专利名称：地下结构力致发光色敏传感器制作和安装及其监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器开发与应用技术领域，尤其涉及一种对大型地下建筑结构损伤 发展状况进行实时监测的色敏传感器制作、安装工艺和监测系统。
背景技术：
地下建筑结构独特的抗灾能力，使得地下结构日益成为合理利用土地资源的重要 途径；另一方面，随着时间的推移，世界各国早期修建的地铁、地下仓库、大坝等大型地下岩 土结构与其早期建立的监测系统逐渐到了晚年服役阶段，加上新修建的地下工程和开发的 新型地下施工技术，这些都急需可靠的岩土监测技术。然而目前大型地下结构损伤识别仍 然靠传统的水准仪、全站仪、土压力传感器、孔隙水压力计和加速度计等传感器感知结构的 变化，然后计算结构的安全性指标，由于这些传感器都是主动传感器，需要外部提供能源才 能工作，而水准仪、全站仪等设备还另外需要人工操作，因此传统的岩土工程监测方法越来 越不适应现代地下大型结构安全监测所需的快捷、实时监测的要求。在监测信号处理上，传统处理模式需要对传感器采集的特征信号进行二次计算， 然后再根据土体和结构有限元或者解析模型，分析判断处理结果，再进行对比，最后得出结 构安全性态，因此大型地下结构传统的安全监测数据处理系统庞大，对传感器和数据采集 设备的要求很高，数据采集系统复杂，这些使得监测系统的可靠性、冗余性、耐久性和可维 护性指标都差强人意，尤其是岩土变形的复杂预测计算，如kalman滤波预测法、神经网络 岩土位移预测、随机子空间法、时间序列法、小波分析等信号处理方法以及后期进行的岩土 三维计算对比和预测，进一步使岩土监测的实时性受到很大的干扰甚至劣化，监测结果不 能及时提供给进入地下建筑结构中的人和各种机械设备，从而使地下结构监测失去真正的 监测意义。另外，在地震、爆炸等各种灾害中，发生频率最高的次生灾害就是停电，而断电后 导致各种监测仪器设备不能工作，这将极大地阻碍结构评估和后期救援。因此降低监测系 统对外界电源的依赖，开发被动感知技术，已成为国际上新型监测系统健壮性的重要标志。鉴于国内外岩土工程监测技术发展现状，目前急需发展被动不需要外界能源，或 者对外界能源依存度很低的地下结构新型传感器，以及基于此的地下结构安全监测新型实 时数据处理传输和预警系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够为地下结构损伤过程提供可靠的监测传感器，该 传感器不需要外界提供能源，利用自身材料受力发光的特性，将其所受压力转化为颜色，不 需要信号的处理直接快速反馈结构安全状态。对于需要进行结构预警的监测区域，将在传 感器上安装附加的数据采集单元，监测系统将采集的信号准确、实时地以无线的方式传输 到进入地下结构中的所有人和机械设备上，同时也将信号传输到控制中心，为地下结构生 命全周期监测和地下工程先进施工技术，提供重要的现场结构信息，为保证大型地下复杂结构在施工和服役期内的安全，提供可靠的理论和实践验证数据。本发明是这样实现的其技术结构分为压力色敏传感器及制作技术、压力色敏传 感器安装技术和压力色敏传感器监测系统三大部分，下面分别对其技术特点进行阐述。一、压力色敏传感器及制作1、压力色敏传感器结构压力色敏传感器结构为一圆柱形结构和底部一凸出的柱帽组成。圆柱形的顶部为 透光性较好的钢化玻璃，圆柱形柱体外层为压力色敏传感器的保护层外壳，该外壳由镀铬 钢片组成，它有较好的强度，保护内部色敏薄膜在横向受力后不变形；圆柱钢片内部为色敏 薄膜，薄膜外面包有一层黑色绝缘塑料管，该塑料管能够减少色敏薄膜的漏光及不受外界 电磁场的干扰，同时也能对色敏薄膜进行防水，黑色绝缘塑料管及其包的色敏薄膜伸出钢 片外壳下端形成传感器凸出的柱帽，它是传感器中色敏薄膜接受传力杆传来压力的地方， 通过这个柱帽，传感器感知压力。