結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的裝置和系統(tǒng)制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，該裝置是安放于被監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)上或安裝于被檢測(cè)結(jié)構(gòu)附近的智能傳感器裝置。該裝置包括：促動(dòng)單元，用于產(chǎn)生穿過(guò)結(jié)構(gòu)的聲頻激勵(lì)信號(hào)或超聲激勵(lì)信號(hào)；傳感器單元，用于接收來(lái)自結(jié)構(gòu)對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)；處理單元，通過(guò)利用分析算法處理傳感器數(shù)據(jù)來(lái)確定所述結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康(例如，結(jié)構(gòu)改變，結(jié)構(gòu)缺陷，結(jié)構(gòu)損傷)。所述智能裝置還包括至少永久性存儲(chǔ)器(例如，閃存)，用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)健康信息和傳感器數(shù)據(jù)。這樣的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置能夠獨(dú)立確定結(jié)構(gòu)改變和損傷。并且多個(gè)智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置可用于同時(shí)監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程管理控制臺(tái)用于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行配置、安排、協(xié)調(diào)和控制。每個(gè)裝置根據(jù)計(jì)劃表或根據(jù)請(qǐng)求將結(jié)構(gòu)改變和損傷的結(jié)果傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理控制臺(tái)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的裝置和系統(tǒng)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用這個(gè)申請(qǐng)要求2015年12月2日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.62/261,866的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用被結(jié)合在此。
本專利技術(shù)總體上涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(“SHM”)領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
SHM涉及對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測(cè)和特性描述策略的過(guò)程。這種損傷可包括材料和/或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何特性的改變，以及邊界條件和系統(tǒng)連續(xù)性的改變，這些都會(huì)負(fù)面地影響該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能。監(jiān)測(cè)過(guò)程可包括，利用傳感器陣列的周期性采樣獲得的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)觀察系統(tǒng)隨時(shí)間的變化、從這些測(cè)量數(shù)據(jù)中對(duì)于損傷敏感特征的提取、以及對(duì)這些特征的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析以確定當(dāng)前的系統(tǒng)健康的狀態(tài)。當(dāng)前，SHM系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)獲取裝置和諸如計(jì)算機(jī)的至少一個(gè)處理裝置，該至少一個(gè)處理裝置與數(shù)據(jù)獲取裝置分離。這些數(shù)據(jù)獲取裝置通常被安放于需要被監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)上或者安裝于需要被監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)附近。在被動(dòng)模式的SHM系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)獲取裝置包括持續(xù)地或周期性地聽(tīng)取變化的現(xiàn)場(chǎng)傳感器。然而，在主動(dòng)模式的SHM系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)獲取裝置不僅包括現(xiàn)場(chǎng)傳感器，還包括促動(dòng)器。促動(dòng)器利用波形產(chǎn)生器和功率放大器來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并將激勵(lì)信號(hào)發(fā)送至該結(jié)構(gòu)，其中的現(xiàn)場(chǎng)傳感器聽(tīng)取激勵(lì)信號(hào)并發(fā)送回用于測(cè)量的傳感器信號(hào)。當(dāng)結(jié)構(gòu)正常時(shí)，傳感器信號(hào)被用作基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)有缺陷或改變時(shí)，傳感器信號(hào)會(huì)與該基準(zhǔn)數(shù)據(jù)不同。這些數(shù)據(jù)獲取裝置將促動(dòng)器和/或傳感器整合在內(nèi)，或者外部地連接它們。