特殊问题也会出现。例如，在示例性实施例中，雪234已积聚在屋顶102上。热管道212坐落在结构280内。热管道212可通过传导210使屋顶102受热。雪234可融化，使水从外表面112流下。在水朝向檐突290从屋顶流下之后，一旦其丧失热损失210，水再次开始冷却。水可能冻结，形成冰坝230。随着额外的雪234融化，水可能在冰坝230上成池，形成积聚的坝阻水232的水池。因此，屋顶102可能受到雪234、坝阻水232和冰坝230的组合输入力。
[0029]此外，由于对流214的空气泄漏也可能发生。传导210和对流214引起热交换，这有助于雪234的融化。
[0030]坝阻水232如果漏过屋顶并进入墙壁则会造成额外的问题。这会导致潮湿和/或沉降的隔热结构240并造成霉块和霉斑260。这会形成对健康和身体安全两者的威胁。
[0031]图3披露了可能发生不想要的积聚的其它示例性配置。在图3A中，具有两个高地的结构可能在两个水平面之间的结合处经历雪积聚。因此较低水平的屋顶102可能经历来自吹积物(drift) 310的过度负载。在另一示例性实施例中，具有倾斜屋顶102的结构受风力322作用。风322可使雪积聚在屋顶102的下风侧。图3C和图3D披露了具有女儿墙的结构。女儿墙可造成从小吹积物330变化至大吹积物340的积聚。小吹积物330可能造成普通负载，使DAM 120进入报警状态，而大吹积物340可造成过度负载，使DAM 120进入警示状态。
[0032]图4示出力换能器410的示例性布置。力换能器410是传感器阵列110的一部分。力换能器410被设置成安装在结构性构件102的外表面112上。力换能器410经由信号载体114可通信地耦合至DAM 120。
[0033]在替代实施例中，传感器可沿内表面设置。例如，力换能器可被嵌入到隔热结构中。在这种情形下，可通过结构性构件的平移来一定程度地衰减力的大小。如果放置力换能器以使外力衰减，则可能需要由工程师来适当地调整换能器的阈值。
[0034]图5更具体地揭示了换能器阵列110的一个示例性实施例。尤其，在本实施例中可以看到，尽管传感器阵列110可布置成栅格图案，但栅格不一定是每个力换能器410等距地彼此隔开的规则正方形栅格。相反，可选择力传感器的布置以对应于要求的测量点。例如，支承梁270图示为直接支承结构性构件102的某些部分。可布置力换能器410-1、410-3和410-4以使其基本位于支承梁270之上。力换能器410-2可布置在换能器410-1和410-3之间的中点510处。中点510可代表410-1和410-3之间线段上的结构上最弱的那一点。
[0035]由于第一阈值仅代表正常的负载状态，因此可为每个力换能器选择类似的第一阈值。
[0036]可将力换能器410-1、410-3和410_4的第二阈值选择成相对高的，因为这些点不大可能在负载下损坏。力换能器410-2的第二阈值相比其他力换能器的值相对低，因为需要相对小的负载就能造成中点510处的结构性损坏。
[0037]也可选择力换能器布置以指示可能导致结构性损坏的除过度负载以外的其他问题。例如，如果冰坝230形成在排水口上，则水将无法正确地排走。设置在排水口处或附近的力换能器410可被配置成检测与冰积聚一致的力输入，并在冰积聚的情形下提供报警状态以使用户能采取正确的行动。类似地，可使用更先进的算法来比较各力换能器的力大小以形成总的负载分布。可使用负载分布以例如确定冰坝230已造成来自雪234融化的坝阻水232的积聚。例如由于冰坝230、坝阻水232和雪234具有不同的密度，这是可以确定的。通过检测不同负载的三个独立区域，DAM 120能够确定冰坝情况已发生并经由用户界面170向用户提供特殊的报警提醒。
[0038]在一些实施例中，可对用户界面170编程以允许用户执行更复杂的操作。例如，用户界面170可允许用户有选择地改变力换能器的阈值，或增加额外的阈值并为在这些阈值下所采取的行动创建可编程的规则。用户界面170也可提供有建模软件，该建模软件可显示结构化构件102的实时网线图，并可包括颜色编码或带阴影的应变显示，例如业内常用于显示负载和应变的那些技术，由此最终用户可实时地监视结构上的应力。
[0039]除了前述的人类安全优势以外，从本系统的使用中也可获得商业优势。例如，保险公司可对商业结构保险收取大笔费用。通过本公开的表面安装的监视系统，灾难性崩塌或损坏的危险大为降低，这可节省保险费率。且由于数据分析模块120能实时或近实时地向用户界面160提供实时负载信息，因此能以规则的间隔将负载数据存储到数据存储150，由此能准确地追踪负载随时间的趋势。随时间的趋势有益于预测即将到来的损坏，或对损坏的大楼执行事后检查分析。这种分析可得出结构是随时间变弱的还是因为一次灾难性情况而严重受损的线索。也可使用负载趋势以例如改进保险统计表并培训未来几代的结构工程师。
[0040]尽管已结合一个或多个示例性实施例描述了本说明书的主题，但这不旨在将权利要求书限定在所述的特定形式。相反，所附权利要求书旨在覆盖包含在它们的精神和范围内的这些替代、修正和等效物。
【主权项】