传感器下部为传力杆，它由其上端板和下端板以及中间至少3个支撑杆组成。通 过调节中间支撑杆的长度，可以将色敏薄膜和测点紧密连接起来，从而使传感器柱帽与测 点耦合良好。另外，作为预警用的传感器需要和POINT连接以进行数据采集，在压力色敏传感 器上设有数据接收端口。2、压力色敏传感器制作工艺第一步色敏传感器基材选择选择制作色敏薄膜的无机异构体和参晶缓色辅助基材，根据传感器对色敏度的要 求，首先确定无机异构体微胶囊尺寸，测定该基材中有机大分子团的分布，根据对分子团受 压后跃迁能量的计算，判断基材是否满足传感器色敏度的要求。第二步色敏薄膜制作色敏基材确定后，根据传感器尺寸大小，制作在压力作用下自发光的色敏薄膜，将 色敏基材放入坩锅内，在融化温度内(400度-1200度)，分3个阶段分别加入SrTi03、激活 剂和助溶剂材料进行调制、组合，冷却后将形成的薄膜粗材进行碾压成规格薄膜。这种薄膜 即可在压力的作用下改变自身的颜色，而不需要外界提供能源。第三步传感器封装将检测合格的色敏薄膜按设计发光要求做成不同灵敏度的受压发光体，在其外 面用防锈能力较好的镀铬钢片作为传感器的保护层，传感器的底部为受压面，受压面上连 接有可调节长度的传力杆，通过传力杆可以让传感器感知远处土体中的压力。为了保证传 感器的耐久性，本发明设计了传感器的封装技术，其主要完成以下工艺(i)传感器防水处 理；(ii)传感器光路设计；(iii)传感器压力接触面传力装置设计；最后根据传感器使用环 境，进行传感器封装工艺现场检测。第四步传感器标定该步骤主要对压力色敏传感器的发光灵敏度、光谱分布、产光率、综合耐久性等指 标进行检验，并进行基于传感器标称灵敏度的技术参数标定，完成色敏传感器的成型制作。二、压力色敏传感器安装技术压力色敏传感器现场安装技术是本发明技术的关键内容之一。通过合理的安装步骤，才能够保证传感器有效获取地下结构的应力变化，正确感知地下结构的位移发展，该技 术包含如下几项内容第一步传感器测点的选择确定地下结构监测最佳测点的位置和数量。根据具体的地下结构受力状态，首先 分析计算出具有代表性的所有监测点，然后根据传感器埋设和维修的约束条件，再结合监 测规范、规程，得出结构监测的合理测点，最后通过现场校验对比，测试并验证所选测点的 正确性。第二步传感器传力杆的定位根据监测对象赋存空间，选择传感器埋设坐标；设计传感器传力装置中耦合传力 杆的长度和端部伸入土体中的长度，保证压力色敏薄膜与被监测体形成有效接合，使色敏 传感器发出的颜色真实反应监测对象的应力状况。第三步传感器检验和标定传感器安装之后的校验工作由此项技术完成。此项技术提供传感器工作参数的现 场测试方法，首先确定传感器的有效工作状态，然后根据传感器工作环境和可见度，完成传 感器初始输出颜色信号的调试和标定。对完成标定的传感器，需要将测试标定监测对象相 关信息以GIS形式存入数据采集系统DSP的EPPR0M内存片中，完成压力色敏传感器信息初 始化工作。三、压力色敏传感器监测系统该系统主要为地下工程结构安全预警与管理而专门开发的一套功能软件。尽管压 力色敏传感器可以通过颜色直接对监测结构的危险状态进行报警，但对于需要预警的监测 区域，则需要对结构信号进行基于模型处理后的传输与信息发布，对分布于地下结构各个 关键部位的传感器，进行信号采集传输、发布等管理，是压力色敏传感器监测系统的重要组 成，该功能由以下内容组成第一步压力色敏信号采集与无线传输监测系统数采部分由数个POINT模块组成。在每个POINT模块内有数十到数百个 测点，每个测点由独立的AD/DA器件将颜色信号转化为数字信号；在POINT模块内，设置了 测点位置信息描述的GIS信号存储器，该GIS信号和传感器颜色信号一起由POINT内的无 线发射模块发射到无线CAN总线的无线接收端内，再由无线CAN总线发射器传输至结构安
