专利名称：一种基于信息智能涂层的裂纹监测装置及其监测方法
技术领域：
本发明涉及金属材料裂纹监测技术领域，具体涉及一种基于信息智能涂层的裂纹监测装置及其监测方法。
背景技术：
信息智能涂层是一种新型的智能材料，具有优良的随附损伤特性。因此，可利用该特性原位主动监测结构发生开裂和裂纹的扩展情况，并以“信息智能涂层”为损伤探测敏感末梢构建结构健康监测系统。基于信息智能涂层的传感器能够实时、准确地对飞机等大型复杂机械结构进行健康监测。该项技术与传统的无损检测技术如声发射、超声、射线以及红外热成像相比，更为简捷、准确，具有创新性。“具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层”专利曾对监测的流程提出了一类简单的设计概念，但是没有提出具体的实施方案，也没有提出监测装置的设计方案，同时缺乏有效的裂纹数据分析判断方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于信息智能涂层的裂纹监测装置及其监测方法，并就信息智能涂层技术在金属材料裂纹监测领域的工程应用提出了具体实施方案，可以准确监测信息智能涂层传感器的实时状态，从而对被监测对象是否产生裂纹做出准确判断。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是—种基于信息智能涂层的裂纹监测装置，包括信息智能涂层传感器，用于采集信息智能涂层传感器的阻值的多个相同的前置测量子模块和后置主模块，后置主模块用于控制前置测量子模块，并与前置测量子模块进行通信；所述的前置测量子模块包括子模块25芯插头、子模块通道选择器、子模块信号处理器、子模块模数转换器、子模块CPU处理单元、子模块通讯单元、子模块通讯接口和子模块电源电路，多个信息智能涂层传感器与子模块25芯插头连接，子模块25芯插头中的M 芯用来连接最多8个信息智能涂层传感器，另外1芯接地，子模块25芯插头与子模块通道选择器连接，子模块CPU处理单元控制子模块通道选择器选择被监测的信息智能涂层传感器，信息智能涂层传感器的模拟信号经过子模块信号处理器进行滤波处理，子模块信号处理器滤除模拟信号中的50hz工频噪声，滤波后的模拟信号由子模块模数转换器转换成数字信号，数字信号进入子模块CPU处理单元并由子模块CPU处理单元发送至子模块通讯单元，子模块通讯单元通过子模块通讯接口与后置主模块进行通信，子模块通讯接口与后置主模块间传输的是直流载波，每次采集的监测数据发送三遍并由后置主模块判断是否采用，整个前置测量子模块的供电来自子模块供电单元，子模块供电单元从来自后置主模块的直流载波中提取4 6v的直流电；后置主模块包括主模块主控CPU、主模块通道选择器、主模块25芯插头、主模块通讯单元、主模块FLASH存储单元、主模块小时计数单元、主模块LED显示器和主模块计算机接口，多个前置测量子模块与后置主模块的主模块25芯插头相连接，主模块25芯插头与主模块通道选择器连接，主模块主控CPU控制主模块通道选择器选择接入的前置测量子模块，主模块主控CPU控制主模块通讯单元实现与各个前置测量子模块的通讯，通讯采用直流载波方式，主模块通讯单元将收到的各个前置测量子模块传输的数字信号发送至主模块主控CPU，主模块主控CPU对信号进行处理，主模块主控CPU对错误数据进行丢弃处理，主模块主控CPU将处理结果显示在主模块LED显示器上，主模块主控CPU将处理结果保存入两个主模块FLASH存储单元，记录的数据中包含了时间信息，该时间信息由主模块小时计数单元提供，两个主模块FLASH存储单元提供6M的存储空间，主模块主控CPU通过主模块计算机接口与计算机通信，整个后置主模块的供电有两种方式，一种是利用主模块计算机接口中取自计算机的5v直流电，另一种是AC/AC电源转换处理后的直流电源，AC/AC电源转换需外接一个15 27v的变压器。所述信息智能涂层传感器与前置测量子模块的子模块25芯插头连接方式，25芯中1芯连接地线，其余M芯中每3芯连接1个信息智能涂层传感器，共可连接8个信息智能涂层传感器。所述前置测量子模块与后置主模块的主模块25芯插头连接连接方式，25芯中的 16芯每2芯连接1个子模块，共可连接8个前置测量子模块，其余空置不用。