一种磁力效应相控阵信号采集结构、系统及方法

摘要

本发明公开了一种磁力效应相控阵信号采集结构、系统及方法，磁力效应相控阵信号结构包括采集传感器组件；采集传感器组件包括三个相互垂直相互衔接的固定面，三个固定面的内壁上分别设置有一个采集传感器单元，采集传感器单元采用磁力效应感应传感器。磁力效应相控阵信号采集系统，采用多个上述任意一项所述的采集传感器组件，阵列排布设置在构件的待监测部位，将待监测部位的截面表面包裹。能够提高应力变化状态的监测采集精度。

权利要求

1.一种磁力效应相控阵信号采集方法，其特征在于，包括采集结构和采集系统

采集结构包括采集传感器组件（2）；

采集传感器组件（2）包括三个相互垂直相互衔接的固定面，三个固定面的内壁上分别设置有一个采集传感器单元（1），采集传感器单元（1）采用磁力效应感应传感器；

采集传感器组件（2）在每个固定面的其中一个侧壁上均设置有支架插槽，在相对侧的侧壁上设置有支架插板（3）；

采集系统采用采集传感器组件（2），阵列排布设置在构件的待监测部位，将待监测部位的截面表面包裹；

每个采集传感器组件（2）中的每个采集传感器单元（1）依次连接有第一信号放大器（6）、第二信号放大器（7）、模数转换器ADC（8）、微控制单元MCU（9）、模数转换器A/D（10）和下位机（12）；

采集方法过程为：采集传感器组件（2）采集构件在受力过程中被待监测部位的拉、压、弯、剪、扭作用条件下的应力变化引起的磁场变化产生的信号，以及采集传感器组件（2）上传感器的采集传感器单元（1）的空间位置信息，数据经过模数转换器ADC（8），经过微控制单元MCU（9）进行相差处理，再经过模数转换器A/D（10）将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号后，传输至下位机（12）中，下位机（12）根据采集到数据的相位差来确定阵列监测处由磁场随时间变化引起采集传感器单元（1）内电流变化的空间场分布，结合采集传感器组件（2）的空间位置信息，进一步通过法拉第电磁感应原理得到构件截面各位置点处X、Y、Z方向的磁性变化分布云图；再根据磁力效应原理得出截面被测位置应力的实时变化云图。

2.根据权利要求1所述的磁力效应相控阵信号采集方法，其特征在于，采集传感器单元（1）包括外壳和内骨架，外壳和内骨架均采用工程塑料制成。

3.根据权利要求1所述的磁力效应相控阵信号采集方法，其特征在于，采集传感器组件（2）上的每个固定面上均设置有一个数据插槽（4），三个数据插槽（4）分别与三个采集传感器单元（1）一一对应连接。

4.根据权利要求1所述的磁力效应相控阵信号采集方法，其特征在于，模数转换器A/D10和下位机（12）之间采用有线/无线传输模块（11）连接。

说明书

一种磁力效应相控阵信号采集结构、系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于应力采集分析领域，涉及一种磁力效应相控阵信号采集结构、系统及方法。

背景技术

[0002] 目前，土木工程钢结构结构的工程技术领域的异型截面应力检测。当前只有传统的应变片来监测构件在受力过程中的应力变化状态，传统应变片受到环境、粘接基材、使用寿命、连接导线、温度补偿、应变数据采集等多因素的限制，往往采集的数据准确度不高，对后续的研究造成限制。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种磁力效应相控阵信号采集结构、系统及方法，能够提高应力变化状态的监测采集精度。

[0004] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0005] 一种磁力效应相控阵信号采集结构，包括采集传感器组件；