全管理中心。第二步监测信号有效性判断和信号处理该步是结构预警计算的主要内容。它主要执行两个方面的任务，第一个任务是当 监测系统采集完数据后，对所采集的数据进行分析，判断采集数据的有效性，诊断传感器的 自身状态，对采集系统进行自维护；第二个任务是对监测数据进行计算，判断监测点是否处 于危险状态。第三步监测信号网络发布本发明开发了通用性较高的网络数据库发布系统，该系统将监测点的颜色监测信 息、监测点的预警信息和各个测点的GIS信息组合在一起，同步向Internet网络和地下结 构管理专用物流网络发布，实时播报结构安全信息。本发明的优点在于(1)在线提取大型地下建筑结构(如大型隧道、城市地铁、地下仓储、坝体、海工水下结构、LNG地下罐体、高等级公路路基等地下工程)的损伤状况，跟 踪并预测结构关键部位的安全状态，迅速确定结构损伤位置，最大限度防止恶性事故发生； (2)由于大型地下结构理论计算带有经验性，服役环境荷载比较复杂，理论计算往往隐含了 地下掩蔽体结构的可再生缺陷，大型地下结构的服役环境一旦满足了该缺陷发生的条件， 将导致灾难性后果。因此大型地下复杂结构监测技术是岩土工程理论计算的重要现场验证 手段，也是保证结构在理论计算环境下正常完成其实际环境工作不可或缺的关键技术。本 发明的压力色敏传感器能够以颜色直接反馈结构应力，监测表达简单明了，具有很强的实 时性和可观性，同时传感器还设计有无线采集与传输系统，监测信号具有很强的可控性。该 发明专利不仅能够为地下结构的安全提供准确的实时性态参数，还能够随着传感器使用时 间的增加，不断完善地下结构计算模型和结构劣变规律，通过压力色敏传感器信号的积累， 预测未来一段时间内地下结构安全的动态发展趋势；(3)基于压力色敏传感器的监测系 统，具备集散控制和近程即刻报警功能，与地下结构管理的物流网联合，能够实现结构安全 信号的迅捷传达、信息透明和共享；(4)由于监测系统的开放性，监测系统计算模型具有很 好的可维护性和健壮性，从而保证了各种不同土体环境下大型地下复杂结构在服役期内危 险状况分析与计算的定制特点，以准确获取与评估被监测对象。
图1是压力色敏传感器结构2是压力色敏传感器制作工艺流程3是传感器安装工艺流程4是数据采集与无线传输程序框5是测点数据有效性判断程序框6是数据处理系统程序框7是监测信号与预警信息发布程序框图
具体实施例方式下面结合附图对本发明做更详细的描述大型地下结构损伤状况实时识别的压力色敏传感器及其监测系统技术主要由(A) 压力色敏传感器制作；(B)压力色敏传感器安装工艺；(C)包括信号传输与后处理的压力色 敏传感器监测系统三部分组成，下面结合附图进行详细阐述。(A)压力色敏传感器及制作1、压力色敏传感器压力色敏传感器结构分为上下两部分，上部分为主体结构，它为一圆柱形结构和 底部一凸出的柱帽组成。圆柱形的顶部1为透光性较好的钢化玻璃，圆柱形柱体外层为压 力色敏传感器的保护层外壳2，该外壳由镀铬钢片组成，它有较好的强度，能够保护内部色 敏薄膜在横向受力后不变形；圆柱钢片内部为色敏薄膜5，薄膜外面包有一层黑色绝缘塑 料管3，该塑料管能够减少色敏薄膜的漏光并保护色敏薄膜不受外界电磁场的干扰，同时也 能对色敏薄膜进行防水，黑色绝缘塑料管3及其包的色敏薄膜5伸出钢片外壳2下端形成 传感器凸出的柱帽，它是传感器中色敏薄膜接受传立杆7传来压力的地方，通过这个柱帽，传感器感知压力。传感器下部为传力杆7，它由上端板6和下端板8以及中间3个支撑杆7组成。支 撑杆为空心镀铬钢管，上下端板为镀锌钢板，通过调节中间立杆的长度，可以将色敏薄膜和 测点紧密连接起来，从而使传感器柱帽与测点耦合良好。另外，作为预警用的传感器需要和POINT和连接以进行数据采集，在压力色敏传 感器1上设有数据接收端口 4。