一种基于信息智能涂层的裂纹监测方法，采用安装于计算机的监测软件分析后置主模块的主模块FLASH存储单元中记录的数据，对被监测部位是否出现裂纹做出判断，监测软件定期从后置主模块中读取全部数据记录，裂纹数据分析判断的流程如下1、数据去噪后置主模块在工作中存在着因外界恶劣环境的干扰从而引入的错误记录，首先对所有数据记录进行扫描，对所有不在量程范围即0 100欧姆间的阻值记录进行丢弃处理， 对50 100欧姆间的阻值记录按照校准曲线进行校准，处理完毕后进行下一步骤，2、断线检测对数据记录中的阻值记录逐个检测，每个记录与前一个记录进行对比，若比值大于十倍判断为松动或者断线，对于判断为松动或者断线的通道记录则停止进行分析，输出判断结果，否则，进入下一步骤，3、等时间平均化数据记录中原始数据在时间上只表示先后关系，时间信息只精确到小时，将各个小时内的记录数据求和并平均，所得到的数据进入下一步骤，4、数据分段对上一步处理后的数据进行扫描，并将每个记录与前一个记录进行对比，比值大于1. 5倍的记录点判断为增长起始点，所有记录中阻值最大的记录点判断为增长结束点， 按增长起始点和结束点，将数据分为三段，阻值稳定阶段，增长阶段，波动阶段，进入下一步骤，5、数据拟合判断对阻值增长阶段进行指数曲线拟合，求出拟合系数，根据不同的监测对象设置不同的阈值，对高于阈值的继续计算阻值波动阶段的均值，此均值比阻值的初始记录大10倍以上可判为裂纹，并输出判断结果，对低于指数系数阈值的和不存在波动阶段的情况，判断为需要继续进行跟踪监测。本发明的优点本发明在监测装置的设计上采用了分布式、多通道的设计方法，提出了前置测量子模块和后置主模块的设计方案，设计出的采集装置体积小、质量轻、电磁兼容性好，可以准确的采集信息智能涂层传感器的阻值；在裂纹数据分析方法上，采用了模式识别的思想，通过流程化的数据处理方法最终对裂纹信息做出准确判断。
图1是本发明中前置测量子模块的原理图。图2是本发明中主模块的原理图。图3是前置测量子模块上子模块25芯插头的连接图。图4是后置主模块上主模块25芯插头的连接图。图5是本发明提出的数据分析方法流程图。图6是本监测方法的监测示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。一种基于信息智能涂层的裂纹监测装置，包括信息智能涂层传感器，用于采集信息智能涂层传感器的阻值的多个相同的前置测量子模块和后置主模块，后置主模块用于控制前置测量子模块，并与前置测量子模块进行通信；参照图1，所述的前置测量子模块包括子模块25芯插头、子模块通道选择器、子模块信号处理器、子模块模数转换器、子模块CPU处理单元、子模块通讯单元、子模块通讯接口和子模块电源电路，多个信息智能涂层传感器与子模块25芯插头连接，子模块25芯插头中的M芯用来连接最多8个信息智能涂层传感器，另外1芯接地，子模块25芯插头与子模块通道选择器连接，子模块CPU处理单元控制子模块通道选择器选择被监测的信息智能涂层传感器，信息智能涂层传感器的模拟信号经过子模块信号处理器进行滤波处理，子模块信号处理器主要滤除模拟信号中的50hz工频噪声，滤波后的模拟信号由子模块模数转换器转换成数字信号，数字信号进入子模块CPU处理单元并由子模块CPU处理单元发送至子模块通讯单元，子模块通讯单元通过子模块通讯接口与后置主模块进行通信，子模块通讯接口与后置主模块间传输的是直流载波，每次采集的监测数据发送三遍并由后置主模块判断是否采用，整个前置测量子模块的供电来自子模块供电单元，子模块供电单元从来自后置主模块的直流载波中提取4 6v的直流电；参照图2，后置主模块包括主模块主控CPU、主模块通道选择器、主模块25芯插头、 主模块通讯单元、主模块FLASH存储单元、主模块小时计数单元、主模块LED显示器和主模块计算机接口，多个前置测量子模块与后置主模块的主模块25芯插头相连接，主模块25芯插头与主模块通道选择器连接，主模块主控CPU控制主模块通道选择器选择接入的前置测量子模块，主模块主控CPU控制主模块通讯单元实现与各个前置测量子模块的通讯，通讯采用直流载波方式，主模块通讯单元将收到的各个前置测量子模块传输的数字信号发送至主模块主控CPU，主模块主控CPU对信号进行处理，主模块主控CPU对错误数据进行丢弃处理，主模块主控CPU将处理结果显示在主模块LED显示器上，主模块主控CPU将处理结果保存入两个主模块FLASH存储单元，记录的数据中包含了时间信息，该时间信息由主模块小时计数单元提供，两个主模块FLASH存储单元提供6M的存储空间，主模块主控CPU通过主模块计算机接口与计算机通信，整个后置主模块的供电有两种方式，一种是利用主模块计算机接口中取自计算机的5v直流电，另一种是AC/AC电源转换处理后的直流电源，AC/AC电源转换需外接一个15 27v的变压器。