柔性应力传感垫片、基于垫片的应力监测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了柔性应力传感垫片、基于垫片的应力监测系统和方法，所述柔性应力传感垫片，其特征在于，包括电连接的柔性应力传感垫片和数据和信号处理模块，所述柔性应力传感垫片包括依次连接的第一绝缘封装层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二绝缘封装层；基于应力监测无线智能垫片系统，包括柔性应力传感垫片和数据和信号处理模块，所述数据和信号处理模块用于采集柔性电容传感垫片的电容值，并将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输出。该应力监测系统相较于现有人力监测方式，采用结构功能与感知能力一体化的设计思想，对垫片进行功能化设计，使垫片具有监测应力变化的功能。的功能。的功能。

【技术实现步骤摘要】
柔性应力传感垫片、基于垫片的应力监测系统和方法


[0001]本专利技术属于传感
，具体涉及柔性应力传感垫片、基于垫片的应力监测系统和方法。

技术介绍

[0002]很多大型基础建设项目，比如跨江海大桥、长距离输水管道和长距离输电线路等，这些项目大多都关系到民众的生活，所以要求这些项目可靠性高、服役寿命长、便于后期维护。为了使这些基础建设工程的部件在服役期间能够平稳运行，不仅在前期设计上要保证其可靠性，后期维护保障也是必不可少的一个环节。在工程领域，由于应力的存在，会导致部件原本的结构会发生形变，从而会引起部件的故障，甚至引起一系列的事故。所以对关键部件服役过程中的应力进行监测，是保障部件服役能力、避免重大事故的关键问题。这些项目中的部件都趋向于大型化、一体化，其中部分关键部件由于工况复杂、不易拆卸等问题，难以进行外接式传感器的安装或人工检修。所以，科研人员越来越聚焦于对关键部件服役过程中的应力进行在线监测的研究。
[0003]根据大数据以及实验理论分析，零部件发生故障，引起故障的部分的大多是连接处，并且连接处也是应力集中的部分。工程结构之间的连接方式也是多种多样的，螺栓连接作为一种结构简单、易拆装的连接方式，被广泛的应用于各工程领域当中。螺栓的失效形式同样多种多样，最为常见的失效形式就是螺栓与螺母的配合松动。螺栓在循环载荷的冲击和强迫振动的作用下会出现不同程度的松动情况，螺栓的松动会导致毁灭性的后果和重大财产损失。尤其是对于那些工作在恶劣环境下的螺栓，其松紧程度和疲劳损伤往往难以直接判断，或者其松紧情况经常被忽视。当前，主要的维护方式是对螺栓等关键部件进行人工定期检修，这种方式存在服役过程难以判断、动态服役能力难以预测、潜在风险排除不及时等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了柔性应力传感垫片、基于垫片的应力监测系统和方法，兼具结构功能与感知的能力，可以实现对关键工程部件(螺栓等)的应力进行实时监测，避免服役状态不良的螺栓带来的灾难性后果。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所述柔性应力传感垫片，包括依次连接的第一绝缘封装层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二绝缘封装层；所述第一绝缘封装层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二绝缘封装层均为环形。
[0006]进一步的，第一绝缘封装层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二绝缘封装层之间通过材料自身的自粘性粘接为一体。
[0007]进一步的，介电层为多孔硅橡胶材料。
[0008]进一步的，第一绝缘封装层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二绝缘封装层的内径和外径均相同。
[0009]一种基于柔性应力传感垫片的应力监测系统，包括上述的柔性应力传感垫片和数据和信号处理模块，所述数据和信号处理模块用于采集柔性电容传感垫片的电容值，并将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输出。
[0010]进一步的，数据和信号处理模块包括依次连接的导线接口、模拟开关芯片、电容测量芯片和主芯片；所述导线接口输入端与模拟开关芯片的输入端以及柔性应力传感垫片连接，所述模拟开关芯片用于接收导线接口的电信号，提供采集传感垫片的电信号的传输路径，电容测量芯片用于将电信号转变成振荡频率，所述主芯片用于测量电容测量芯片转化的振荡频率。
[0011]进一步的，数据和信号处理模块通过无线通讯模块与上位程序连接。
[0012]进一步的，上位程序用于根据数据和信号处理模块得到的数据进行可视化显示。
[0013]一种应力监测方法，包括以下步骤：
[0014]将上述的柔性应力传感垫片安装于螺栓处，外界振动作用于柔性应力传感垫片上，引起介电层的形变；
