建筑物钢结构焊接裂纹监测装置的制作方法

本发明涉及钢结构焊接质量检测技术领域，尤其涉及一种建筑物钢结构焊接裂纹监测装置。

背景技术：

钢结构焊接是一个比较特殊的物理冶金的过程，能够影响焊接构件焊接质量的原因很多，如焊接工艺的缺陷与设备本身的问题、材料等因素的影响，对钢结构的力学性能都会带来不利影响。在影响钢结构焊接质量与安全性的诸多因素中，焊接裂纹的危害性极大，而隐藏在焊接接头近表面的焊接裂纹往往又是致命裂纹的起点，因此，对于焊接表面及近表面焊接裂纹的监测尤为重要。目前，在对钢结构焊接裂纹检测常采用钢结构内部缺陷检测手段包括超声波、射线检测，对钢结构表面焊接裂纹常采用钢结构表面缺陷检测手段包括磁粉、渗透检测。多由检测人员手持检测仪器在焊接接头处进行扫描、或拍片、或喷涂磁悬液、渗透液检测，但是，对于焊接的超高层的大型复杂建筑物的钢结构来说，检测人员手手持检测仪器进行检测时，常有漏检现象的发生，为避免漏检，在检测时需要进行多次检测，检测效率低，并且检测人员长时间手持检测仪器，加重了检测人员的工作强度。对于缺陷，尤其是超高层建筑物的钢结构焊缝中的实际缺陷进行在线监测方面仍然存在相当大的困难，检测识别耗时耗力，识别精度低，准确性差、检测效率低。因此，需要一种技术方案解决现有技术的不足。智能涂层传感器由于采用智能涂层进行钢结构焊接裂纹实时监测，利用钢结构裂纹产生会导致其涂层的电阻改变的原理来探测裂纹的开始和扩展宽度，通过互联网可以有效地实施在线实时监测、避免漏检现象的发生，并且监测稳定可以实现自动化监测,使其应用于建筑物钢结构焊接裂纹监测装置中具有明显的优势，可实现对钢结构结构件的焊接裂纹实时监测、监测其裂纹萌生及扩展情况。

技术实现要素：

针对以上现有技术的不足，本发明的目的是提供一种采用智能涂层技术的建筑物钢结构焊接裂纹监测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

所述建筑物钢结构焊接裂纹监测装置，包括前端传感器层、集中控制器层、远程控制端层的3个层次，所述前端传感器层由多个结构相同的数据采集器组成、且每一个数据采集器的输出端均连接有一个结构均相同的涂层传感器，所述集中控制器层包含有多个结构均相同的集中控制器和网络链路组成、且每一个集中控制器通过电力线与多个结构相同的的数据采集器相连接并进行载波通信，所述远程控制端层包含有监控中心，所述监控中心包括管理者、pc控制主机、打印机、服务器，网关，所述pc控制主机采用计算机、其计算机中安装控制软件和数据库，所述pc控制主机分别与管理者、打印机、服务器连接，所述服务器与网关连接，所述网关通过网络链路分别与集中控制器连接。

本发明整个系统采用自定义的通信协议确保数据传输过程的可靠和安全，所述网络链路可通过无线链路、有线链路、光纤链路传递方式组成，并且由涂层传感器采集得到的数据接入数据采集器，并进行数据交换，传到集中控制器，涂层传感器到数据采集器、数据采集器到集中控制器可通过电力线传递，集中控制器到监控中心可通过网络链路传递，管理者通过网络链路远程读取和显示数据，实时监测涂层传感器两端的电阻变化状态，根据传感器上检测的焊接裂纹发展的位置和长度，用数值模拟计算传感器两端的电阻变化，由于焊接裂纹模式的不确定性，涂层传感器的特征值为电阻，通过用涂层传感器配套的数据采集器和集中控制器对涂层传感器两端的电阻进行采集，根据传感器的工作原理便能分析计算得出被测点的实际工作情况，自动检测焊接裂纹实际作情况并上报监控中心；另外本发明设置的pc控制主机控制方式,实现管理者与本发明的交互。

所述涂层传感器由与结构基底紧密结合的驱动层、信息感知的传感层及相应保护层组成，其中，驱动层与传感层是构成焊接裂纹监测的涂层传感器的核心；

所述驱动层由聚合物、纳米无机矿粉、改性剂组成，与结构基底和传感层固化融合成一体，具有良好的基底随附损伤特性；驱动层的另一作用是隔离基底与传感层，从而使传感层的电参量信息不受基底的干扰。驱动层是直接利用基底底漆进行相关改性生产，使其能够优化涂层的基本结构，同时能够最大限度地保护涂层与原基底结构防腐性能的相容性。