参照图3，信息智能涂层传感器与前置测量子模块的子模块25芯插头连接方式， 25芯中1芯连接地线，其余M芯中每3芯连接1个信息智能涂层传感器，共可连接8个信息智能涂层传感器。参照图4，前置测量子模块与后置主模块的主模块25芯插头连接连接方式，25芯中的16芯每2芯连接1个子模块，共可连接8个前置测量子模块，其余空置不用。参照图5，一种基于信息智能涂层的裂纹监测方法，采用安装于计算机的监测软件分析后置主模块的主模块FLASH存储单元中记录的数据，对被监测部位是否出现裂纹做出判断，监测软件定期从后置主模块中读取全部数据记录，裂纹数据分析判断的流程如下1、数据去噪后置主模块在工作中存在着因外界恶劣环境的干扰从而引入的错误记录，首先对所有数据记录进行扫描，对所有不在量程范围即0 100欧姆间的阻值记录进行丢弃处理， 对50 100欧姆间的阻值记录按照校准曲线进行校准，处理完毕后进行下一步骤，2、断线检测对数据记录中的阻值记录逐个检测，每个记录与前一个记录进行对比，若比值大于十倍判断为松动或者断线，对于判断为松动或者断线的通道记录则停止进行分析，输出判断结果，否则，进入下一步骤，3、等时间平均化数据记录中原始数据在时间上只表示先后关系，时间信息只精确到小时，将各个小时内的记录数据求和并平均，所得到的数据进入下一步骤，4、数据分段对上一步处理后的数据进行扫描，并将每个记录与前一个记录进行对比，比值大于1. 5倍的记录点判断为增长起始点，所有记录中阻值最大的记录点判断为增长结束点， 按增长起始点和结束点，将数据分为三段，阻值稳定阶段，增长阶段，波动阶段，进入下一步骤，5、数据拟合判断对阻值增长阶段进行指数曲线拟合，求出拟合系数，根据不同的监测对象设置不同的阈值，对高于阈值的继续计算阻值波动阶段的均值，此均值比阻值的初始记录大10倍以上可判为裂纹，并输出判断结果，对低于指数系数阈值的和不存在波动阶段的情况，判断为需要继续进行跟踪监测。参照图6，本发明的工作原理为后置主模块循环给每一个前置测量子模块供电并发送信号，前置测量子模块接收到后置主模块的供电和信号后开始工作，前置测量子模块对连接的多个信息智能涂层传感器进行循环数据采集，每个前置测量子模块测量时间约 3秒，后置主模块接收前置测量子模块回传的测量数据，当某个前置测量子模块不存在或无法检测时，后置主模块将跳过该编号，寻找下一个编号的前置测量子模块，所有数据将由后置主模块保存，后置主模块在接收到计算机的指令后，将与计算机进行通信，计算机获得后置主模块中的数据并用裂纹数据分析方法进行分析，从而判断被监测部位是否产生裂纹。
权利要求
1.一种基于信息智能涂层的裂纹监测装置，其特征在于，包括信息智能涂层传感器，用于采集信息智能涂层传感器的阻值的多个相同的前置测量子模块和后置主模块，后置主模块用于控制前置测量子模块，并与前置测量子模块进行通信；所述的前置测量子模块包括子模块25芯插头、子模块通道选择器、子模块信号处理器、子模块模数转换器、子模块CPU处理单元、子模块通讯单元、子模块通讯接口和子模块电源电路，多个信息智能涂层传感器与子模块25芯插头连接，子模块25芯插头中的M芯用来连接最多8个信息智能涂层传感器，另外1芯接地，子模块25芯插头与子模块通道选择器连接，子模块CPU处理单元控制子模块通道选择器选择被监测的信息智能涂层传感器，信息智能涂层传感器的模拟信号经过子模块信号处理器进行滤波处理，子模块信号处理器主要滤除模拟信号中的50hz工频噪声，滤波后的模拟信号由子模块模数转换器转换成数字信号，数字信号进入子模块CPU处理单元并由子模块CPU处理单元发送至子模块通讯单元，子模块通讯单元通过子模块通讯接口与后置主模块进行通信，子模块通讯接口与后置主模块间传输的是直流载波，每次采集的监测数据发送三遍并由后置主模块判断是否采用，整个前置测量子模块的供电来自子模块供电单元，子模块供电单元从来自后置主模块的直流载波中提取4 