以上压力色敏传感器的结构如图1所示2、压力色敏传感器制作工艺(1)选用色敏基材本发明采用无机噻吩类衍生物和单晶SrTi03材料作为制作传感器的色敏基质， 对选定的每种无机噻吩衍生物，首先测定其聚合物内微胶囊中大分子团的形态和数量，然 后计算该材料的原子团受压后理论的跃迁能量，检查基材的受压发光能力是否满足传感器 制备的要求。(2)色敏薄膜制作根据传感器尺寸大小，设计薄膜制作加工所需耐火材料专用坩埚尺寸，设定材料 加热温度范围，在最佳摄氏940度温度环境下，5分钟后基材开始全部融化，在15分钟、32 分钟和48分钟三个时间间隔阶段内，分别依次加入SrTi03、激活剂和助溶剂材料与融化的 材料进行调制和组合，冷却后将形成的薄膜粗材进行碾压成规格薄膜。这种薄膜即可在压 力的作用下改变自身的颜色，而不需要外界提供能源。(3)色敏薄膜增敏根据传感器发光颜色要求，在冷却过程中逐步添加铝酸锶敏化剂，加强色敏传感 器发光效果。(4)传感器封装根据压力色敏传感器环境使用要求，用防锈能力较好的镀铬钢片设计传感器外围 圆柱体保护层，传感器顶部用透光性较好的钢化玻璃，传感器底部为传力杆钢制扩大圆形 端部，接缝部位采用真空焊接，然后打磨，以形成足够的传感器周身强度和顶部的透明度；(5)传感器耐久性处理为了保证传感器的耐久性，需要对传感器各个接缝和引线接口做传感器的防水、 防腐和防振等耐久性处理。(6)传感器压力传递装置设计根据不同监测情况，设计压力色敏传感器压力传递装置中传力杆的长度、传力杆 圆形端部的强度和构造措施，保证色敏材料与监测物的充分耦合。(7)传感器标定和检验为了保证压力色敏传感器的工作指标，需要对传感器的电气参数、灵敏度和光谱 分布、产光率、综合耐久性等指标进行检验，并进行基于传感器标称灵敏度的技术参数标 定，完成色敏传感器的成型制作。以上过程如图2所示。(8)传感器附加部分数采AD/DA设计，该部分是针对有地下结构集散控制中心的预警要求以及无线近 程即刻报警功能监测区域的传感器专门设计的。
(B)压力色敏传感器安装工艺(1)地下结构监测测点选择地下工程监测测点选择主要根据岩土模型理论计算确定监测区域中最有代表性 的监测点。本发明计算软件中包含地下结构土体的弹塑性E-B模型、岩土体孔隙水压力计 算模型、多孔介质修正Biot计算模型和支护结构应力应变计算模型。由于土体本构模型的 复杂性和不确定性，以及支护结构的多样性，本发明中提供的测点选择计算模型主要是指 导用户根据压力色敏传感器的特点，如何结合岩土计算模型选择地下结构最优测点。测点 计算理论模型是开放的，不同土体可以输入不同计算模型，得到不同的测点集，同时计算模 型接口是标准的，不同用户可以自定义测点计算选择方法，完成各种特殊环境下监测任务 的测点选择工作，从而使选择的测点具有可观性和可控性。(2)压力色敏传感器传力杆埋设深度确定此项技术提供如何在地下结构中正确安装压力色敏传感器。压力色敏传感器主要 安装在地下工程中的支护结构和岩土体中，为了让色敏传感器底部受压面和监测点紧密结 合，需要调整压力色敏传感器的传力杆位置，确定传力杆端部圆盘尺寸，设计传力杆孔洞回 填材料和工艺，以确保色敏传感器受力正确。(3)压力色敏传感器现场颜色调试传感器安装完毕后，为了使传感器具有较好的压力发光效果，根据光谱仪测试的 监测现场光谱分布，调整传感器传力杆端部的预紧力，使传感器在压力安全状态和危险状 态的颜色有明显的区别，并按照要求设计出光感效果最好的发光颜色，然后锁止预加力装 置，做好传感器报警初始颜色的记录。(4)压力色敏传感器现场标定传感器现场标定是传感器自身状态诊断的初始依据。实验室标定完的传感器，在 现场安装调试完后，必须进行二次标定。该步技术首先用标准压力传感器计算测点土压力， 然后用光谱仪分析传感器的发光光谱，测试传感器的灵敏度和颜色变化跃迁时间及稳定系 数，最后检验传感器抗冲击和耐水压力能力。