所述传感层由聚合物、导电粒子、改性剂组成，当发生裂纹产生和裂纹扩展的情况时，在驱动层作用下，传感层由于具有随附损伤特性的特点，将通过其电参量的明显而有规律的变化来同步反映驱动层的裂纹发展变化趋势。传感层采用具有机敏的电阻特性金属铜薄膜，通过相关制备技术将铜薄膜控制在一定的厚度范围之内，这样就能取得良好的随附损伤特性。

所述驱动层、传感层与结构基底材料固化成一体，在建筑物钢结构个关键或危险部位组成智能微型表层传感网络，组成为对载荷和结构造成的损伤的敏感监测网络末梢。

所述保护层的功能是涂层传感器的日历寿命原则上与应于钢结构同寿命，这就要求涂层传感器能够经受各种载荷和环境的长期考验，包括温度、湿度、环境介质的侵蚀等，因此可利用覆盖保护涂层的办法来解决耐久性的问题。具体来说，保护层可以是一般的钢结构涂装，也可以是某种经过特殊设计的涂层。

所述涂层传感器的传感层实为电阻条的并联，电阻条的宽度2mm，间距1mm，整个传感器宽度8mm，长度不限，布置在焊接两侧的焊缝热影响区内。由于建筑物钢结构焊接工作复杂，其最重要的部位有巨型柱连接处的焊接以及巨型桁架处的焊接。本发明的监测点布置原则为：巨型柱构件的柱脚布置裂纹测点，选择8根巨型柱中的至少1根巨型柱和监测层的至少1榀径向桁架作为监测对象。另外，沿建筑物立面，分别在底部、中部、顶部选择多个不同的楼层面中的相对应的部位的巨型柱和径向桁架作为监测对象布置点，使其涂层传感器布置在内埋钢柱焊缝位置以及混凝土表面；并且每层安装至少1个测点，每个测点3个涂层传感器。传感器现场按照：打磨贴装表面→焊接→临时固定→完全固定→表面涂防火材料5个步骤完成传感器的安装。

所述数据采集器，包括电源模块、通道选择器、信号处理器、模数转换器、stm32微控制器i、采集通信模块、通信接口，所述通道选择器、信号处理器、模数转换器、stm32微控制器i、采集通信模块、通信接口顺次电性连接，所述电源模块分别与通道选择器、信号处理器、模数转换器、stm32微控制器i、采集通信模块、通信接口电性连接，所述stm32微控制器i与通道选择器电性连接。

所述数据采集器控制核心器件的stm32微控制器i控制通道选择器选择被监测的能涂层传感器，所述涂层传感器的模拟信号经过信号处理器进行滤波调理处理，所述信号处理器滤除模拟信号中的50hz工频噪声，使其滤波后的模拟信号由模数转换器转换成数字信号，所述数字信号进入stm32微控制器i、并由stm32微控制器i发送至采集通讯模块，所述采集通讯模块通过通信接口与后置的集中控制器进行直流载波通信，其直流载波每次采集的监测数据发送三遍并由后置的集中控制器判断是否采用，并且整个数据采集器的供电来自电源模块，所述电源模块从来自后置的集中控制器的直流载波中提取4～6v的直流电作为供电输入。

所述集中控制器，包括计数器、ac电源输入、ac/dc电源转换、集控通道选择器、集控通信模块、stm32微控制器ii、网络通信模块、led显示屏、集控flash，所述stm32微控制器ii分别与计数器、ac/dc电源转换、集控通道选择器、集控通信模块、网络通信模块、led显示屏、集控flash电性连接，所述ac/dc电源转换与ac电源输入电性连接。

所述集中控制器控制核心器件的stm32微控制器ii控制集控通道选择器选择接入的前置数据采集器，stm32微控制器ii控制集控通信模块实现与各个前置数据采集器的直流载波方式通讯，所述集控通信模块将收到的各个前置数据采集器传输的数字信号发送至stm32微控制器ii，所述stm32微控制器ii对信号进行处理，其stm32微控制器ii对错误数据进行丢弃处理，并且stm32微控制器ii将处理结果显示在led显示屏上，以及stm32微控制器ii将处理结果保存在集控flash存储器中，记录的数据中包含了时间信息，该时间信息由计数器提供，所述集控flash存储器提供存储空间存储数据，备查，所述stm32微控制器ii通过网络通信模块、及网络链路与监控中心的网关网络链接实时通信，整个集中控制器的供电是由ac电源输入后、通过ac/dc电源转换处理后的直流电源，并且ac/dc电源转换需要外接一个15～27v的变压器实施。

所述集中控制器主要有两个功能，一是通过电力线与各个前置数据采集器进行数据传输，控制各个数据采集器和数据采集器进行数据交换，二是通过网络通信模块与监控中心的服务器建立网络链接,实现数据的通信,便于远程管理和控制。