6v的直流电；后置主模块包括主模块主控CPU、主模块通道选择器、主模块25芯插头、主模块通讯单元、主模块FLASH存储单元、主模块小时计数单元、主模块LED显示器和主模块计算机接口，多个前置测量子模块与后置主模块的主模块25芯插头相连接，主模块25芯插头与主模块通道选择器连接，主模块主控CPU控制主模块通道选择器选择接入的前置测量子模块， 主模块主控CPU控制主模块通讯单元实现与各个前置测量子模块的通讯，通讯采用直流载波方式，主模块通讯单元将收到的各个前置测量子模块传输的数字信号发送至主模块主控 CPU,主模块主控CPU对信号进行处理，主模块主控CPU对错误数据进行丢弃处理，主模块主控CPU将处理结果显示在主模块LED显示器上，主模块主控CPU将处理结果保存入两个主模块FLASH存储单元，记录的数据中包含了时间信息，该时间信息由主模块小时计数单元提供，两个主模块FLASH存储单元提供6M的存储空间，主模块主控CPU通过主模块计算机接口与计算机通信，整个后置主模块的供电有两种方式，一种是利用主模块计算机接口中取自计算机的5v直流电，另一种是AC/AC电源转换处理后的直流电源，AC/AC电源转换需外接一个15 27v的变压器。
2.根据权利要求1所述的裂纹监测装置，其特征在于，所述的信息智能涂层传感器与前置测量子模块的子模块25芯插头连接方式，25芯中1芯连接地线，其余M芯中每3芯连接1个信息智能涂层传感器，共可连接8个信息智能涂层传感器。
3.根据权利要求1所述的裂纹监测装置，其特征在于，所述的前置测量子模块与后置主模块的主模块25芯插头连接连接方式，25芯中的16芯每2芯连接1个子模块，共可连接 8个前置测量子模块，其余空置不用。
4.一种基于权利要求1所述的装置进行信息智能涂层的裂纹监测方法，其特征在于， 安装于计算机的监测软件负责分析后置主模块的主模块FLASH存储单元中记录的数据，对被监测部位是否出现裂纹做出判断，监测软件定期从后置主模块中读取全部数据记录，裂纹数据分析判断的流程如下(1)、数据去噪后置主模块在工作中存在着因外界恶劣环境的干扰从而引入的错误记录，首先对所有数据记录进行扫描，对所有不在量程范围即0 100欧姆间的阻值记录进行丢弃处理，对 50 100欧姆间的阻值记录按照校准曲线进行校准，处理完毕后进行下一步骤，O)、断线检测对数据记录中的阻值记录逐个检测，每个记录与前一个记录进行对比，若比值大于十倍判断为松动或者断线，对于判断为松动或者断线的通道记录则停止进行分析，输出判断结果，否则，进入下一步骤，(3)、等时间平均化数据记录中原始数据在时间上只表示先后关系，时间信息只精确到小时，将各个小时内的记录数据求和并平均，所得到的数据进入下一步骤，G)、数据分段对上一步处理后的数据进行扫描，并将每个记录与前一个记录进行对比，比值大于1. 5 倍的记录点判断为增长起始点，所有记录中阻值最大的记录点判断为增长结束点，按增长起始点和结束点，将数据分为三段，阻值稳定阶段，增长阶段，波动阶段，进入下一步骤，(5)、数据拟合判断对阻值增长阶段进行指数曲线拟合，求出拟合系数，根据不同的监测对象设置不同的阈值，对高于阈值的继续计算阻值波动阶段的均值，此均值比阻值的初始记录大10倍以上可判为裂纹，并输出判断结果，对低于指数系数阈值的和不存在波动阶段的情况，判断为需要继续进行跟踪监测。
全文摘要
一种基于信息智能涂层的裂纹监测装置及其监测方法，其装置包含了多个相同的前置测量子模块和后置主模块，前置测量子模块包含25芯插头、通道选择器、信号处理器、模数转换器、CPU处理单元、通讯单元、通讯接口、电源电路等功能单元，主模块包含主控CPU、通道选择器、25芯插头、通讯单元、FLASH存储单元、LED显示器、计算机结构等功能单元，后置主模块循环控制多个前置测量子模块，每个前置测量子模块循环监测多个信息智能涂层传感器，后置主模块与计算机进行通信，计算机获得后置主模块中的数据并用数据分析方法进行分析，从而判断被监测部位是否产生裂纹。
文档编号G01N27/20GK102520023SQ201110350968
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者刘启达, 刘马宝, 李江涛, 林云翔, 王献辉, 马少杰 申请人:西安交通大学