數(shù)字疲勞傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及健康監(jiān)測領(lǐng)域，具體是一種數(shù)字疲勞傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著大型結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕柔化以及結(jié)構(gòu)形式與功能的日趨復(fù)雜化，其耐久性日益受 到關(guān)注。例如，大跨度橋梁是處于十分復(fù)雜的環(huán)境下長期工作的，由于結(jié)構(gòu)和環(huán)境諸多未知 復(fù)雜因素的作用，把握橋梁結(jié)構(gòu)在營運期間的承載力和耐久性等十分重要。我國現(xiàn)行橋梁 設(shè)計規(guī)范缺乏對該類橋梁疲勞問題詳細規(guī)定，鋼或鋼-砼疊合梁斜拉橋、懸索橋的設(shè)計時常 忽視對疲勞問題的考慮。因此，目前的橋梁疲勞監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)外普遍認同 的大型橋梁損傷監(jiān)測方法是結(jié)合橋梁系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試技術(shù)、信號采集與分析 的試驗?zāi)B(tài)分析方法，或采用傳統(tǒng)的應(yīng)變計或其它傳感元件進行應(yīng)變信號的實時采集。由 于這些監(jiān)測技術(shù)固有的缺陷，監(jiān)測效果不佳。本發(fā)明的數(shù)字疲勞傳感器能長期安裝在結(jié)構(gòu) 上進行有效疲勞監(jiān)測，但大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)信號傳輸遠、環(huán)境干擾大，響應(yīng)門檻值高等因素，使 其測試精度大為降低。
[0003] 為此本發(fā)明首先設(shè)計了應(yīng)變倍增器，使傳感器靈敏度提高，解決了門檻值高的問 題;在傳感器上設(shè)計了數(shù)據(jù)采集卡，解決了數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)母蓴_與溫度補償?shù)葐栴}。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，發(fā)明了一種數(shù)字疲勞傳感器，機械結(jié)構(gòu)簡單，體 積小，具有較強的抗干擾能力、較高的轉(zhuǎn)換精度、可以消除溫度與非線性影響，并且可以進 行遠距離測量傳輸，容易組成測試網(wǎng)絡(luò)。
[0005] 本發(fā)明包括倍增器，倍增器上連接有采集卡，倍增器底部粘貼有疲勞計。
[0006] 所述的疲勞計為形成微觀Ni原子集聚體的箱狀康銅材料，從而使其具有最小電阻 率，并在常溫或低溫環(huán)境下保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
[0007] 所述的倍增器為弓形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，包括弓形彈性結(jié)構(gòu)及與弓開口處連接的彈性體 (如乙烯基橡膠體），彈性體尺寸比弓開口略小，在弓口彈性體回復(fù)力作用下處于預(yù)壓力狀 態(tài)。由于監(jiān)測結(jié)構(gòu)點應(yīng)變很小無法達到疲勞計進行累加的門檻值，倍增器可以放大結(jié)構(gòu)應(yīng) 變。
[0008] 弓形結(jié)構(gòu)應(yīng)變倍增器是由較厚的水平支臂和較薄的弓形中間部分線切割而成，變 形主要由弓的中間部分彎曲變形產(chǎn)生，兩端位移集中于弓形開口處。加強了倍增器結(jié)構(gòu)的 整體性，在制作和安裝過程中都簡單了很多，中間弓形結(jié)構(gòu)彎曲變形比水平支臂的軸向變 形大得多，通過水平支臂將兩端安裝腳之間的位移集中于弓形開口處，使得開口處的橡膠 彈性體上的應(yīng)變放大，粘貼在其上的疲勞計既可以承受拉應(yīng)變也可承受壓應(yīng)變工作;采用 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，從而保持可靠聯(lián)接。
[0009] 所述的采集卡裝有采集通道，其中有兩個采集通道與疲勞計組成半橋電路。由于 監(jiān)測點的易疲勞部分分布較分散，且與監(jiān)測站的距離一般很遠，且由于車輛的振動引起的 信號線傳輸電阻與分布電容變化對這種微弱信號傳輸干擾很大。這就造成采集的模擬信號 存在較強的干擾信號，且需要較多的信號線;采用數(shù)據(jù)采集卡將電阻變化直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號進行傳輸。