然而，這些數(shù)據(jù)獲取裝置無(wú)法獨(dú)立確定結(jié)構(gòu)變化和結(jié)構(gòu)損傷。主動(dòng)模式的SHM系統(tǒng)依賴分離的處理裝置來(lái)進(jìn)行相關(guān)分析，并確定所述結(jié)構(gòu)是否有什么改變，缺陷或損傷。為達(dá)到這個(gè)目的，數(shù)據(jù)獲取裝置經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)將原始傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚硌b置，或者在經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸之前對(duì)原始傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)一些濾波或數(shù)據(jù)壓縮方式進(jìn)行預(yù)處理。接著，處理裝置基于從數(shù)據(jù)獲取裝置接收到的原始的或預(yù)處理后的傳感器數(shù)據(jù)，確定結(jié)構(gòu)改變或損傷。然而，網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性就成為該系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。任何網(wǎng)絡(luò)小事故或是故障都會(huì)擾亂對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。由于所有的傳感器數(shù)據(jù)，不管其是原始格式還是經(jīng)預(yù)處理后的格式，都需要被傳輸?shù)教幚硌b置進(jìn)行分析，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理裝置的處理能力的要求都隨著數(shù)據(jù)獲取裝置的數(shù)量的增加而急劇增長(zhǎng)。這導(dǎo)致SHM系統(tǒng)難以成規(guī)模。另外，對(duì)于非常大的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，需要大量的這樣的SHM裝置。當(dāng)各個(gè)智能SHM裝置將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到處理裝置進(jìn)行分析時(shí)，處理裝置將必須進(jìn)行沉重的數(shù)據(jù)處理，并且處理裝置需要非常長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)找到結(jié)果。在對(duì)時(shí)間緊急的情況下，某些關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)損傷可能未被及時(shí)檢測(cè)到。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)公開(kāi)了具有內(nèi)置智能的智能SHM裝置。該裝置能夠獨(dú)立檢測(cè)事件，處理傳感器數(shù)據(jù)，提取特征，執(zhí)行分析算法，以及確定結(jié)構(gòu)改變和損傷。這樣的事件包括，但不限于，碰撞、壓力、應(yīng)力、負(fù)載變化、振動(dòng)、加速、減速、溫度變化、運(yùn)動(dòng)、光、濕度變化等。可從傳感器數(shù)據(jù)中提取的特征包括但不限于，頻率、能量、波形包絡(luò)、峰值點(diǎn)以及過(guò)零點(diǎn)。能夠由智能SHM裝置確定的結(jié)構(gòu)改變和損傷包括但不限于，開(kāi)裂、分層、變形、腐蝕、侵蝕、滲漏、螺栓松動(dòng)、移位、彎曲等。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)智能SHM裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程管理控制臺(tái)。該控制臺(tái)可以是計(jì)算機(jī)或配置有必要軟件的移動(dòng)計(jì)算裝置。遠(yuǎn)程管理控制臺(tái)對(duì)這些智能SHM裝置提供集中管理，包括但不限于：基準(zhǔn)調(diào)整、數(shù)據(jù)獲取建立、閾值調(diào)整、去除數(shù)據(jù)、時(shí)鐘同步、用戶管理。遠(yuǎn)程管理控制臺(tái)也系統(tǒng)地從這些裝置下載有用的分析結(jié)果或數(shù)據(jù)，并協(xié)調(diào)這些智能SHM裝置的協(xié)作和運(yùn)行。本專利技術(shù)將數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理整合到單個(gè)智能裝置，這樣大大簡(jiǎn)化了電氣化布線需求，減少了總體占用空間，提高了SHM系統(tǒng)的可靠性。結(jié)構(gòu)處于健康情況時(shí)的關(guān)于結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)信息在SHM裝置被本地存儲(chǔ)。預(yù)定閾值也在SHM裝置中被本地存儲(chǔ)。基準(zhǔn)信息用于確定結(jié)構(gòu)缺陷是否超出了安全運(yùn)行邊界。結(jié)構(gòu)改變和損傷的檢測(cè)直接由SHM裝置進(jìn)行。這種設(shè)計(jì)允許即時(shí)事件檢測(cè)，在必須盡快進(jìn)行決定的時(shí)間緊迫的情況下尤為有用。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)改變和損傷的檢測(cè)被本地化進(jìn)行，因此即使在網(wǎng)絡(luò)無(wú)法使用的情況下，智能SHM裝置也能持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)以檢測(cè)損傷。智能SHM裝置不需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所有傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程管理控制臺(tái)以進(jìn)行處理。