表面安装的监视系统的制作方法
【专利说明】表面安装的监视系统
[0001]本申请是申请日为2011年4月22日、申请号为“201180030486.8”、发明名称为“表面安装的监视系统”的发明专利申请的分案申请。
[0002]关联申请的交叉引用
[0003]本申请要求2010年4月22日提交的题为“表面安装的监视系统(SurfaceMounted Monitoring System) ”的美国临时申请61/327，013的优先权，该申请通过援引包含于此。
[0004]2004年12月21日颁证的题为“负载元件(Load Cell) ”的美国专利6，832，528也援引包含于此。
【背景技术】
[0005]本说明书涉及结构工程领域，更具体地涉及表面安装的负载监视系统。
[0006]诸如屋顶的结构性构件可能经受由于作用在外表面上的外力(例如降雪或降雨)引起的负载。负载积累可能预示着其他问题，例如冰坝形成或其他积累。充分的负载积累可能使结构灾难性地损坏，由此危及居住者。
[0007]附图简述
[0008]图1是表面安装的监视系统的示例性实施例的方框图。
[0009]图2是经历负载状态的结构的视图。
[0010]图3A-3D是可能受到过度负载的屋顶类型的图。
[0011]图4示出力换能器的示例性布置。
[0012]图5示出传感器阵列中的多个力换能器的示例性布置。
【发明内容】
[0013]披露了一种表面安装的监视系统，该表面安装的监视系统有益于检测表面上普通负载和过度负载两者的存在，并提供实时或近实时趋势数据。该系统包括设置在诸如屋顶的结构性构件的外表面上的力换能器阵列。在示例性实施例中，可将换能器设置在内表面上，例如嵌入到隔热结构中。力换能器检测作用在表面上的负载力的大小。数据分析模块(DAM)可将力读数记录在循环存储缓冲器中，以使在灾难性崩塌的情况下恢复最近的数据。DAM也可与监视设备通信，该监视设备可向用户显示实时负载数据并执行其他分析。
【具体实施方式】
[0014]说明书涉及表面安装的质量测量系统。本公开的表面安装的质量测量系统例如可包括用于测量结构性屋顶负载的表面安装的监视系统。当受到由于任何原因(包括风、雨、雪及其他)的屋顶负载变化时，力换能器产生信号，该信号以无线方式或经由线路传输至用于分析和计算屋顶上的负载并计算当前负载与可接受的设计负载的比例的设备。计算设备可包括用于设置可接受的负载水平的图形用户界面。计算设备可在本地将结果显示在监视器上，存储结果电子文件，或使用任何形式的电子数据通信(包括电话线、电缆、互联网或无线)传输远程监视位置的结果。如果计算出高于可接受值的负载，则经计算的信号可触发报警和警告系统。当设置在排水口上或附近时，也可使用负载指示器来辨认和警示屋顶或结构上的排水口堵塞。
[0015]现在将更具体地参照附图对表面安装的监视系统进行描述。在整个说明书中，肯定:因此附图可用连字符形式表示。在使用连字符的情形下，非连字符形式将整体上表示对象的一个类，而连字符形式将表示对象的各个种属或范例。例如，小配件整体上被表示为“小配件110”，而单个小配件被称为“小配件110-1”。
[0016]本公开内容讨论按照示例性实施例的表面安装的监视系统，其中该监视系统是屋顶监视系统。但本领域内技术人员均将理解本公开的系统可适用于多种其他目的。
[0017]图1是表面安装的监视系统的示例性实施例的方框图。例如屋顶或其他类似结构的结构性构件102包括外表面112。大小可变的外力104作用在外表面112上，这可能造成结构性构件102上的应力。大小可变的外力104可以是环境因素的结果。例如，风以及雪、水或碎肩的积聚可导致屋顶上的负载。该负载可表现为垂直作用于结构性构件102的多个输入力。
[0018]如果外力104的大小变得太大，则屋顶102可能丧失整体性并崩塌。传感器阵列110一一其可包括排列成栅格的多个力换能器一一被安装在外表面112上。传感器阵列110可由业内已知的多个传感器构造成。例如，可使用压电器件、应变仪、压阻器件、压力开关或自重置传感器。在另一示例性实施例中，可使用美国专利6，832，528中描述的负载元件。
[0019]当大小可变的外力104作用在表面112上时，通过传感器阵列110对力进行检测和换能。信号载体114可通信地将传感器阵列110耦合至数据分析模块(DAM) 120。信号载体114可以是物理导体，或者在一些实施例中，传感器阵列110可能包括无线传感器或射频发射机，在这种情形下信号载体114可以是无线传输介质。数据分析模块120也可通信地耦合至传输系统130，该传输系统130可以是任何合适的有线或无线传输设备。DAM 120从传感器阵列110接收多个力大小信号。在一些实施例中，传感器阵列110的每个换能器提供一单独的力大小信号。DAM 120可设置在拟监视的结构处或其附近。在一些实施例中，DAM120可以近实时方式轮询传感器阵列110，每个单独的力信号是以毫秒量级的间隔接收的。DAM 120可配有存储器，并可连续地存储从传感器阵列110接收的信号。在一些情形下，DAM120的存储能仅适应相对小的存储介质，例如如果DAM 120被配置成小的和/或便携的或如果存储是专门的或加强的存储介质。如果DAM 120的存储没有大到能无限地存储连续的力大小信号，则存储可配置成循环存储缓冲器。循环存储缓冲器以先入先出方案配置，因此最近的数据一直是可得的。将DAM 120配备循环存储缓冲器可使DAM 120执行与飞机上所谓“黑匣子”相似的功能，即在灾难情况下永远保持最近的数据。为了进一步提高DAM 120在灾难情况下提供有用信息的能力，DAM 120的存储也可被加强以对抗洪水、碰撞和火灾事件。存储可类似于飞机黑匣子的空难生还存储器单元，例如美国专利4，644，494中披露的那样，该文献通过援引包含于此。
