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一种应力分布监测装置及方法
【专利摘要】一种应力分布监测装置及方法，其监测装置主要由压电纤维、动态信号放大器、电荷放大器、信号采用保持电路、多路模拟开关、A/D转换器和微处理器构成，其监测方法是将多根压电纤维交叉分布成网在需要检测的结构部件上，感知结构部件受力变形产生的压电信息，通过交叉纤维的信息处理，确定结构部件的应力分布。这种监测方法能够实时分析机械及其它结构部件的应力分布，对避免结构受力过大而断裂具有重要的意义。
【专利说明】一种应力分布监测装置及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应力分布监测装置及方法，尤其适用于检测械或机械结构部件的 应力变化使用。

【背景技术】
[0002] 目前机械或其它结构部件的应力监测通常采用应变传感器，监测的信息往往反应 整个机械部件的变形，无法精确了解结构部件的最大应变和部位、以及整个结构部件的应 力分布，这对于机械部件的受力分析是非常重要的。通过机械部件的应力分布，可以发现受 力的不均匀性，为结构部件的结构改造提供依据；通过结构部件的最大应力分析，可以为采 掘机械装备的控制提供关键信息，避免受力过大而发生断裂事故。而目前的各种应力监测 方法都无法达到此要求。
[0003] 目前应力分布检测的技术主要有磁检测方法（ZL01143445. 7)，利用铁磁性材料表 面磁场强度变化来侧量其内部的应力分布。这种检测方法存在的缺点主要有两点。第一检 测对象必须限于铁磁性材料，无法检测非铁磁性材料的结构；第二检测信号极容易受到环 境电磁干扰，影响检测的可靠性。


【发明内容】

[0004] 技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单，使用 方便，可以机械结构部件的应力分布情况，且不受电磁干扰的应力分布监测装置及方法。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明的应力分布监测装置，包括多路模拟开关、与 多路模拟开关两连接的多个压力感应器，A/D转换器和微处理器，所述压力感应器包括压电 纤维、输出跟随器、电荷放大器、微分器和信号采用保持电路，其中压电纤维设置于被测装 置上，压电纤维一端接地，一端与输出跟随器相连接，输出跟随器的输出端分别与电荷放大 器和微分器的输入端相连接，电荷放大器和微分器的输出端分别与两个信号采用保持电路 的输入端相连接，两个信号采用保持电路的输出端分别与多路模拟开关的输入端相连接， 所述多路模拟开关的输出端顺序与A/D转换器和微处理器相连接。
[0006] 所述的输出跟随器由运算放大器和电阻Rl构成，运算放大器的通向输出端上设 有电阻R1，反向输出端与输出端串联，Rl取值为l〇〇k，运算放大器型号为ADA4891 ;所述的 电荷放大器由运算放大器和电阻R2、电阻R3和电容Cl构成；其中运算放大器的反向输入 端上分别连接有电阻R2、电阻R3和电容Cl的一端，电阻R2和电容Cl的另一端与运算放大 器的输出端相连接，运算放大器的正相输入端接地电位，电阻R2取值10k，电阻R3取值1G， 电容Cl取值100p，运算放大器型号为ADA4891 ;所述的微分器由运算放大器、电阻R4和电 容C2,其中微分器的输入端通过电容C2接运算放大器的反相输入端，电阻R4作为负反馈 元件，电阻R4两端分别接运算放大器的反相输入端和输出端，运算放大器的正相输入端接 地，电阻R4取值100k，电容C2取值0. 22uF，运算放大器型号为ADA4891。
[0007] 使用上述装置的应力分布监测方法，包括如下步骤：
[0008] a、将多个压力感应器中的压电纤维分为横向压电纤维与纵向压电纤维相互交叉 成压电纤维网设置在被测物品上，当被测物品应力变化时，输出跟随器将检测到压电纤维 上的应力变化信息分别输入电荷放大器和微分器，此时电荷放大器输出静态电荷信号，微 分器输出电荷变化动态信号；