僅在被要求或安排的時(shí)候，傳感器數(shù)據(jù)、被提取的特征以及結(jié)構(gòu)改變和損傷的結(jié)果才被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理控制臺(tái)。這大大降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的負(fù)擔(dān)。在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，在網(wǎng)絡(luò)不通期間，傳感器數(shù)據(jù)和分析結(jié)果被存儲(chǔ)在智能SHM裝置的存儲(chǔ)模塊中，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被發(fā)送。這樣大幅地提升了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)備級(jí)分配繁重的處理的能力顯著地改進(jìn)了系統(tǒng)可擴(kuò)展性。在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)智能SHM裝置被配置為監(jiān)測(cè)大型結(jié)構(gòu)。多個(gè)智能SHM裝置的并行處理的能力對(duì)于監(jiān)測(cè)大型結(jié)構(gòu)提供了最快的響應(yīng)速度。同樣的，多個(gè)智能SHM裝置可用于監(jiān)測(cè)非常重要的結(jié)構(gòu)，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)顯著的增加了系統(tǒng)的可靠性。在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，智能SHM裝置提供節(jié)省電力的睡眠模式，尤其是當(dāng)裝置由電池供電時(shí)。當(dāng)處于睡眠模式時(shí)，智能SHM裝置的處理單元，促動(dòng)單元，以及通信單元進(jìn)入睡眠模式，保留一個(gè)或僅僅一些低功耗的傳感器處于監(jiān)控模式。低功耗的傳感器消耗非常少的電力以保存能量。當(dāng)事件被檢測(cè)到時(shí)，整個(gè)裝置被喚醒并開(kāi)始處理事件。本專利技術(shù)的一個(gè)該實(shí)施例中，智能SHM裝置由電池電力運(yùn)行。這在當(dāng)外部電源無(wú)法方便獲取時(shí)非常有用。本專利技術(shù)的另一實(shí)施例中，智能SHM裝置由來(lái)自結(jié)構(gòu)上或結(jié)構(gòu)附近的電源的AC或DC電力供電。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，該裝置利用諸如螺絲，環(huán)氧樹(shù)脂，金屬帶，夾具，以及焊接的固定裝置，被永久性地安放于要監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)上或附近。本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，裝置具有自我診斷能力和傳感診斷能力。附圖說(shuō)明在說(shuō)明書(shū)的總結(jié)中，被視為本專利技術(shù)的主題被特別指出并明確地在權(quán)利要求書(shū)中被聲明。本專利技術(shù)的上述及其他特征和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)配合附圖的下列具體描述將會(huì)明確。圖1是依照本專利技術(shù)的實(shí)施例的智能SHM裝置的框圖。圖2A和圖2B是依照本專利技術(shù)的實(shí)施例的促動(dòng)單元的框圖。圖3A-3D是依照本專利技術(shù)的實(shí)施例的傳感器單元的框圖。圖4是依照本專利技術(shù)的實(shí)施例的智能SHM裝置的硬件組件的框圖。圖5顯示了多個(gè)智能SHM裝置經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程管理控制臺(tái)連接并由該遠(yuǎn)程管理控制臺(tái)管理的場(chǎng)景。具體實(shí)施方式：圖1示出依照本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的智能SHM裝置的框圖。如圖所示，智能SHM裝置100包括促動(dòng)單元101、傳感器單元102、處理單元103、存儲(chǔ)單元104、以及通信單元105。促動(dòng)單元101和傳感器單元102可分別包括壓電式促動(dòng)器和傳感器或者電磁超聲傳感器(EMAT)。在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，促動(dòng)單元101和傳感器單元102被安裝于智能SHM裝置100內(nèi)部。在運(yùn)行過(guò)程中，促動(dòng)單元101使激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)結(jié)構(gòu)，并且傳感器單元102接收結(jié)構(gòu)對(duì)于該激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)。或者，促動(dòng)單元101和/或傳感器單元102可經(jīng)由連接器和/或纜線被外部連接于智能SHM裝置100。在這樣的配置中，當(dāng)受空間限制難以適合整個(gè)智能SHM裝置時(shí)，促動(dòng)單元101和傳感器單元102，或許多這些單元，可容易地被布置在結(jié)構(gòu)的特定位置。在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，傳感器單元102可包括具有不同傳感能力的多個(gè)傳感器，例如加速計(jì)，應(yīng)變計(jì)傳感器，動(dòng)作傳感器，溫度傳感器，濕度傳感本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)改變和損傷的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，所述智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置包括：促動(dòng)單元，用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并使所述激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)；傳感器單元，用于接收所述結(jié)構(gòu)對(duì)于所述激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，并基于所述響應(yīng)來(lái)產(chǎn)生傳感器數(shù)據(jù)；處理單元，用于基于所述傳感器數(shù)據(jù)來(lái)確定所述結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康。