1.一种用于监视结构性构件上的负载的表面安装的监视系统，所述表面安装的监视系统包括: 传感器阵列，所述传感器阵列包括在所述结构性构件的表面上设置成栅格的多个力换能器，所述力换能器配置成测量外力大小并提供表征所述外力大小的信号； 数据分析模块(DAM)，所述数据分析模块包括处理器、存储和发射机，所述数据分析模块可通信地耦合于所述传感器阵列并被配置成: 从所述传感器阵列接收信号； 将每个换能器的力大小信号记录到所述存储中； 将每个换能器的力大小与该换能器的力大小阈值进行比较；以及 一旦检测到任何换能器的力大小大于该换能器的力大小阈值，则进入警示状态并在所述发射机上发送警示信号。2.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，还包括: 实时警告系统，所述实时警告系统可通信地耦合至所述数据分析模块并配置成接收所述警示信号，且一旦接收到所述警示信号就提供可视和可听的疏散警示。3.如权利要求2所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述实时警告系统被进一步配置成向住户提供疏散指令。4.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述数据分析模块的存储相对于恶劣的环境情况被加强。5.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述结构性构件是屋顶。6.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，还包括与所述数据分析模块通信地连接的监视设备，所述监视设备包括人机界面并配置成从所述数据分析模块接收力大小。7.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述人机界面被配置成基于从所述数据分析模块接收的力大小来提供实时负载显示。8.如权利要求7所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述实时负载显示包括所述结构性构件的网线图以及经颜色编码的应变显示。9.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述人机界面为用户提供定制力大小阈值的能力。10.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述人机界面为用户提供定义额外的力大小阈值并响应所述阈值创建所要采取的可编程行动的能力。11.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述监视设备进一步配置成基于所述力大小输入创建复合的力大小分布。12.如权利要求11所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述监视设备进一步配置成分析所述力大小分布以辨认特殊的负载情况。13.如权利要求12所述的表面安装的监视系统，其特征在于，一个特殊的负载情况包括检测负载与冰、雪和水的密度对应的三个独立区域，表征冰坝的存在。14.如权利要求12所述的表面安装的监视系统，其特征在于，一个特殊的负载情况包括检测排水口区域周围的冰积聚。15.如权利要求6所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述监视设备还包括数据存储并且所述监视系统被进一步配置成: 一旦从所述数据分析模块接收到警示信号，则开始连续地记录所述力大小数据并提供可见和可听的警示。16.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，其上设置所述力换能器的表面是外表面。17.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述换能器是负载元件。18.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述格栅在形状上是不规则的。19.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，所述数据分析模块进一步被配置成: 将每个换能器的力大小与该换能器的第二力大小阈值进行比较；以及 一旦检测到任何换能器的力大小大于该换能器的第二力大小阈值，则进入非紧急警示状态并在所述发射机上发送警示信号。20.如权利要求19所述的表面安装的监视系统，其特征在于，其上设置所述力换能器的表面是内表面，以及选择所述第一力大小阈值和第二力大小阈值以补偿由通过所述表面的平移产生的负载衰减。21.如权利要求19所述的表面安装的监视系统，其特征在于进一步包括: 可通信地耦合于所述数据分析模块(DAM)的监视设备，所述监视设备包括人机界面并被配置为: 从所述数据分析模块接收力大小； 一旦从所述数据分析模块接收到报警信号，则在所述人机界面上提供报警状态指示，并开始以小于I小时的规则间隔记录力大小数据； 一旦从所述数据分析模块接收到警示状态信号，则在所述人机界面上提供可见和可听的警示并开始连续地记录力大小数据。22.如权利要求1所述的表面安装的监视系统，其特征在于，选择所述栅格图案以使一些换能器处于直接由加固的支承梁支承的点上并使其他换能器处于不直接由加固的支承梁支承的中间点上。
【专利摘要】披露了一种表面安装的监视系统，它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和近实时趋势数据。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。在一示例性实施例中，换能器可设置在内表面上，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。数据分析模块(DAM)可将力读数记录在循环存储缓冲器中，从而在灾难性崩塌情况下可恢复最近的数据。DAM也可与监视设备通信，该显示设备可向用户显示实时负载数据并执行其他分析。
【IPC分类】G01M5/00
【公开号】CN104913888
【申请号】CN201510142668
【发明人】A·艾永, C·豪拉姆
【申请人】得克萨斯州大学系统董事会
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2011年4月22日
【公告号】CA2797027A1, CN103026394A, CN103026394B, EP2561497A2, US20130197825, WO2011133942A2, WO2011133942A3