另外，对于有数据采集附加装置的测点，需要 按照数据采集的国家标准，对采集装置的各项电气化和物理化学指标进行标定。只有上述 标定工作合格的传感器才能进入测点组网和数据传输。(5)监测点GIS信息生成对完成标定的传感器，需要将测试标定人员信息(姓名、工号)以及传感器的工程 位置信息、传感器测试标定结果和传感器监测对象信息以6IS形式存入数据采集系统DSP 的EPPR0M内存片中，完成压力色敏传感器信息初始化工作。上述过程如图3所示。(C)压力色敏传感器监测系统为了完成对某个监测点或者监测区域的预警功能，监测系统不能直接根据压力色 敏传感器的颜色信号进行预警，因为对正常的结构，传感器发出的颜色一直不变，对于性态 变坏但并没有超过限值的监测点，传感器发出的颜色从表上面看并没有多大的变化，或者 说人眼不能做出正确的分辨，此时必须从光谱上进行分析，通过计算确定监测点结构劣变 的程度，并借助模型推断结构最终破坏的时间，并及时做出预警和维修决策。为了满足上述 功能，同时考虑到地下结构一般比较大、基础埋深比一般建筑物要深，监测系统数据采集与 传输采用无线方式，然后经过数据判断和处理，最后将监测计算结果发布到网络上，其具体
10的技术处理过程如下。(1)压力色敏传感器分区采集为了提高采集效率和监测系统本身的健壮性，压力色敏传感器监测系统采用了分 区测点数据采集技术。该技术将全部测点分成几个采集区域，每个区域集中采集，然后再汇 合到一起向监控中心传输。这种数据采集技术称为“POINT”方法，每个POINT能够采集数 百个测点。这种采集方法非常适合地下结构的安全监测。本发明中POINT数采系统功能设计为首先是传感器的AD/DA数据采集装置，这部 分装置直接安装在压力色敏传感器的数据线上，它负责数据的直接采集；然后是POINT的 数据收集模块，该模块利用无线的方式将AD/DA的数据进行汇集、然后在POINT内进行暂存 并处理，最后以无线的方式向无线CAN总线进行发射。(2)无线CAN总线数据传输POINT收集处理完数据后，用无线的方式向CAN总线进行发送。无线CAN总线是 目前较为稳定的数据传输控制方法，在本发明中，压力色敏传感器监测系统采用了无线CAN 总线技术，用来接收POINT用无线发射器传来的监测数据。本专利中无线CAN总线设计了 如下技术特点(i)无线CAN总线具备两个无线发射模块，一个负责向控制中心传输信号；另外一 个负责向蓝牙等标准无线接收器进行群发。这样可以使拥有蓝牙等标准无线接收装备的人 或者设备接收结构预警信号。(ii)无线CAN总线具备大容量数据发射功能。能够以图形、图像和声音的方式 同步发射预警信号，其发送协议满足TD-SCDMA第三代高速数据传输的蜂窝移动通讯技术 (3G)，传输信号不仅具有监测点的预警信息，同时还携带了监测点和传感器自身的各种GIS 信息，从而使结构险情信息满足于不同层次的需要。(iii)本发明提供的POINT采集系统根据监测数目的规模进行了分级，对于大型 监测规模(测点数大于1500个，POINT模块大于10个)，系统逻辑结构为POINT上下位机 模式，上位机将AD/DA融于一块DSP芯片中，下位机由双无线CAN总线进行数据接收；对于 小规模监测(测点数小于500，POINT模块小于3个)，由多AD/DA直接采集并由一个无线 CAN总线系统驱动传输。这种分级处理的的无线CAN总线系统大大简化了数据采集、传输所 需要的硬件设备，提高了数采系统抵抗恶劣环境的能力，特别是地下结构在施工过程中的 监测灵活性。(iv)本发明中的数据采集端口和传输协议完全自主开发。POINT模块间的连接由 LabVIEff模块与C语言开发的协议数据链路层和数据网络层完成；无线CAN总线数据会话 层和表示层以及向Internet网络提供数据库的应用层采用Linuxs嵌入式软件开发完成， 这种体系可以保证数采可控、平稳地传输至接收设备上。