[0006] 采集传感器组件包括三个相互垂直相互衔接的固定面，三个固定面的内壁上分别设置有一个采集传感器单元，采集传感器单元采用磁力效应感应传感器。

[0007] 优选的，采集传感器单元包括外壳和内骨架，外壳和内骨架均采用工程塑料制成。

[0008] 优选的，采集传感器组件在每个固定面的其中一个侧壁上均设置有支架插槽，在相对侧的侧壁上设置有支架插板。

[0009] 优选的，采集传感器组件上的每个固定面上均设置有一个数据插槽，三个数据插槽分别与三个采集传感器单元一一对应连接。

[0010] 一种磁力效应相控阵信号采集系统，采用多个上述任意一项所述的采集传感器组件，阵列排布设置在构件的待监测部位，将待监测部位的截面表面包裹。

[0011] 优选的，每个采集传感器组件中的每个采集传感器单元依次连接有第一信号放大器、第二信号放大器、模数转换器ADC、微控制单元MCU、模数转换器A/D和下位机。

[0012] 优选的，模数转换器A/D10和下位机之间采用有线/无线传输模块连接。

[0013] 一种基于上述任意一项所述磁力效应相控阵信号采集系统的采集分析方法，采集传感器组件采集构件在受力过程中被待监测部位的拉、压、弯、剪、扭作用条件下的应力变化引起的磁场变化产生的信号，以及采集传感器组件上传感器的采集传感器单元的空间位置信息，数据经过模数转换器ADC，经过微控制单元MCU进行相差处理，再经过模数转换器A/D将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号后，传输至下位机中，下位机根据采集到数据的相位差来确定阵列监测处由磁场随时间变化引起采集传感器单元内电流变化的空间场分布，结合采集传感器组件的空间位置信息，进一步通过法拉第电磁感应原理得到构件截面各位置点处X、Y、Z方向的磁性变化分布云图；再根据磁力效应原理得出截面被测位置应力的实时变化云图。

[0014] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0015] 本发明所述结构利用法拉第电磁原理，通过磁场变化能产生电流，从而能够不受外界因素影响，准确采集构件在力作用下的磁场变化，从而能够得到相应的应力变化状态，提高采集精度，性能稳定。

[0016] 进一步，采用工程塑料制成外壳和内骨架，从而能够减小采集传感器单元的内径和厚度。

[0017] 进一步，采集传感器组件设置支架插槽和支架插板，方便进行多个采集传感器组件之间的组装拼接，方便进行监测部位的覆盖。

[0018] 钢结构主要受力试件在外力作用下，会受到拉、压、弯、剪、扭等作用，截面在作用下会产生不同应力分布。本发明所述系统，通过使用多个采集传感器组件将待监测部位的截面表面包裹，组成空间相控系统，从而能够不受外界因素影响，准确采集构件待监测部位在力作用下的磁场变化，从而能够得到相应的应力变化状态，提高采集精度，性能稳定。

[0019] 本发明所述方法经过多个采集传感器组件采集到构件受力过程中构件表面的磁场变化分布信息，经模数转换器ADC转化，经过微控制单元MCU进行相控数据处理分析后，经过模数转换器A/D接入下位机，最终能够在处理后得到被测构件监测位置的实时应力分布图，对构件的应变变化状态分析提供数据支撑。

附图说明

[0020] 图1为本发明的采集传感器单元平面示意图；

[0021] 图2为本发明的采集传感器单元立面示意图；

[0022] 图3为本发明中采集传感器组件结构构造示意图；

[0023] 图4为本发明中采集传感器组件内部立面图；

[0024] 图5为本发明中采集传感器组件内部左视图；

[0025] 图6为本发明中采集传感器组件内部俯视图；

[0026] 图7为本发明中多个采集传感器组件组装示意图；

[0027] 图8为本发明中采集系统示意图；

[0028] 图9为本发明中采集系统平面布置立面图；

[0029] 图10为本发明中相控数据处理原理图；

[0030] 图11为本发明中数据处理示意图；

[0031] 图12为本发明中轴向受力板信号采集分析应用案例；

[0032] 图13为本发明中钢结构梁信号采集系统布置案例；

[0033] 图14为本发明中图13的剖面布置示意图。

[0034] 其中：1‑采集传感器单元；2‑采集传感器组件；3‑支架插板；4‑数据插槽；5‑采样电阻；6‑第一信号放大器；7‑第二信号放大器；8‑模数转换器ADC；9‑微控制单元MCU；10‑模数转换器A/D；11‑有线/无线传输模块；12‑下位机。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