[0009] b.每个压力感应器均将采集到的压电纤维上的电荷变化动态信号和静态电荷信 号通过信号采用保持电路输入到多路模拟开关，并通过多路模拟开关的通道，将采集的信 号经由A/D转换器从模拟信号转换为数字信号后发送到微处理器中；
[0010] c.微处理器将横向放置的压电纤维发送的信号归为横向压电纤维信号，将纵向放 置的压电纤维发送的信号归为纵向压电纤维信号；
[0011]d.微处理器将横向压电纤维的电荷变化动态信号依次与纵向压电纤维的电荷变 化动态信号进行矢量加法运算，将结果从大到小依次排列；将横向压电纤维的静态电荷信 号依次与纵向压电纤维的静态电荷信号进行矢量加法运算，将结果从大到小依次排列；
[0012] e、将采集的横向压电纤维的信号与纵向压电纤维的信号的进行求矢量和，得到横 向压电纤维的信号与纵向压电纤维交叉点处的应变数值，其中两个电荷动态信号矢量之和 表示交叉点的动态应变数值，两个静态电荷信号的矢量之和表示交叉点的静态应变数值； 依此，即可得到交叉设置的压电纤维上横向放置的压电纤维与纵向放置的压电纤维交叉点 处的动态应变数值和静态应变数值组；
[0013]F、微处理器通过将得到的动态应变数值和静态应变数值组数值进行比较，从而选 取出这个压电纤维分布区域的最大动态应变数值和静态应变数值，判断此点为被测物品在 压电纤维网中受力结构的最大应变点，将最大应变点的数值与预设值比较，从而判断出压 电纤维网是否受力过大。
[0014] 使用简单插值方法可以根据压电纤维分布网络交叉点处的动态应变数值和静态 应变数值组计算得到压电纤维网络分布区域的任何一点的应力分布值。
[0015] 有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明采用压电纤维组成分布网，通过压 电纤维分布网检测出被测物体应力变化分布，同时应力检测结果不容易受到电磁环境的干 扰，可靠性好，可用于对整个结构应力分布进行实时监测，及时发现最大受力区域，同时适 合用于结构受力分布的合理性研究。主要优点是：抗干扰好，能够精确监测被测部件的应力 分布，对应力异常部位进行准确定位。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 图1是本发明的检测装置结构示意图；
[0017] 图2是本发明检测装置中的输出跟随器的电路示意图；
[0018] 图3是本发明检测装置中的电荷放大器的电路示意图；
[0019] 图4是本发明检测装置中的微分器的电路示意图；
[0020] 图5是本发明的压电纤维布置示意图。
[0021] 图中，1-压电纤维；2-输出跟随器；3-电荷放大器；4-微分器；5-信号采用保持电 路；6-多路模拟开关；7-A/D转换器；8-微处理器；9-运算放大器。

【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对实施例做进一步说明：
[0023] 如图1所示，一种应力分布监测装置，包括多路模拟开关6、与多路模拟开关6两 连接的多个压力感应器，A/D转换器7和微处理器8,所述压力感应器包括压电纤维1、输出 跟随器2、电荷放大器3、微分器4和信号采用保持电路5,其中压电纤维1设置于被测装置 上，压电纤维1 一端接地，一端与输出跟随器2相连接，输出跟随器2的输出端分别与电荷 放大器3和微分器4的输入端相连接，电荷放大器3和微分器4的输出端分别与两个信号 采用保持电路5的输入端相连接，两个信号采用保持电路5的输出端分别与多路模拟开关 6的输入端相连接，所述多路模拟开关6的输出端顺序与A/D转换器7和微处理器8相连 接，其中检测电路仅针对一根压电纤维的信号检测，有若干根压电纤维相互垂直交叉分布 排列，紧贴在被测结构部件上，每根压电纤维的一端接地电位。信号采用保持电路5的型号 为AD9100 ;多路模拟开关6的型号为DG406 ;A/D转换器7的型号为MAX197,微处理器8的 型号为80C196。
[0024] 如图2所示，所述的输出跟随器2由运算放大器9和电阻Rl构成，运算放大器9 的通向输出端上设有电阻R1，反向输出端与输出端串联，Rl取值为l〇〇k，运算放大器9型 号为ADA4891。
