数字疲劳传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及健康监测领域，具体是一种数字疲劳传感器。
【背景技术】
[0002] 随着大型结构设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化，其耐久性日益受 到关注。例如，大跨度桥梁是处于十分复杂的环境下长期工作的，由于结构和环境诸多未知 复杂因素的作用，把握桥梁结构在营运期间的承载力和耐久性等十分重要。我国现行桥梁 设计规范缺乏对该类桥梁疲劳问题详细规定，钢或钢-砼叠合梁斜拉桥、悬索桥的设计时常 忽视对疲劳问题的考虑。因此，目前的桥梁疲劳监测系统发挥着重要作用。国内外普遍认同 的大型桥梁损伤监测方法是结合桥梁系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析 的试验模态分析方法，或采用传统的应变计或其它传感元件进行应变信号的实时采集。由 于这些监测技术固有的缺陷，监测效果不佳。本发明的数字疲劳传感器能长期安装在结构 上进行有效疲劳监测，但大型复杂结构信号传输远、环境干扰大，响应门槛值高等因素，使 其测试精度大为降低。
[0003] 为此本发明首先设计了应变倍增器，使传感器灵敏度提高，解决了门槛值高的问 题;在传感器上设计了数据采集卡，解决了数据采集、传输的干扰与温度补偿等问题。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决现有技术的问题，发明了一种数字疲劳传感器，机械结构简单，体 积小，具有较强的抗干扰能力、较高的转换精度、可以消除温度与非线性影响，并且可以进 行远距离测量传输，容易组成测试网络。
[0005] 本发明包括倍增器，倍增器上连接有采集卡，倍增器底部粘贴有疲劳计。
[0006] 所述的疲劳计为形成微观Ni原子集聚体的箱状康铜材料，从而使其具有最小电阻 率，并在常温或低温环境下保持稳定结构。
[0007] 所述的倍增器为弓形预应力结构，包括弓形弹性结构及与弓开口处连接的弹性体 (如乙烯基橡胶体），弹性体尺寸比弓开口略小，在弓口弹性体回复力作用下处于预压力状 态。由于监测结构点应变很小无法达到疲劳计进行累加的门槛值，倍增器可以放大结构应 变。
[0008] 弓形结构应变倍增器是由较厚的水平支臂和较薄的弓形中间部分线切割而成，变 形主要由弓的中间部分弯曲变形产生，两端位移集中于弓形开口处。加强了倍增器结构的 整体性，在制作和安装过程中都简单了很多，中间弓形结构弯曲变形比水平支臂的轴向变 形大得多，通过水平支臂将两端安装脚之间的位移集中于弓形开口处，使得开口处的橡胶 弹性体上的应变放大，粘贴在其上的疲劳计既可以承受拉应变也可承受压应变工作;采用 预应力结构，从而保持可靠联接。
[0009] 所述的采集卡装有采集通道，其中有两个采集通道与疲劳计组成半桥电路。由于 监测点的易疲劳部分分布较分散，且与监测站的距离一般很远，且由于车辆的振动引起的 信号线传输电阻与分布电容变化对这种微弱信号传输干扰很大。这就造成采集的模拟信号 存在较强的干扰信号，且需要较多的信号线;采用数据采集卡将电阻变化直接转换为数字 信号进行传输。
[0010]所述的采集卡采用片上系统ADUC845,片上系统集成有两路独立的高分辨率Σ-Δ 型A/D转换器，8路模拟输入通道，稳压电路，温度采集电路，高精度低温漂供桥电路与参考 电路。可以采集监测点温度，由于温度对疲劳计电阻的影响很大，采集到的温度可以为温度 对疲劳计电阻的影响进行修正。通过片上系统还可以对电桥的非线性修正提供依据。
[0011]所述的采集卡采用RS-485通讯接口，可以适应长距离通讯。每个传感器都有自己 的地址，易于组成监测网络;一根信号线上最大可以挂64只传感器。
[0012] 本发明的数字疲劳传感器与疲劳分析软件结合即可计算出大型结构的剩余寿命。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明结构示意图。
[0014] 图2为倍增器结构示意图。
[0015] 图3为本发明应用于监测网络示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0017] 本发明结构如图1所示，包括疲劳计1.1，倍增器1.2和采集卡1.3及组成倍增器1.2 的水平支臂2.1、弓形体2.2、安装脚2.3、橡胶弹性体2.4。
[0018] 弓形结构应变倍增器1.2是由较厚的水平支臂2.1和较薄的弓形体2.2中间部分线 切割而成，变形主要由弓形体2.2的中间部分弯曲变形产生，两端位移集中于弓形开口处， 两侧水平支臂2.1-端有两只安装脚2.3;弓形开口填有乙烯基橡胶体即弹性体2.4,在弹 性体2.4上粘贴有两片疲劳计1.1，在水平支臂2.1 -侧下方粘贴另外两片疲劳计1.1，在水 平支臂2.1另一侧开槽，将采集卡1.3安装在水平支臂2.1上。
[0019] 疲劳计是由特殊热处理加工的康铜材料，制成箱状的成品材料形成微观Ni原子集 聚体，从而使其具有最小电阻率，并在常温或低温环境下保持稳定结构。在交变载荷作用下 位错通过集聚体使其分解，从而电阻率变大，载荷卸除后电阻变化保留。电阻变化率与交变 应变量和循环周次呈单调增非线性函数关系，这种微结构相当稳定，在_50°C~80°C范围性 能不变。电阻累计值可达10% (1〇〇 Ω可变化到110 Ω )，精度优于8%。本身的疲劳寿命比普 通应变计高得多，适用于结构疲劳长期监测。如在Δ ε =4000με下，寿命大于3 X 105，比常用 结构钢的疲劳寿命高得多。但存在一个门槛值约为Α ε = 2000με，小于此值的交变应变不产 生电阻累积效应。
[0020] 大型工程结构产生疲劳损伤的交变应变约为Δ ε=80με左右，疲劳计产生电阻累 积的门槛值约为Α ε = 2000με。为此设计了应变倍增器，将表面应变放大，使损伤载荷作用 下疲劳计产生疲劳响应。数字疲劳传感器使用的弓形预应力结构应变倍增器。它是由一弓 形弹性结构及在弓开口处的乙烯基橡胶体组成的。乙烯基橡胶体尺寸比弓开口略小，弓形 弹性结构两端加力张开弓口后放入乙烯基橡胶体，乙烯基橡胶体在弹性体回复力作用下使 其处于预压力状态，再在侧边涂胶与弓体保持可靠联接。其特点是：弓形结构应变倍增器是 由较厚的水平支臂和较薄的弓形中间部分线切割而成，变形主要由弓的中间部分弯曲变形 产生，两端位移集中于弓形开口处。加强了倍增器结构的整体性，在制作和安装过程中都简 单了很多，中间弓形结构弯曲变形比水平支臂的轴向变形大得多，通过水平支臂将两端安 装脚之间的位移集中于弓形开口处，使得开口处的橡胶弹性体上的应变放大，粘贴在其上 的疲劳计既可以承受拉应变也可承受压应变工作;采用预应力结构，从而保持可