本发明提供的这套技术，完全符合国际电子电工信号集散控制的全部协议要求， 具有很强的通用性。上述技术原理如图4所示。(3)监测系统信号有效性判断与处理方法结构损伤状态预测的核心是结构损伤计算。本发明提供的监测系统预警功能包含 了对监测信号的处理过程，为了提高信号处理效率，保证监测系统本身的健壮性，信号处理过程在POINT模块内由嵌入式C语言程序完成，无线CAN总线只负责信号的传输和管理。预 警系统的信号处理包含监测系统测点信号有效性分析和测点土压力计算两个内容，下面分 别对其进行说明。(i)测点有效性判断测点数据在POINT接收后即刻进行其有效性分析，其主要功能是对监测系统测点 自身进行验证。当监测系统受到较大破坏或耐久性耗尽时，监测系统测点有效性程序断能 够自动对所采数据的有效性进行验证，该功能也是监测系统“P0INT+CAN”无线网络自诊断 的主要部分，它构成了监测系统信号预处理计算的核心内容。它首先进行测点的灵敏度分 析，然后计算测点输出信号的幅值，再对输出颜色光谱进行对比，结合传感器传力杆的位置 判断，最后得出测点的整体质量并给出测点的有效性，其过程如图5所示。(ii)测点信号处理信号处理系统由LabWindows编制的独立计算程序完成。该系统功能主要包含对 POINT内的测点信息进行结构损伤的计算与分类，模块中嵌入了岩土结构3个弹性、4个弹 塑形土体损伤计算模型，其它岩土结构损伤模型也可以放入该系统标准接口中，参与多模 型的POINT监测区域结构劣化预测。该系统计算模块首先调用理论计算模型，对监测点进 行土压力首次计算，获得土压力理论计算初值，然后对理论值进行基于监测值的多次修正， 得到土压力参考真值，将该真值作为报警的模板值，并将该值放入土压力损伤模板库内，然 后用此值与后期监测值进行比较，如果监测计算值大于模板值，则压力色敏传感器已经通 过颜色的改变进行报警；如果监测值小于理论值，则处理系统将根据某一时刻土压力，计算 判断基础结构的位移并与理论模板比较，最后得到监测区域内的损伤预测报警结论，该过 程如图6所示。(iii)监测信号与预警信息发布为了将监测数据与预警信号及时高效地向各个媒体发布，压力色敏传感器监测 系统开发了基于Mac和Windows OS的网络数据库发布系统，该网络数据应用层以嵌入式 Linux Redmap系统为基础，开发了目前流行的Mac-Safari网页即时发布软件，其对应网页 浏览器可以和现有的IE、Firefox、Chrome等主流网络浏览器快速连接，从而保证了压力色 敏传感器监测系统中各个POINT信息能够以以Ma-Safari网络数据库为载体进行发布，并 和Internet物流网进行充分的信息融合，保证监测系统获得的监测数据和结论能够方便、 快捷和稳定地传输给各种电子媒体，具体过程如图7所示。
权利要求
一种地下结构力致发光色敏传感器，其特征是压力色敏传感器结构为一圆柱形结构和底部有一凸出的柱帽组成，圆柱形的顶部为透光性较好的钢化玻璃，圆柱形柱体外层为压力色敏传感器的保护层外壳，该外壳由镀铬钢片组成，保护内部色敏薄膜在横向受力后不变形；圆柱钢片内部为色敏薄膜，薄膜外面包有一层黑色绝缘塑料管，该塑料管能够减少色敏薄膜的漏光及不受外界电磁场的干扰，同时也能防水，黑色绝缘塑料管及其包的色敏薄膜伸出钢片外壳下端形成传感器凸出的柱帽，它是传感器中色敏薄膜接受传力杆传来的压力；传感器下部为传力杆，它由其上端板和下端板以及中间至少3个支撑杆组成，通过调节中间支撑杆的长度，可以将色敏薄膜和测点紧密连接起来，从而使传感器柱帽与测点耦合良好。
2.根据权利要求1所述的色敏传感器，其特征是在压力色敏传感器上设有作为传感 器的预警需要以及和POINT连接以进行数据采集的数据接收端口。
