；
[0010] c.微處理器將橫向放置的壓電纖維發送的信號歸為橫向壓電纖維信號，將縱向放 置的壓電纖維發送的信號歸為縱向壓電纖維信號；
[0011]d.微處理器將橫向壓電纖維的電荷變化動態信號依次與縱向壓電纖維的電荷變 化動態信號進行矢量加法運算，將結果從大到小依次排列；將橫向壓電纖維的靜態電荷信 號依次與縱向壓電纖維的靜態電荷信號進行矢量加法運算，將結果從大到小依次排列；
[0012] e、將采集的橫向壓電纖維的信號與縱向壓電纖維的信號的進行求矢量和，得到橫 向壓電纖維的信號與縱向壓電纖維交叉點處的應變數值，其中兩個電荷動態信號矢量之和 表示交叉點的動態應變數值，兩個靜態電荷信號的矢量之和表示交叉點的靜態應變數值； 依此，即可得到交叉設置的壓電纖維上橫向放置的壓電纖維與縱向放置的壓電纖維交叉點 處的動態應變數值和靜態應變數值組；
[0013]F、微處理器通過將得到的動態應變數值和靜態應變數值組數值進行比較，從而選 取出這個壓電纖維分布區域的最大動態應變數值和靜態應變數值，判斷此點為被測物品在 壓電纖維網中受力結構的最大應變點，將最大應變點的數值與預設值比較，從而判斷出壓 電纖維網是否受力過大。
[0014] 使用簡單插值方法可以根據壓電纖維分布網絡交叉點處的動態應變數值和靜態 應變數值組計算得到壓電纖維網絡分布區域的任何一點的應力分布值。
[0015] 有益效果：由于采用了上述技術方案，本發明采用壓電纖維組成分布網，通過壓 電纖維分布網檢測出被測物體應力變化分布，同時應力檢測結果不容易受到電磁環境的干 擾，可靠性好，可用于對整個結構應力分布進行實時監測，及時發現最大受力區域，同時適 合用于結構受力分布的合理性研究。主要優點是：抗干擾好，能夠精確監測被測部件的應力 分布，對應力異常部位進行準確定位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明的檢測裝置結構示意圖；
[0017] 圖2是本發明檢測裝置中的輸出跟隨器的電路示意圖；
[0018] 圖3是本發明檢測裝置中的電荷放大器的電路示意圖；
[0019] 圖4是本發明檢測裝置中的微分器的電路示意圖；
[0020] 圖5是本發明的壓電纖維布置示意圖。
[0021] 圖中，1-壓電纖維；2-輸出跟隨器；3-電荷放大器；4-微分器；5-信號采用保持電 路；6-多路模擬開關；7-A/D轉換器；8-微處理器；9-運算放大器。

【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對實施例做進一步說明：
[0023] 如圖1所示，一種應力分布監測裝置，包括多路模擬開關6、與多路模擬開關6兩 連接的多個壓力感應器，A/D轉換器7和微處理器8,所述壓力感應器包括壓電纖維1、輸出 跟隨器2、電荷放大器3、微分器4和信號采用保持電路5,其中壓電纖維1設置于被測裝置 上，壓電纖維1 一端接地，一端與輸出跟隨器2相連接，輸出跟隨器2的輸出端分別與電荷 放大器3和微分器4的輸入端相連接，電荷放大器3和微分器4的輸出端分別與兩個信號 采用保持電路5的輸入端相連接，兩個信號采用保持電路5的輸出端分別與多路模擬開關 6的輸入端相連接，所述多路模擬開關6的輸出端順序與A/D轉換器7和微處理器8相連 接，其中檢測電路僅針對一根壓電纖維的信號檢測，有若干根壓電纖維相互垂直交叉分布 排列，緊貼在被測結構部件上，每根壓電纖維的一端接地電位。信號采用保持電路5的型號 為AD9100 ;多路模擬開關6的型號為DG406 ;A/D轉換器7的型號為MAX197,微處理器8的 型號為80C196。
[0024] 如圖2所示，所述的輸出跟隨器2由運算放大器9和電阻Rl構成，運算放大器9 的通向輸出端上設有電阻R1，反向輸出端與輸出端串聯，Rl取值為l〇〇k，運算放大器9型 號為ADA4891。
[0025] 如圖3所示，所述的電荷放大器3由運算放大器9和電阻R2、電阻R3和電容Cl構 成；其中運算放大器9的反向輸入端上分別連接有電阻R2、電阻R3和電容Cl的一端，電阻 R2和電容Cl的另一端與運算放大器9的輸出端相連接，運算放大器9的正相輸入端接地電 位，電阻R2取值10k，電阻R3取值1G，電容Cl取值100p，運算放大器9型號為ADA4891。