有益效果：本发明公开的建筑物钢结构焊接裂纹监测装置架构可以划分为前端传感器层、集中控制器层、远程控制端层的3个层次。前端传感器层由多个数据采集器组成、且每一个数据采集器均连接有一个涂层传感器，集中控制器层包含有多个集中控制器和网络链路组成、且每一个集中控制器通过电力线与多个数据采集器连接并进行载波通信，远程控制端层包含有监控中心，并且监控中心通过网络链路分别与集中控制器连接，通过对涂层传感器两端的电阻进行采集，根据传感器工作原理分析计算得出实际工作情况，自动监测焊接裂纹实际情况并上报监控中心,实现管理者与本发明的交互。本系统具有数据传输可靠、响应时间短特点,并且易于进行远程管理和控制。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构图；

图2为本发明的涂层传感器剖面示意图；

图3为本发明的涂层传感器安装示意图；

图4为图3局部放大示意图；

图5为本发明的数据采集器结构图；

图6为本发明的集中控制器结构图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

如图1所示，所述建筑物钢结构焊接裂纹监测装置，包括前端传感器层、集中控制器层、远程控制端层的3个层次，所述前端传感器层由多个结构相同的数据采集器组成、且每一个数据采集器的输出端均连接有一个结构均相同的涂层传感器，所述集中控制器层包含有多个结构均相同的集中控制器和网络链路组成、且每一个集中控制器通过电力线与多个结构相同的的数据采集器相连接并进行载波通信，所述远程控制端层包含有监控中心，所述监控中心包括管理者、pc控制主机、打印机、服务器，网关，所述pc控制主机采用计算机、其计算机中安装控制软件和数据库，所述pc控制主机分别与管理者、打印机、服务器连接，所述服务器与网关连接，所述网关通过网络链路分别与集中控制器连接。

本发明整个系统采用自定义的通信协议确保数据传输过程的可靠和安全，所述网络链路可通过无线链路、有线链路、光纤链路传递方式组成，并且由涂层传感器采集得到的数据接入数据采集器，并进行数据交换，传到集中控制器，涂层传感器到数据采集器、数据采集器到集中控制器可通过电力线传递，集中控制器到监控中心可通过网络链路传递，管理者通过网络链路远程读取和显示数据，实时监测涂层传感器两端的电阻变化状态，根据传感器上检测的焊接裂纹发展的位置和长度，用数值模拟计算传感器两端的电阻变化，由于焊接裂纹模式的不确定性，涂层传感器的特征值为电阻，通过用涂层传感器配套的数据采集器和集中控制器对涂层传感器两端的电阻进行采集，根据传感器的工作原理便能分析计算得出被测点的实际工作情况，自动检测焊接裂纹实际作情况并上报监控中心；另外本发明设置的pc控制主机控制方式,实现管理者与本发明的交互。

如图2所示，所述涂层传感器由与结构基底紧密结合的驱动层、信息感知的传感层及相应保护层组成，其中，驱动层与传感层是构成焊接裂纹监测的涂层传感器的核心；

所述驱动层由聚合物、纳米无机矿粉、改性剂组成，与结构基底和传感层固化融合成一体，具有良好的基底随附损伤特性；驱动层的另一作用是隔离基底与传感层，从而使传感层的电参量信息不受基底的干扰。驱动层是直接利用基底底漆进行相关改性生产，使其能够优化涂层的基本结构，同时能够最大限度地保护涂层与原基底结构防腐性能的相容性。

所述传感层由聚合物、导电粒子、改性剂组成，当发生裂纹产生和裂纹扩展的情况时，在驱动层作用下，传感层由于具有随附损伤特性的特点，将通过其电参量的明显而有规律的变化来同步反映驱动层的裂纹发展变化趋势。传感层采用具有机敏的电阻特性金属铜薄膜，通过相关制备技术将铜薄膜控制在一定的厚度范围之内，这样就能取得良好的随附损伤特性。

所述驱动层、传感层与结构基底材料固化成一体，在建筑物钢结构个关键或危险部位组成智能微型表层传感网络，组成为对载荷和结构造成的损伤的敏感监测网络末梢。

所述保护层的功能是涂层传感器的日历寿命原则上与应于钢结构同寿命，这就要求涂层传感器能够经受各种载荷和环境的长期考验，包括温度、湿度、环境介质的侵蚀等，因此可利用覆盖保护涂层的办法来解决耐久性的问题。具体来说，保护层可以是一般的钢结构涂装，也可以是某种经过特殊设计的涂层。