3.—种地下结构力致发光色敏传感器制作方法，其特征是该色敏传感器制作工艺如下第一步色敏传感器基材选择选择制作色敏薄膜的无机异构体和参晶缓色辅助基材，根据传感器对色敏度的要求确 定无机异构体微胶囊尺寸，测定该基材中有机大分子团的分布，根据对分子团受压后跃迁 能量的计算，判断基材是否满足传感器色敏度的要求；第二步色敏薄膜制作色敏基材确定后，根据传感器尺寸大小，制作在压力作用下自发光的色敏薄膜，将色敏 基材放入坩锅内，在融化温度内(400度-1200度)，分3个阶段分别加入SrTi03、激活剂和 助溶剂材料进行调制、组合，冷却后将形成的薄膜粗材进行碾压成规格薄膜；这种薄膜即可 在压力的作用下改变自身的颜色，而不需要外界提供能源；第三步色敏传感器封装将检测合格的色敏薄膜按设计发光要求做成不同灵敏度的受压发光体，在其外面用防 锈能力较好的镀铬钢片作为传感器的保护层，传感器的底部受压面上连接有可调节长度的 传力杆，通过传力杆可以让传感器感知远处土体中的压力；为了保证传感器的耐久性，设 计了传感器的封装技术，其主要有以下工艺(i)传感器防水处理；(ii)传感器光路设计 (iii)传感器压力接触面传力装置设计；最后根据传感器使用环境，进行传感器封装工艺 现场检测；第四步色敏传感器标定对压力色敏传感器的发光灵敏度、光谱分布、产光率、综合耐久性等指标进行检验，并 进行基于传感器标称灵敏度的技术参数标定，完成色敏传感器的成型制作。
4.根据权利要求3所述的色敏传感器制作方法，其特征是所述的第一步中，制作传感 器色敏薄膜的无机异构体和参晶缓色辅助基材，可为无机噻吩衍生物聚合物和单晶SrTi03 材料。
5.根据权利要求1所述的色敏传感器制作方法，其特征是所述的第二步，在色敏薄膜 制作中，根据发光颜色的要求，在冷却工艺过程中逐步添加铝酸锶敏化剂，加强色敏传感器 发光效果。
6.根据权利要求1所述的色敏传感器制作方法，其特征是所述的第二步，在色敏薄膜 制作中，在融化温度内(400度-1200度)，在最佳摄氏940度温度环境下，5分钟后基材开 始全部融化，在15分钟、32分钟和48分钟三个时间间隔阶段内，分别依次加入SrTi03、激 活剂和助溶剂材料与融化的材料进行调制和组合，冷却后将形成的薄膜粗材进行碾压成规格薄膜。
7.—种地下结构力致发光色敏传感器安装技术，其特征是该压力色敏传感器安装技 术的工艺步骤如下第一步传感器测点的选择根据具体的地下结构受力状态，分析计算出具有代表性的所有监测点，根据传感器埋 设和维修的约束条件，结合监测规范、规程，得出结构监测的合理测点，最后通过现场校验 对比，测试并验证所选测点的正确性；第二步传感器传力杆的定位根据监测对象赋存空间，选择传感器埋设坐标；设计传感器传力装置中耦合传力杆的 长度和端部伸入土体中的长度，保证压力色敏薄膜与被监测体形成有效接合，使色敏传感 器发出的颜色真实反应监测对象的应力状况；第三步传感器检验和标定确定传感器的有效工作状态，然后根据传感器工作环境和可见度，完成传感器初始输 出颜色信号的调试和标定，对完成标定的传感器，需要将测试标定监测对象相关信息以GIS 形式存入数据采集系统DSP的EPPR0M内存片中，完成压力色敏传感器信息初始化工作。
8.根据权利要求7所述的传感器安装工艺，其特征是所述的第一步传感器测点的选 择，其运用的分析计算的软件中包含地下结构土体的弹塑性E-B模型、岩土体孔隙水压力 计算模型、多孔介质修正Biot计算模型和支护结构应力应变计算模型；测点计算理论模型 是开放的，不同土体可以输入不同计算模型，得到不同的测点集，同时计算模型接口是标准 的，不同用户可以自定义测点计算选择方法，完成各种特殊环境下监测任务的测点选择工 作，从而使选择的测点具有可观性和可控性。