[0025] 如图3所示，所述的电荷放大器3由运算放大器9和电阻R2、电阻R3和电容Cl构 成；其中运算放大器9的反向输入端上分别连接有电阻R2、电阻R3和电容Cl的一端，电阻 R2和电容Cl的另一端与运算放大器9的输出端相连接，运算放大器9的正相输入端接地电 位，电阻R2取值10k，电阻R3取值1G，电容Cl取值100p，运算放大器9型号为ADA4891。
[0026] 如图4所示，所述的微分器4由运算放大器9、电阻R4和电容C2,其中微分器4的 输入端通过电容C2接运算放大器9的反相输入端，电阻R4作为负反馈元件，电阻R4两端 分别接运算放大器9的反相输入端和输出端，运算放大器9的正相输入端接地，电阻R4取 值100k，电容C2取值0. 22uF，运算放大器9型号为ADA4891。
[0027] 本发明的应力分布监测方法，具体步骤如下：
[0028]a、将多个压力感应器中的压电纤维1分为横向压电纤维与纵向压电纤维相互交 叉成压电纤维网设置在被测物品上，当被测物品应力变化时，输出跟随器2将检测到压电 纤维1上的应力变化信息分别输入电荷放大器3和微分器4,每根压电纤维的信号各有2 个，一是电荷变化动态信号，一是静态电荷信号，此时电荷放大器3输出静态电荷信号，微 分器4输出电荷变化动态信号；如图5所不，压电纤维xl的输出有电荷变化动态信号dQxl 和静态电荷信号Qxl ;
[0029] b.压电纤维信号分为两组，相互垂直交叉排列，紧贴在被监测的结构表面，每个压 力感应器均将采集到的压电纤维1上的电荷变化动态信号和静态电荷信号通过信号采用 保持电路5输入到多路模拟开关6,并通过多路模拟开关6的通道，将采集的信号经由A/D 转换器7从模拟信号转换为数字信号后发送到微处理器8中；
[0030] c.微处理器8将横向放置的压电纤维1发送的信号归为横向压电纤维信号，将纵 向放置的压电纤维1发送的信号归为纵向压电纤维信号；
[0031]d.微处理器8将横向压电纤维的电荷变化动态信号依次与纵向压电纤维的电荷 变化动态信号进行矢量加法运算，如图5，压电纤维x3和压电纤维y2的静态电荷信号Qx3和 Qy2的矢量和为·+(?,/_，将结果从大到小依次排列;将横向压电纤维的静态电荷信号 依次与纵向压电纤维的静态电荷信号进行矢量加法运算，如图5中χ3和y2压电纤维的静 态电荷信号dQx3和dQy2的矢量和为+dQv22，再将结果从大到小依次排列；
[0032]e、将采集的横向压电纤维的信号与纵向压电纤维的信号的进行矢量加法运算， 得到横向压电纤维的信号与纵向压电纤维交叉点处的应变数值，其中两个电荷动态信号 矢量之和表示交叉点的动态应变数值，两个静态电荷信号的矢量之和表示交叉点的静态 应变数值；依此，即可得到交叉设置的压电纤维1上横向放置的压电纤维1与纵向放置的 压电纤维1交叉点处的动态应变数值和静态应变数值组；图5中a点的静态应变数值为 +Qx22，a点的动态应变数值为^dQj+ClQvl2，依此，即可得到整个个压电纤维分 布网络交叉点处的动态应变数值和静态应变数值。
[0033]F、微处理器8通过将得到的动态应变数值和静态应变数值组数值进行比较，从而 选取出这个压电纤维分布区域的最大动态应变数值和静态应变数值，判断此点为被测物品 在压电纤维网中受力结构的最大应变点，将最大应变点的数值与预设值比较，从而判断出 压电纤维网是否受力过大。
[0034] 使用简单插值方法可以根据压电纤维分布网络交叉点处的动态应变数值和静态 应变数值组计算得到压电纤维网络分布区域的任何一点的应力分布值；如图5中p点的应 力值可由4个网络节点a、b、c和d对应的压电纤维x3、x4、y2和y3计算得到。设p点在x3 和x4之间的位置相对x3和x4距离比为ζ，p点在y2和y3之间的位置相对y2和y3距离 比为S。则，p点的静态应变数值可以计算：? +Qpv2 ,其中，匕+认4), 2.,,,.=汾I+CU。同样，也可以计算出p点的动态应变数值。
【权利要求】