[0026] 如圖4所示，所述的微分器4由運算放大器9、電阻R4和電容C2,其中微分器4的 輸入端通過電容C2接運算放大器9的反相輸入端，電阻R4作為負反饋元件，電阻R4兩端 分別接運算放大器9的反相輸入端和輸出端，運算放大器9的正相輸入端接地，電阻R4取 值100k，電容C2取值0. 22uF，運算放大器9型號為ADA4891。
[0027] 本發明的應力分布監測方法，具體步驟如下：
[0028]a、將多個壓力感應器中的壓電纖維1分為橫向壓電纖維與縱向壓電纖維相互交 叉成壓電纖維網設置在被測物品上，當被測物品應力變化時，輸出跟隨器2將檢測到壓電 纖維1上的應力變化信息分別輸入電荷放大器3和微分器4,每根壓電纖維的信號各有2 個，一是電荷變化動態信號，一是靜態電荷信號，此時電荷放大器3輸出靜態電荷信號，微 分器4輸出電荷變化動態信號；如圖5所不，壓電纖維xl的輸出有電荷變化動態信號dQxl 和靜態電荷信號Qxl ;
[0029] b.壓電纖維信號分為兩組，相互垂直交叉排列，緊貼在被監測的結構表面，每個壓 力感應器均將采集到的壓電纖維1上的電荷變化動態信號和靜態電荷信號通過信號采用 保持電路5輸入到多路模擬開關6,并通過多路模擬開關6的通道，將采集的信號經由A/D 轉換器7從模擬信號轉換為數字信號后發送到微處理器8中；
[0030] c.微處理器8將橫向放置的壓電纖維1發送的信號歸為橫向壓電纖維信號，將縱 向放置的壓電纖維1發送的信號歸為縱向壓電纖維信號；
[0031]d.微處理器8將橫向壓電纖維的電荷變化動態信號依次與縱向壓電纖維的電荷 變化動態信號進行矢量加法運算，如圖5，壓電纖維x3和壓電纖維y2的靜態電荷信號Qx3和 Qy2的矢量和為·+(?,/_，將結果從大到小依次排列;將橫向壓電纖維的靜態電荷信號 依次與縱向壓電纖維的靜態電荷信號進行矢量加法運算，如圖5中χ3和y2壓電纖維的靜 態電荷信號dQx3和dQy2的矢量和為+dQv22，再將結果從大到小依次排列；
[0032]e、將采集的橫向壓電纖維的信號與縱向壓電纖維的信號的進行矢量加法運算， 得到橫向壓電纖維的信號與縱向壓電纖維交叉點處的應變數值，其中兩個電荷動態信號 矢量之和表示交叉點的動態應變數值，兩個靜態電荷信號的矢量之和表示交叉點的靜態 應變數值；依此，即可得到交叉設置的壓電纖維1上橫向放置的壓電纖維1與縱向放置的 壓電纖維1交叉點處的動態應變數值和靜態應變數值組；圖5中a點的靜態應變數值為 +Qx22，a點的動態應變數值為^dQj+ClQvl2，依此，即可得到整個個壓電纖維分 布網絡交叉點處的動態應變數值和靜態應變數值。
[0033]F、微處理器8通過將得到的動態應變數值和靜態應變數值組數值進行比較，從而 選取出這個壓電纖維分布區域的最大動態應變數值和靜態應變數值，判斷此點為被測物品 在壓電纖維網中受力結構的最大應變點，將最大應變點的數值與預設值比較，從而判斷出 壓電纖維網是否受力過大。
[0034] 使用簡單插值方法可以根據壓電纖維分布網絡交叉點處的動態應變數值和靜態 應變數值組計算得到壓電纖維網絡分布區域的任何一點的應力分布值；如圖5中p點的應 力值可由4個網絡節點a、b、c和d對應的壓電纖維x3、x4、y2和y3計算得到。設p點在x3 和x4之間的位置相對x3和x4距離比為ζ，p點在y2和y3之間的位置相對y2和y3距離 比為S。則，p點的靜態應變數值可以計算：? +Qpv2 ,其中，匕+認4), 2.,,,.=汾I+CU。同樣，也可以計算出p點的動態應變數值。
【權利要求】
1. 一種應力分布監測裝置，其特征在于：它包括多路模擬開關（6)、與多路模擬開關 (6)兩連接的多個壓力感應器，A/D轉換器（7)和微處理器（8)，所述壓力感應器包括壓電 纖維（1)、輸出跟隨器（2)、電荷放大器（3)、微分器（4)和信號采用保持電路（5)，其中壓電 纖維（1)設置于被測裝置上，壓電纖維（1)一端接地，一端與輸出跟隨器（2)相連接，輸出跟 隨器（2)的輸出端分別與電荷放大器（3)和微分器（4)的輸入端相連接，電荷放大器（3)和 微分器（4)的輸出端分別與兩個信號采用保持電路（5)的輸入端相連接，兩個信號采用保 持電路（5)的輸出端分別與多路模擬開關（6)的輸入端相連接，所述多路模擬開關（6)的輸 出端順序與A/D轉換器（7)和微處理器（8)相連接。