[0037] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0038] 如图1‑3所示，为本发明所述的磁力效应相控阵信号采集结构，包括采集传感器组件2。

[0039] 如图4‑6所示，采集传感器组件2包括三个相互垂直相互衔接的固定面，三个固定面按照X、Y和Z三个方向设置，三个固定面的内壁上分别设置有一个采集传感器单元1。

[0040] 如图1‑2所示，采集传感器单元1采用磁力效应感应传感器。铜芯漆包线缠绕数根据信号采集灵敏度确定；工程塑料外壳内置导线通道，接插入式数据传输接口。内置对接带线连接器，连接导线端头设置接插件。

[0041] 采集传感器单元1内的接插入式数据传输接口采用直针座，采集传感器组件2上的每个固定面上均设置有一个数据插槽4，三个数据插槽4分别与三个采集传感器单元1一一对应，直针座与数据插槽4输入端连接。

[0042] 采集传感器单元1包括外壳和内骨架，外壳和内骨架均采用工程塑料制成，采集传感器单元1的直径和厚度根据采集信号需要功率确定。

[0043] 采集传感器组件2在每个固定面的其中一个侧壁上均设置有支架插槽，在相对侧的侧壁上设置有支架插板3，放便进行多个采集传感器组件2之间的组装拼接，方便进行监测部位的覆盖。

[0044] 如图7‑9所示，为本发明所述的磁力效应相控阵信号采集系统，采用多个采集传感器组件2，阵列排布设置在构件的待监测部位，将待监测部位的截面表面包裹，每个采集传感器组件2连接有数据处理系统。采用排插式阵列模块扩展，在横向和纵向方向扩展采集传感器组件2。阵列布置与被监测构建结构截面的形式有关，根据被监测构建结构截面形状和受力特点进行扩展排布，实际位置信息对应相控阵信号源。

[0045] 如图13‑14所示，本实施例以工字钢结构为例，将工字钢的特定部位的翼板和缘板表面包裹。

[0046] 如图10‑11所示，采集传感器组件2与数据处理系统连接的具体方式为：每个采集传感器组件2中的每个采集传感器单元1依次连接有第一信号放大器6、第二信号放大器7、模数转换器ADC8、微控制单元MCU9、模数转换器A/D10和下位机12，下位机12采用电脑PC，模数转换器A/D10和下位机12之间采用有线/无线传输模块11连接。采集传感器单元1与第一信号放大器6之间并联有采样电阻5。微控制单元MCU9内置有相控数据处理模块。

[0047] 基于上述的磁力效应相控阵信号采集系统的采集分析方法，包括以下过程：

[0048] 采集传感器组件2根据受力构件截面，分布在钢结构截面的各个位置，组成空间相控的信号采集系统；钢结构主要受力试件在外力作用下，会受到拉、压、弯、剪、扭等作用，截面在作用下会产生不同应力分布，如图12所示，为轴向受力的情况。

[0049] 根据采集传感器组件2上传感器的采集传感器单元1的空间位置信息以及各采集传感器单元1实时采集到的数据信号，通过采样电阻5使输出的电压保持恒定状态。分别经过第一信号放大器6和第二信号放大器7后，数据信号经过模数转换器ADC8转换，再经过微控制单元MCU9内的相控数据处理模块进行相差处理，得到电流信号后，再经过模数转换器A/D10，将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，然后通过有线/无线传输模块11传输至下位机12中，下位机12根据采集到数据的相位差来确定监测点处由磁场随时间变化引起采集传感器单元1内电流变化的空间场分布，结合采集传感器组件2空间位置信息，进一步通过法拉第电磁感应原理得到截面各位置点处X、Y、Z方向的磁性变化分布云图；再进一步根据磁力效应原理得出截面被测位置应力的实时变化云图。

[0050] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0051] 应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。