如图3-图4所示，所述涂层传感器的传感层实为电阻条的并联，电阻条的宽度2mm，间距1mm，整个传感器宽度8mm，长度依据焊缝实际长度设置，布置在焊接两侧的焊缝热影响区内。由于建筑物钢结构焊接工作复杂，其最重要的部位有巨型柱连接处的焊接以及巨型桁架处的焊接。本发明的监测点布置原则为：巨型柱构件的柱脚布置裂纹测点，选择8根巨型柱中的至少1根巨型柱和监测层的至少1榀径向桁架作为监测对象。另外，沿建筑物立面，分别在底部、中部、顶部选择多个不同的楼层面中的相对应的部位的巨型柱和径向桁架作为监测对象布置点，使其涂层传感器布置在内埋钢柱焊缝位置以及混凝土表面；并且每层安装至少1个测点，每个测点3个涂层传感器。传感器现场按照：打磨贴装表面→焊接→临时固定→完全固定→表面涂防火材料5个步骤完成传感器的安装。

如图5所示，所述数据采集器，包括电源模块、通道选择器、信号处理器、模数转换器、stm32微控制器i、采集通信模块、通信接口，所述通道选择器、信号处理器、模数转换器、stm32微控制器i、采集通信模块、通信接口顺次电性连接，所述电源模块分别与通道选择器、信号处理器、模数转换器、stm32微控制器i、采集通信模块、通信接口电性连接，所述stm32微控制器i与通道选择器电性连接。

所述数据采集器控制核心器件的stm32微控制器i控制通道选择器选择被监测的能涂层传感器，所述涂层传感器的模拟信号经过信号处理器进行滤波调理处理，所述信号处理器滤除模拟信号中的50hz工频噪声，使其滤波后的模拟信号由模数转换器转换成数字信号，所述数字信号进入stm32微控制器i、并由stm32微控制器i发送至采集通讯模块，所述采集通讯模块通过通信接口与后置的集中控制器进行直流载波通信，其直流载波每次采集的监测数据发送三遍并由后置的集中控制器判断是否采用，并且整个数据采集器的供电来自电源模块，所述电源模块从来自后置的集中控制器的直流载波中提取4～6v的直流电作为供电输入。

如图6所示，所述集中控制器，包括计数器、ac电源输入、ac/dc电源转换、集控通道选择器、集控通信模块、stm32微控制器ii、网络通信模块、led显示屏、集控flash，所述stm32微控制器ii分别与计数器、ac/dc电源转换、集控通道选择器、集控通信模块、网络通信模块、led显示屏、集控flash电性连接，所述ac/dc电源转换与ac电源输入电性连接。

所述集中控制器控制核心器件的stm32微控制器ii控制集控通道选择器选择接入的前置数据采集器，stm32微控制器ii控制集控通信模块实现与各个前置数据采集器的直流载波方式通讯，所述集控通信模块将收到的各个前置数据采集器传输的数字信号发送至stm32微控制器ii，所述stm32微控制器ii对信号进行处理，其stm32微控制器ii对错误数据进行丢弃处理，并且stm32微控制器ii将处理结果显示在led显示屏上，以及stm32微控制器ii将处理结果保存在集控flash存储器中，记录的数据中包含了时间信息，该时间信息由计数器提供，所述集控flash存储器提供存储空间存储数据，备查，所述stm32微控制器ii通过网络通信模块、及网络链路与监控中心的网关网络链接实时通信，整个集中控制器的供电是由ac电源输入后、通过ac/dc电源转换处理后的直流电源，并且ac/dc电源转换需要外接一个15～27v的变压器实施。

所述集中控制器主要有两个功能，一是通过电力线与各个前置数据采集器进行数据传输，控制各个数据采集器和数据采集器进行数据交换，二是通过网络通信模块与监控中心的服务器建立网络链接,实现数据的通信,便于远程管理和控制。

进一步的，本发明的涂层传感器工作原理可概况为随附损伤特性，所述随附损伤特性是指涂层具有与结构基底相同的表面焊接裂纹形成和扩展特性，即在涂层覆盖范围内，涂层与基底产生裂纹的部位一致，形成裂纹时间一致，裂纹扩展的过程一致或者至少具有损伤、即裂纹跟随相关性。简言之，当结构基底材料形成裂纹时，驱动层也形成裂纹，并且驱动传感层产生裂纹，当基底裂纹扩展时，驱动层裂纹也扩展，并且驱动传感层裂纹也扩展。传感层裂纹的扩展造成该层电阻阻值的异常增大，随着传感层上裂纹长度的增加，电阻阻值也将增加，直至裂纹完全贯穿传感层，涂层两端测得的电阻阻值增至接近无穷大，从而被本监测装置发现并传输到集中控制器进行信号分析处理，最终发现焊接裂纹，并且报警。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。