[0015]介电层形变进而导致其电容产生变化；
[0016]数据和信号处理模块采集介电层的电容，将其电容值转换为应力值。
[0017]进一步的，将根据下式计算应力值：
[0018]σ＝0.4439ln(C1)+0.041
[0019]式中：σ是应力值；C1是电容值。
[0020]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0021]一种柔性应力传感垫片，包括依次连接的第一绝缘封装层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二绝缘封装层，可利用第一电极层、介电层和第二电极层组成电容器，当垫片受到力的作用时，介电层会变形，电容器的电容值会发生相应的变化，可根据电容器的电容值来判断垫片所受到的应力，可方便的安装于螺栓处，工作人员可根据应力大小判断螺栓的松紧程度和疲劳损伤，实现对螺栓状态的实时监测。
[0022]进一步的，介电层为多孔硅橡胶材料，这种材料具有较大的介电常数，并且多孔结构引入的孔隙使原材料的模量更小，相较于原材料作为介电层的传感器的灵敏度更高。
[0023]进一步的，第一绝缘封装层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二绝缘封装层的内径和外径均相同。整个垫片整体性好，便于使用。
[0024]本专利技术提出基于柔性应力传感垫片的应力监测系统，该应力监测系统相较于现有人力监测方式，采用结构功能与感知能力一体化的设计思想，对垫片进行功能化设计，使垫片具有监测应力变化的功能。所述垫片包括柔性应力传感垫片数据和信号处理模块和通讯模块。电容式传感器两极板受外力会产生形变，两极板间电容值发生改变，通过测量电容值的改变计算应力值的改变，此应力值的改变可作为螺栓服役状态的评价依据，及时对螺栓服役状态进行有效评估。
[0025]本专利技术将传感器与被检测的螺栓处安装的垫片相结合，一方面克服了现有传感器在某些复杂场景难以安装的问题，另一方面可以在设备运行的情况下，通过对关键部件的应力进行在线监测，得到关于设备的实时应力参数，判断其服役状态。工作人员可通过分析诊断，从而进行设备整体服役状态的预测、维修和保养。通过预知维修可以降低事故率，减少停机时间，使设备在最佳状态下运行。
[0026]本专利技术自主设计开发了微型数据和信号处理模块，一个模块可采集16路传感信号，并且开发了相应的上位程序，实时显示应力值变化。
附图说明
[0027]图1为该柔性应力传感垫片应力监测系统硬件部分的示意图；
[0028]图2为柔性应力传感垫片爆炸图；
[0029]图3为微型数据和信号处理模块电路板示意图；
[0030]图4为上位程序界面示意图；
[0031]图5为该系统应用场景示意图。
[0032]附图中：1、第一绝缘封装层，2、第一电极层，3、介电层，4、第二电极层，5、第二绝缘封装层，6、蓝牙传输模块，7、数据和信号处理模块，8、导线接口，9、电容测量芯片，10、主芯片，11、电池模块，12、模拟开关芯片，13、应力变化曲线区，14、设置区，15、传感数值区，16、传感分布区，17、传感垫片阵列。
具体实施方式
[0033]为了使本专利技术的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并非用于限定本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性应力传感垫片，其特征在于，包括依次连接的第一绝缘封装层(1)、第一电极层(2)、介电层(3)、第二电极层(4)和第二绝缘封装层(5)；所述第一绝缘封装层(1)、第一电极层(2)、介电层(3)、第二电极层(4)和第二绝缘封装层(5)均为环形。2.根据权利要求1所述的一种柔性应力传感垫片，其特征在于，所述第一绝缘封装层(1)、第一电极层(2)、介电层(3)、第二电极层(4)和第二绝缘封装层(5)之间通过材料自身的自粘性粘接为一体。3.根据权利要求1所述的一种柔性应力传感垫片，其特征在于，所述介电层(3)为多孔硅橡胶材料。4.根据权利要求1所述的一种柔性应力传感垫片，其特征在于，所述第一绝缘封装层(1)、第一电极层(2)、介电层(3)、第二电极层(4)和第二绝缘封装层(5)的内径和外径均相同。5.一种基于柔性应力传感垫片的应力监测系统，其特征在于，包括权利要求1所述的柔性应力传感垫片和数据和信号处理模块，所述数据和信号处理模块用于采集柔性电容传感垫片的电容值，并将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输出。6.根据权利要求5所述的一种基于柔性应力传感垫片的应力监测系统，其特征在于，所述数据和信号处理模块包括依次连接的导线接口...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋维涛，刘红忠，鲁韩杰，赵飞楠，尹磊，史永胜，陈邦道，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：