[0020]在一些实施例中，DAM 120也可配置成分析力大小输入并提供不同的状态，例如报警状态和警示状态。例如，DAM 120可在其存储器中存储对于传感器阵列110中的每个换能器的第一力输入阈值和第二力输入阈值。这些阈值可由胜任的工程师或建筑师针对特定结构选择。工程师或建筑师也可选择或指导力换能器的布置以确保结构上重要的点被监视。
[0021]第一阈值可对应于普通的负载情况，这种情况下负载高于没有任何积聚时的负载，但仍落在安全工作范围内。例如，在正常至半厚降雪的情况下，结构性构件102可能经历比平均负载更高的负载，但这不表示马上就有灾难性损坏。在比平均负载更高的情况下，出于提供趋势数据目的而开始永久地记录循环存储缓存器之外的负载数据是有利的。例如，可将从传感器阵列110接收的力大小发送至独立的监视设备160。监视设备160可以是台式计算机、工作站或专用计算机。在一些实施例中，监视设备160也可以是具有合适软件的便携式设备或智能电话。监视设备160可保持普通负载事件的永久记录。因此，如果屋顶在低于预期负载情况下损坏，则可回顾历史数据以确定对普通、非灾难性负载的大范围暴露是否是损坏发生的原因。这种趋势数据也可用来更好地对较陈旧结构作出结束使用寿命的决策。
[0022]在示例性实施例中，当DAM 120检测到传感器阵列110的力换能器已经受超出其第一阈值的输入力时，DAM 120进入报警状态。在该报警状态下，DAM 120可将报警信号送至监视设备160。一旦接收到报警信号，监视设备160可向人机界面170提供可视的报警状态的非紧急通知。监视设备160也可以规则的间隔轮询DAM 120以接收力大小的更新。监视设备160然后可将接收的大小存储在永久性数据存储150中。用户也可经由人机界面170与监视设备160交互以查看或分析历史数据。
[0023]在该示例性实施例中，DAM 210也可在其中存储对传感器阵列110的每个力换能器的第二阈值。选择第二阈值以使其与过度负载对应，由此结构性构件102可能处于即将到来的灾难性损坏的危险中。
[0024]在前面段落中披露的表面安装的监视系统可以是模块化设计的，并可包括传感器、发射机和接收机、分析器、监视器和完全可扩展的报警设备的完全集成系统或分布式网络。该系统也可与便携式电子设备一起使用以监视和报警，包括与互联网的连接性以实现任何传输功能。监视设备160可具体化到软件即服务的网络服务器或PDA型设备中。该系统可从任何源直接供电，包括电插座、硬接线电源、太阳能、电池电源或无线电源。
[0025]如本领域内技术人员所知，如前面披露的表面安装的监视系统可用于多种应用。在一个示例性实施例中，表面安装的监视系统可被安装在受负载(例如降雪或降雨)作用的屋顶上。在示例性情形下，厚的降雪在屋顶112上施加输入力104，在屋顶112的表面上已安装一传感器阵列110。随着降雪积聚，输入力104的大小增加，并且DAM 120将输入力104的大小与已根据正常负载情况和过度负载情况编程的阈值进行比较。
[0026]选择每个换能器的第二阈值以表征一力大小，该力大小表示可能的崩塌或其他破坏的危险。如果DAM 120检测到任何换能器上超出第二阈值的负载，则DAM 120进入警示状态。在警示状态下，DAM 120将警示信号送至实时警告系统140。实时警告系统可提供额外的分析，例如基于当前负载状况精炼计算出的损坏概率。例如，实时警告系统140可确定该结构并没有即将到来的由于瞬时负载的崩塌的危险，但过度负载足以可能损害结构的整体性。这意味着该大楼需要至少被临时疏散，直到屋顶被充分地评估以确保住户安全为止。实时警告系统140也可基于过度负载确定崩塌即将到来或可能到来。实时警告系统140然后运行疏散报警系统180。疏散报警系统180可提供可视和/或可听的疏散警告，并也可提供其他有用的功能，例如为大楼住户显示优选的疏散路线或提供诸如优选集合地点的信息。
[0027]监视设备160也可接收警示信号，并也可采取额外的行动。例如，不是以规则间隔轮询DAM 120以获得更新的传感器读数，而是开始接收连续的数据更新。因此，在损坏的情况下，可在DAM 120加强的存储和用户界面160的数据存储150中获得该事件周围的传感器数据。
[0028]图2揭示了示出由积聚和负载造成的潜在危险的示例性结构。在该例中，结构性构件102是结构280的屋顶，所述结构280可以是房屋或其他类似结构。屋顶102的某些部分由支承梁270直接支承。支承梁270可以是壁、柱或其他结构性支承机构。屋顶102的其他部分落在支承梁270之间并且不被直接支承。不由支承梁270直接支承的结构部分被称为中间区段。中间区段最容易受结构性故障的影响。与支承梁270相关的