9.根据权利要求7所述的传感器安装工艺，其特征是所述的传感器安装工艺第三步 压力色敏传感器现场进行二次标定；首先用标准压力传感器计算测点土压力，然后用光谱 仪分析传感器的发光光谱，测试传感器的灵敏度和颜色变化跃迁时间及稳定系数，最后检 验传感器抗冲击和耐水压力能力；对于有数据采集附加装置的测点，需要按照数据采集的 国家标准，对采集装置的各项电气化和物理化学指标进行标定。
10.一种地下结构力致发光色敏传感器监测系统，其特征是该色敏传感器监测系统 由以下部分构成第一步压力色敏信号采集与无线传输监测系统数采部分由数个POINT模块组成，在每个POINT模块内有数十到数百个测点， 每个测点由独立的AD/DA器件将颜色信号转化为数字信号；在POINT模块内，设置了测点位 置信息描述的GIS信号存储器，该GIS信号和传感器颜色信号一起由POINT内的无线发射 模块发射到无线CAN总线的无线接收端内，再由无线CAN总线发射器传输至结构安全管理 中心；第二步监测信号有效性判断和信号处理该步是结构预警计算的主要内容，执行两个方面的任务，第一是当监测系统采集完数 据后，对所采集的数据进行分析，判断采集数据的有效性，诊断传感器的自身状态，对采集 系统进行自维护；第二是对监测数据进行计算，判断监测点是否处于危险状态；第三步监测信号网络发布该监测信号网络发布系统将监测点的颜色监测信息、监测点的预警信息和各个测点的 GIS信息组合在一起，同步向Internet网络和地下结构管理专用物流网络发布，实时播报 结构安全信息。
11.根据权利要求10所述的色敏传感器监测系统，其特征是所述的第一步压力色敏 信号采集与无线传输中其无线CAN总线具备两个无线发射模块，一个负责向控制中心传输 信号；另外一个负责向蓝牙等标准无线接收器进行群发。
12.根据权利要求10所述的色敏传感器监测系统，其特征是所述的第一步中POINT 模块间的连接由LabVIEW模块与C语言开发的协议数据链路层和数据网络层完成；无线 CAN总线数据会话层和表示层以及向Internet网络提供数据库的应用层采用Linuxs嵌入 式软件开发完成，这种体系可以保证数采可控、平稳地传输至接收设备上。
13.根据权利要求10所述的色敏传感器监测系统，其特征是所述的第二步中测点数 据有效性判断，主要是对监测系统测点自身进行验证，该功能也是监测系统“P0INT+CAN”无 线网络自诊断的主要部分，它首先进行测点的灵敏度分析，然后计算测点输出信号的幅值， 再对输出颜色光谱进行对比，结合传感器传力杆的位置判断，最后得出测点的整体质量并 给出测点的有效性。
14.根据权利要求10所述的色敏传感器监测系统，其特征是所述的第二步中测点信 号处理，该系统功能主要包含对POINT内的测点信息进行结构损伤的计算与分类，模块中 嵌入了岩土结构3个弹性、4个弹塑形土体损伤计算模型，其它岩土结构损伤模型也可以放 入该系统标准接口中，参与多模型的POINT监测区域结构劣化预测。
全文摘要
本发明提供一种为地下结构损伤过程提供可靠监测的色敏传感器，不需要外界提供能源，利用自身材料受力发光的特性，将其所受压力转化为颜色，不需要信号的处理直接快速反馈结构安全状态。对于需要进行结构预警的监测区域，将在传感器上安装附加的数据采集单元，监测系统将采集的信号准确、实时地以无线的方式传输到进入地下结构中的所有人和机械设备上，同时也将信号传输到控制中心，为地下结构生命全周期监测和地下工程先进施工技术，提供重要的现场结构信息。本发明的技术方案分为压力色敏传感器及制作技术、压力色敏传感器安装技术和压力色敏传感器监测系统三大部分。
文档编号H04W84/18GK101858803SQ20101017365
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者何林, 张厚, 欧进萍 申请人:哈尔滨工业大学