[0010]所述的采集卡采用片上系統(tǒng)ADUC845,片上系統(tǒng)集成有兩路獨立的高分辨率Σ-Δ 型A/D轉(zhuǎn)換器，8路模擬輸入通道，穩(wěn)壓電路，溫度采集電路，高精度低溫漂供橋電路與參考 電路?？梢圆杉O(jiān)測點溫度，由于溫度對疲勞計電阻的影響很大，采集到的溫度可以為溫度 對疲勞計電阻的影響進行修正。通過片上系統(tǒng)還可以對電橋的非線性修正提供依據(jù)。
[0011]所述的采集卡采用RS-485通訊接口，可以適應(yīng)長距離通訊。每個傳感器都有自己 的地址，易于組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);一根信號線上最大可以掛64只傳感器。
[0012] 本發(fā)明的數(shù)字疲勞傳感器與疲勞分析軟件結(jié)合即可計算出大型結(jié)構(gòu)的剩余壽命。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2為倍增器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明應(yīng)用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0017] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括疲勞計1.1，倍增器1.2和采集卡1.3及組成倍增器1.2 的水平支臂2.1、弓形體2.2、安裝腳2.3、橡膠彈性體2.4。
[0018] 弓形結(jié)構(gòu)應(yīng)變倍增器1.2是由較厚的水平支臂2.1和較薄的弓形體2.2中間部分線 切割而成，變形主要由弓形體2.2的中間部分彎曲變形產(chǎn)生，兩端位移集中于弓形開口處， 兩側(cè)水平支臂2.1-端有兩只安裝腳2.3;弓形開口填有乙烯基橡膠體即彈性體2.4,在彈 性體2.4上粘貼有兩片疲勞計1.1，在水平支臂2.1 -側(cè)下方粘貼另外兩片疲勞計1.1，在水 平支臂2.1另一側(cè)開槽，將采集卡1.3安裝在水平支臂2.1上。
[0019] 疲勞計是由特殊熱處理加工的康銅材料，制成箱狀的成品材料形成微觀Ni原子集 聚體，從而使其具有最小電阻率，并在常溫或低溫環(huán)境下保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在交變載荷作用下 位錯通過集聚體使其分解，從而電阻率變大，載荷卸除后電阻變化保留。電阻變化率與交變 應(yīng)變量和循環(huán)周次呈單調(diào)增非線性函數(shù)關(guān)系，這種微結(jié)構(gòu)相當穩(wěn)定，在_50°C~80°C范圍性 能不變。電阻累計值可達10% (1〇〇 Ω可變化到110 Ω )，精度優(yōu)于8%。本身的疲勞壽命比普 通應(yīng)變計高得多，適用于結(jié)構(gòu)疲勞長期監(jiān)測。如在Δ ε =4000με下，壽命大于3 X 105，比常用 結(jié)構(gòu)鋼的疲勞壽命高得多。但存在一個門檻值約為Α ε = 2000με，小于此值的交變應(yīng)變不產(chǎn) 生電阻累積效應(yīng)。
[0020] 大型工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷的交變應(yīng)變約為Δ ε=80με左右，疲勞計產(chǎn)生電阻累 積的門檻值約為Α ε = 2000με。為此設(shè)計了應(yīng)變倍增器，將表面應(yīng)變放大，使損傷載荷作用 下疲勞計產(chǎn)生疲勞響應(yīng)。數(shù)字疲勞傳感器使用的弓形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)變倍增器。它是由一弓 形彈性結(jié)構(gòu)及在弓開口處的乙烯基橡膠體組成的。乙烯基橡膠體尺寸比弓開口略小，弓形 彈性結(jié)構(gòu)兩端加力張開弓口后放入乙烯基橡膠體，乙烯基橡膠體在彈性體回復(fù)力作用下使 其處于預(yù)壓力狀態(tài)，再在側(cè)邊涂膠與弓體保持可靠聯(lián)接。其特點是：弓形結(jié)構(gòu)應(yīng)變倍增器是 由較厚的水平支臂和較薄的弓形中間部分線切割而成，變形主要由弓的中間部分彎曲變形 產(chǎn)生，兩端位移集中于弓形開口處。加強了倍增器結(jié)構(gòu)的整體性，在制作和安裝過程中都簡 單了很多，中間弓形結(jié)構(gòu)彎曲變形比水平支臂的軸向變形大得多，通過水平支臂將兩端安 裝腳之間的位移集中于弓形開口處，使得開口處的橡膠彈性體上的應(yīng)變放大，粘貼在其上 的疲勞計既可以承受拉應(yīng)變也可承受壓應(yīng)變工作;采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，從而保持可