[发明专利]一种应力分布监测装置及方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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。

所述的输出跟随器由运算放大器和电阻R1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，R1取值为100k，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C1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C1的一端，电阻R2和电容C1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C1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。

使用上述装置的应力分布监测方法，包括如下步骤：

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；

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；

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；

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；

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；

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。