2. 根據權利要求1所述的應力分布監測裝置，其特征在于：所述的輸出跟隨器（2)由運 算放大器（9)和電阻R1構成，運算放大器（9)的通向輸出端上設有電阻R1，反向輸出端與 輸出端串聯，R1取值為l〇〇k，運算放大器型號為ADA4891。
3. 根據權利要求1所述的應力分布監測裝置，其特征在于：所述的電荷放大器（3)由運 算放大器（9)和電阻R2、電阻R3和電容C1構成；其中運算放大器（9)的反向輸入端上分別 連接有電阻R2、電阻R3和電容C1的一端，電阻R2和電容C1的另一端與運算放大器（9)的 輸出端相連接，運算放大器（9)的正相輸入端接地電位，電阻R2取值10k，電阻R3取值1G， 電容C1取值100p，運算放大器型號為ADA4891。
4. 根據權利要求1所述的應力分布監測裝置，其特征在于：所述的微分器（4)由運算放 大器（9)、電阻R4和電容C2,其中微分器（4)的輸入端通過電容C2接運算放大器（9)的反 相輸入端，電阻R4作為負反饋元件，電阻R4兩端分別接運算放大器（9)的反相輸入端和輸 出端，運算放大器（9)的正相輸入端接地，電阻R4取值100k，電容C2取值0. 22uF，運算放 大器型號為ADA4891。
5. -種使用權利要求1所述裝置的應力分布監測方法，其特征在于包括如下步驟： a. 將多個壓力感應器中的壓電纖維（1)分為橫向壓電纖維與縱向壓電纖維相互交叉成 壓電纖維網設置在被測物品上，當被測物品應力變化時，輸出跟隨器（2)將檢測到壓電纖維 (1)上的應力變化信息分別輸入電荷放大器（3)和微分器（4)，此時電荷放大器（3)輸出靜 態電荷信號，微分器（4)輸出電荷變化動態信號； b. 每個壓力感應器均將采集到的壓電纖維（1)上的電荷變化動態信號和靜態電荷信 號通過信號采用保持電路（5)輸入到多路模擬開關（6)，并通過多路模擬開關（6)的通道， 將采集的信號經由A/D轉換器（7)從模擬信號轉換為數字信號后發送到微處理器（8)中； c. 微處理器（8)將橫向放置的壓電纖維（1)發送的信號歸為橫向壓電纖維信號，將縱 向放置的壓電纖維（1)發送的信號歸為縱向壓電纖維信號； d. 微處理器（8)將橫向壓電纖維的電荷變化動態信號依次與縱向壓電纖維的電荷變 化動態信號進行矢量加法運算，將結果從大到小依次排列；將橫向壓電纖維的靜態電荷信 號依次與縱向壓電纖維的靜態電荷信號進行矢量加法運算，將結果從大到小依次排列； e. 將采集的橫向壓電纖維的信號與縱向壓電纖維的信號的進行求矢量和，得到橫向壓 電纖維的信號與縱向壓電纖維交叉點處的應變數值，其中兩個電荷動態信號矢量之和表示 交叉點的動態應變數值，兩個靜態電荷信號的矢量之和表示交叉點的靜態應變數值；依此， 即可得到交叉設置的壓電纖維（1)上橫向放置的壓電纖維（1)與縱向放置的壓電纖維（1) 交叉點處的動態應變數值和靜態應變數值組； F、微處理器（8 )通過將得到的動態應變數值和靜態應變數值組數值進行比較，從而選 取出這個壓電纖維分布區域的最大動態應變數值和靜態應變數值，判斷此點為被測物品在 壓電纖維網中受力結構的最大應變點，將最大應變點的數值與預設值比較，從而判斷出壓 電纖維網是否受力過大。
6.根據權利要求5所述的應力分布監測方法，其特征在于：使用簡單插值方法可以根 據壓電纖維分布網絡交叉點處的動態應變數值和靜態應變數值組計算得到壓電纖維網絡 分布區域的任何一點的應力分布值。
【文檔編號】G01L1/16GK104458075SQ201410850516
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月31日 優先權日:2014年12月31日
【發明者】童紫原, 童敏明, 李猛 申請人:中國礦業大學