【技術(shù)特征摘要】
2015.12.02 US 62/261,8661.一種用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)改變和損傷的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，所述智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置包括：促動(dòng)單元，用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并使所述激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)；傳感器單元，用于接收所述結(jié)構(gòu)對(duì)于所述激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，并基于所述響應(yīng)來(lái)產(chǎn)生傳感器數(shù)據(jù)；處理單元，用于基于所述傳感器數(shù)據(jù)來(lái)確定所述結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康。2.如權(quán)利要求1所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述激勵(lì)信號(hào)包括聲頻信號(hào)和超聲信號(hào)中的一種信號(hào)。3.如權(quán)利要求2所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)健康包括與所述結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改變、結(jié)構(gòu)缺陷以及結(jié)構(gòu)損傷中的至少一個(gè)相關(guān)的信息。4.如權(quán)利要求3所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)所述傳感器數(shù)據(jù)和所述結(jié)構(gòu)健康的存儲(chǔ)單元、以及用于與其他裝置通信的通信單元。5.如權(quán)利要求4所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括外殼，所述外殼至少容納所述處理單元，所述促動(dòng)單元，所述傳感器單元，所述存儲(chǔ)單元，以及所述通信單元。6.如權(quán)利要求1所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于正常的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并且通過(guò)將最近獲得的傳感器數(shù)據(jù)和所述基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)確定所述結(jié)構(gòu)健康。7.如權(quán)利要求5所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元包括非永久性存儲(chǔ)器和永久性存儲(chǔ)器中的至少一個(gè)，且所述通信單元包括以太網(wǎng)接口，Wi-Fi接口，蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口，Zigbee接口，Zwave接口，CAN總線接口，I2C接口，SPI接口，RS485接口，RS232接口，以及USB接口中的至少一個(gè)。8.如權(quán)利要求1所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述促動(dòng)單元包括壓電式促動(dòng)器，并且所述傳感器單元包括壓電式傳感器。9.如權(quán)利要求1所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述促動(dòng)單元包括電磁聲超聲式促動(dòng)器，所述傳感單元包括電磁聲超聲式傳感器。10.如權(quán)利要求1所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括加速計(jì)，應(yīng)變計(jì)傳感器，運(yùn)動(dòng)傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，壓力和力傳感器，生物傳感器，陀螺儀傳感器，光傳感器，磁傳感器，聲敏傳感器，超聲傳感器，近距離傳感器，聲音傳感器，電流傳感器，以及GPS傳感器中的至少一個(gè)。11.如權(quán)利要求1所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括用于接收電池電力的電路。12.如權(quán)利要求1所述的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括通過(guò)使用螺絲，環(huán)氧樹(shù)脂，金屬帶，夾具，以及焊接中的一種方式，將...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張昶，劉磊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：博感公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó),US