一套无线智能应力发光结构健康监测系统技术方案

本发明专利技术的方法涉及利用一种应力发光传感器和一种简便的无线通讯技术，辅以电源及信号管理模块，组合成一套结构健康监测系统。该系统利用应力发光传感器能根据受到外力大小发出不同强度的光的特点，来对各种结构体的健康状况进行实时监测。

A wireless intelligent stress light emitting structural health monitoring system

The method of the invention involves combining a stress light-emitting sensor and a simple wireless communication technology with a power supply and signal management module to form a structural health monitoring system. The system can monitor the health status of various structures in real time according to the characteristics of different intensity light emitted by the stress light-emitting sensor according to the magnitude of external force.

【技术实现步骤摘要】
一套无线智能应力发光结构健康监测系统
本专利技术涉及结构健康的检测方法。本专利技术特别涉及无线智能的应力发光传感系统。
技术介绍
随着国家对基础设施投入的加大，我国的各种建筑结构如桥梁、管道等飞速发展。不论数量还是质量，我国在基础设施领域都处在世界前列。但是，这些建筑结构在建成以后，受到载荷、事故及外部环境影响，所用材料容易老化，导致结构损伤不断积累，使得结构健康程度随使用时间的增加而下降，容易引发严重的安全事故。例如，2012年8月24日发生的哈尔滨阳明滩大桥坍塌事故；2013年11月22日发生的青岛输油管道爆炸事故。这些安全事故往往导致严重的生命财产损失。对此，除了加强对各类建筑结构的规范管理外，对结构健康的监测也是必不可少的。目前，用于结构健康监测的技术可以分为超声检测法，压电检测法，X射线检测及光纤传感四种类别（Olawale,D.O.;Dickens,T.;Sullivan,W.G.;Okoli,O.I.;Sobanjo,J.O.;Wang,B.JournalofLuminescence.2011,131,1407–1418.）。但是，现有的监测技术存在几点不足之处，如缺乏原位实时检测功能，信号处理过程负责，成本较高施工困难，组网不易等。因此，开发一款简便实用，能原位实时监测，具有组网功能的结构健康监测系统显得十分重要。应力发光现象是指材料受到外部应力刺激而产生的发光现象，如弯曲，压力，震动，切割等。基于这种现象所制成的应力发光薄膜或者传感器，可以原位实时地形成结构受到的载荷分布的你图像，具备检测结构损伤，形变，破损的应用潜力。目前，应力发光检测技术在国际研究者中收到了广泛关注，例如：使用应力发光薄膜来检测高压氢气储藏罐的内部破损（Fujio,Y.;Xu,C.N.;Terasawa,Y.;Sakata,Y.;Yamabe,J.;Ueno,N.;Murakami,Y..InternationalJournalofHydrogenEnergy,2016.41(2),1333-1340.）；将应力发光技术应用于观测裂纹的动态扩展（Kim,J.S.,Kwon,Y.N.,Shin,N.,Sohn,K.S.Appliedphysicsletters,2007,90(24),241916）；用应力发光材料来检测桥梁上的裂纹（8.Terasaki,N.,Xu,C.N.,Li,C.,Zhang,L.,Li,C.,Ono,D.,...&Shinokawa,T.(2012,April).InSPIESmartStructuresandMaterials+NondestructiveEvaluationandHealthMonitoring(pp.83482D-83482D).SanDiego,California,USA.March11,2012.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics.）。与其他检测技术相比，应力发光材料具有原位实时监测，信号处理简单，可图像化等优势。在已发现的应力发光材料中，SrAl2O4:Eu,Dy拥有最好的应力发光性能，其在500N的应力下可以发出肉眼可见的绿光。
技术实现思路
本专利技术旨在开发一种无线、智能、基于应力发光传感器的结构健康监测系统。本专利技术的方法涉及利用一种应力发光传感器和一种简便的无线通讯技术，辅以电源及信号管理模块，组合成一套结构健康监测系统。该系统利用应力发光传感器能根据受到外力大小发出不同强度的光的特点，来对各种结构体的健康状况进行实时监测。所说的应力发光传感器是指由SrAl2O4:Eu,Dy制成的传感器薄膜，用于检测结构体健康状况并转化为光信号输出。所说的简便的无线通讯技术是指Zigbee技术，该技术具有成本低，通讯可靠，组网便捷等优点。所说的电源及信号管理模块是指自行设计的电路模块，该模块采用四节5号电池供电，并将电源分配给各个部件。同时采集应力发光传感器的光信号并通过电路上的Zigbee芯片与上位机进行通讯。该系统的能耗成本较低，具备信号处理简单，可进行远程智能通讯等优势。应用该系统能在原位对结构体的健康状况进行实时监测，及时反映结构的受损情况，便于及时预防灾害的发生。附图说明图1为本专利技术的系统实验电路图；图2为本专利技术监测结果与应力之间的线性关系；图3为本专利技术连续监测结果。具体实施方式应力发光传感器的制作方法：SrAl2O4:Eu,Dy(SAO)颗粒是在高温条件下由固态反应制备的。首先,高纯度(99.99%)的Eu2O3,SrCO3,Dy2O3,Al2O3及H3BO3以一定比例混合并研磨至细小颗粒。混合后的颗粒在空气及800℃条件下加热两小时。烧结得到的小球重新研磨并在惰性气体(5%H2/95%Ar)及1300℃条件下烧结4小时。之后再研磨过筛得要SAO的应力发光颗粒。取0.5gSAO颗粒与4.5g光学树脂制成悬浊液。将悬浊液铺在铝箔上，在60oC条件下加热3小时，可得到厚度在100微米左右的应力发光传感器。图1是本系统所用电路模块的电路图，包含了信号采集部件，远程通讯部件，电源转换部件及单片机，能够对传感器信号进行采集通讯及控制；图2是本系统在不同应力条件下得到的信号强度。结果表明，系统所检测到的信号与外部应力的大小呈良好的线性关系；图3为本方法在1000N的条件下连续进行多次压缩来检测系统的连续监测能力，结果表明，当进入检测区后，信号呈良好的一致性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一套无线智能应力发光结构健康监测系统，其特征在于：结合了远程通讯技术与应力发光技术，能原位实时地对结构体的健康状况进行监测。

【技术特征摘要】
1.一套无线智能应力发光结构健康监测系统，其特征在于：结合了远程通讯技术与应力发光技术，能原位实时地对结构体的健康状况进行监测。2.应力发光传感器具体实施方法为：高纯度(99.99%)的Eu2O3,SrCO3,Dy2O3,Al2O3及H3BO3以一定比例混合并研磨至细小颗粒，混合后的颗粒在空气及800℃条件下加热两小时，烧结得到的小...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨溢，张洪武，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：福建,35