1. 一种应力分布监测装置，其特征在于：它包括多路模拟开关（6)、与多路模拟开关 (6)两连接的多个压力感应器，A/D转换器（7)和微处理器（8)，所述压力感应器包括压电 纤维（1)、输出跟随器（2)、电荷放大器（3)、微分器（4)和信号采用保持电路（5)，其中压电 纤维（1)设置于被测装置上，压电纤维（1)一端接地，一端与输出跟随器（2)相连接，输出跟 随器（2)的输出端分别与电荷放大器（3)和微分器（4)的输入端相连接，电荷放大器（3)和 微分器（4)的输出端分别与两个信号采用保持电路（5)的输入端相连接，两个信号采用保 持电路（5)的输出端分别与多路模拟开关（6)的输入端相连接，所述多路模拟开关（6)的输 出端顺序与A/D转换器（7)和微处理器（8)相连接。
2. 根据权利要求1所述的应力分布监测装置，其特征在于：所述的输出跟随器（2)由运 算放大器（9)和电阻R1构成，运算放大器（9)的通向输出端上设有电阻R1，反向输出端与 输出端串联，R1取值为l〇〇k，运算放大器型号为ADA4891。
3. 根据权利要求1所述的应力分布监测装置，其特征在于：所述的电荷放大器（3)由运 算放大器（9)和电阻R2、电阻R3和电容C1构成；其中运算放大器（9)的反向输入端上分别 连接有电阻R2、电阻R3和电容C1的一端，电阻R2和电容C1的另一端与运算放大器（9)的 输出端相连接，运算放大器（9)的正相输入端接地电位，电阻R2取值10k，电阻R3取值1G， 电容C1取值100p，运算放大器型号为ADA4891。
4. 根据权利要求1所述的应力分布监测装置，其特征在于：所述的微分器（4)由运算放 大器（9)、电阻R4和电容C2,其中微分器（4)的输入端通过电容C2接运算放大器（9)的反 相输入端，电阻R4作为负反馈元件，电阻R4两端分别接运算放大器（9)的反相输入端和输 出端，运算放大器（9)的正相输入端接地，电阻R4取值100k，电容C2取值0. 22uF，运算放 大器型号为ADA4891。
5. -种使用权利要求1所述装置的应力分布监测方法，其特征在于包括如下步骤： a. 将多个压力感应器中的压电纤维（1)分为横向压电纤维与纵向压电纤维相互交叉成 压电纤维网设置在被测物品上，当被测物品应力变化时，输出跟随器（2)将检测到压电纤维 (1)上的应力变化信息分别输入电荷放大器（3)和微分器（4)，此时电荷放大器（3)输出静 态电荷信号，微分器（4)输出电荷变化动态信号； b. 每个压力感应器均将采集到的压电纤维（1)上的电荷变化动态信号和静态电荷信 号通过信号采用保持电路（5)输入到多路模拟开关（6)，并通过多路模拟开关（6)的通道， 将采集的信号经由A/D转换器（7)从模拟信号转换为数字信号后发送到微处理器（8)中； c. 微处理器（8)将横向放置的压电纤维（1)发送的信号归为横向压电纤维信号，将纵 向放置的压电纤维（1)发送的信号归为纵向压电纤维信号； d. 微处理器（8)将横向压电纤维的电荷变化动态信号依次与纵向压电纤维的电荷变 化动态信号进行矢量加法运算，将结果从大到小依次排列；将横向压电纤维的静态电荷信 号依次与纵向压电纤维的静态电荷信号进行矢量加法运算，将结果从大到小依次排列； e. 将采集的横向压电纤维的信号与纵向压电纤维的信号的进行求矢量和，得到横向压 电纤维的信号与纵向压电纤维交叉点处的应变数值，其中两个电荷动态信号矢量之和表示 交叉点的动态应变数值，两个静态电荷信号的矢量之和表示交叉点的静态应变数值；依此， 即可得到交叉设置的压电纤维（1)上横向放置的压电纤维（1)与纵向放置的压电纤维（1) 交叉点处的动态应变数值和静态应变数值组； F、微处理器（8 )通过将得到的动态应变数值和静态应变数值组数值进行比较，从而选 取出这个压电纤维分布区域的最大动态应变数值和静态应变数值，判断此点为被测物品在 压电纤维网中受力结构的最大应变点，将最大应变点的数值与预设值比较，从而判断出压 电纤维网是否受力过大。
6.根据权利要求5所述的应力分布监测方法，其特征在于：使用简单插值方法可以根 据压电纤维分布网络交叉点处的动态应变数值和静态应变数值组计算得到压电纤维网络 分布区域的任何一点的应力分布值。
【文档编号】G01L1/16GK104458075SQ201410850516
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】童紫原, 童敏明, 李猛 申请人:中国矿业大学