一种基于物联网的生物3D打印机故障监测系统的制作方法

本发明涉及智能测试领域，尤其涉及一种基于物联网的生物3d打印机故障监测系统。

背景技术：

3d打印作为快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属、塑料、陶瓷等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，常用于模具、模型的制造，但随着3d打印技术在工业领域的快速发展，已经广泛应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业等领域。

而生物3d打印是利用3d打印离散/堆积成型的基本原理和方法，形成所需的具有生物活性的植入物、细胞三维结构或人工组织器官等。3d生物打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。

对于生物3d打印机而言，由于生物3d打印机喷头在打印作业时，环境的温湿度对3d打印效果有直接影响，在环境温湿度不良的情况下，3d打印效果不佳，但是，目前市场上未有对生物3d打印机喷头作业时对其作业环境的温湿度进行有效、高精度监控的装置。同时，生物3d打印机的进料速度也会对3d打印效果造成影响，但是，目前市场上也未有对生物3d打印机的进料速度进行有效、高精度监控的装置。

因此，亟需提供一种基于物联网的生物3d打印机故障监测系统。

技术实现要素：

因此，为了克服上述问题，本发明提供一种基于物联网的生物3d打印机故障监测系统，利用进料口、输料管、打印喷头、滑杆、打印平台、储料容器、左侧板、右侧板、中央处理装置、温度传感器、湿度传感器、底板、压力传感器以及信号处理电路对生物3d打印机作业时的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号进行采集，并将采集到的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号传输至中央处理装置，再通过中央处理装置将其接收到的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号传输至显示装置进行显示，由此，工作人员能够实时获知生物3d打印机作业时的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号，以及时调整生物3d打印机作业时的环境温湿度和进料速度，以此保障3d打印的效果符合预期。

本发明提供的基于物联网的生物3d打印机故障监测系统包括进料口、输料管、打印喷头、滑杆、打印平台、储料容器、左侧板、右侧板、中央处理装置、温度传感器、湿度传感器、底板、压力传感器以及信号处理电路。

其中，输料管通过进料口与储料容器连接，储料容器向打印喷头输送3d打印原料，打印喷头利用滑杆根据工作人员向中央处理装置中输入的三维模型进行移动作业，打印平台位于打印喷头下方，底板设置于打印平台下方，滑杆的两端固定设置于左侧板和右侧板之间，温度传感器设置于打印平台上，温度传感器用于采集生物3d打印机作业时的温度信号，湿度传感器设置于底板上，湿度传感器用于采集生物3d打印机作业时的湿度信号，压力传感器设置于进料口内，压力传感器用于采集输料管向进料口输送原料时的压力信号。

其中，温度传感器通过ad转换电路与中央处理装置连接，湿度传感器通过ad转换电路与中央处理装置连接，压力传感器将采集的压力信号传输至信号处理电路，信号处理电路通过ad转换电路与中央处理装置连接，中央处理装置将接收到的湿度信号、温度信号以及压力信号传输至显示装置进行显示。

优选的是，温度传感器为铂电阻温度传感器，通过铂电阻阻值的变化对温度进行监测，中央处理装置对接收到的温度信号分析生物3d打印机作业时的温度变化，其中，通过下述公式对温度进行计算：

。

其中，r为铂电阻的实时阻值，r（0℃）为铂电阻在0℃时的电阻值，t为待测温度值，a=4.18×0.001，b=-9.41×0.00000001，c=1.33×0.000000001，d=-3.92×0.0000000001，e=8.72×0.00000000001。

优选的是，湿度传感器采集的湿度信号为x(n)，n为正整数，中央处理装置对接收到的湿度信号通过下述公式对湿度进行零漂补偿：

。

。

其中，h(n)为零漂补偿函数，为零漂调节常数，补偿效果通过进行调节，y(n)为经过零漂补偿后的湿度信号。

优选的是，压力传感器将采集到的压力信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的压力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至中央处理装置。

优选的是，压力传感器设置于进料口内，压力传感器用于采集输料管向进料口输送原料时的压力信号，将采集的压力信号转换为电压信号v0，并将电压信号v0传输至信号处理电路，v1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，压力传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端通过ad转换电路与中央处理装置连接。

优选的是，信号放大单元包括集成运放a1、电容c1-c3、三极管vt1-vt4和电阻r1-r9；

其中，压力传感器的输出端与集成运放a1的同相输入端连接，电阻r1的一端接地，电阻r1的另一端与集成运放a1的反相输入端连接，电阻r4和电容c2并联后的一端与集成运放a1的反相输入端连接，电阻r2的一端与电容c1的一端连接，电阻r2的一端还与集成运放a1的输出端连接，电阻r2的另一端与三极管vt1的集电极连接，电阻r2的另一端还与三极管vt3的基极连接，电容c1的另一端与三极管vt3的集电极连接，电阻r5的一端与三极管vt1的基极连接，电阻r5的另一端与电阻r6的一端连接，电阻r5的另一端还与三极管vt3的发射极连接，电阻r6的另一端与+5v电源连接，三极管vt1的发射极也与+5v电源连接，电容c1的另一端还与三极管vt4的集电极连接，电阻r3的一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r3的另一端与三极管vt2的集电极连接，电阻r3的另一端还与三极管vt4的基极连接，电阻r7的一端与三极管vt2的基极连接，电阻r7的另一端与三极管vt4的发射极连接，三极管vt2的发射极接地，电阻r8的一端接地，电阻r8的另一端与三极管vt4的发射极连接，电容c3的一端接地，电阻r9的一端与电容c3的另一端连接，电阻r9的另一端与三极管vt4的集电极连接，电阻r4和电容c2并联后的另一端与电阻r9的另一端连接，电阻r4和电容c2并联后的另一端还与信号滤波单元的输入端连接。

优选的是，信号滤波单元包括电阻r10-r14、电容c4-c6以及集成运放a2；

其中，信号放大单元的输出端与电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与集成运放a2的同相输入端连接，电容c5的一端也与集成运放a2的同相输入端连接，电容c5的另一端接地，电容c4的一端与电阻r11的一端连接，电容c4的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r13与电阻r14串联再与电容c6并联后的一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r13与电阻r14串联再与电容c6并联后的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r12的一端接地，电阻r12的另一端与集成运放a2的反相输入端连接，集成运放a2的输出端通过ad转换电路与中央处理装置连接，集成运放a2将处理后的电压信号v1通过ad转换电路传输至中央处理装置。

优选的是，中央处理装置还包括一数据扩展端口，扩展端口用于根据用户需求增设监测传感器。

优选的是，湿度传感器为电容型相对湿度传感器，湿度传感器的感湿部分使用的是聚合物薄膜。

优选的是，基于物联网的生物3d打印机故障监测系统采用太阳能供电，基于物联网的生物3d打印机故障监测系统还包括一太阳能板、整流装置和蓄电池，太阳能板将光能转换为电能后，经过整流装置进行整流处理后将电能存储于蓄电池，蓄电池为基于物联网的生物3d打印机故障监测系统供电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明提供一种基于物联网的生物3d打印机故障监测系统，利用进料口、输料管、打印喷头、滑杆、打印平台、储料容器、左侧板、右侧板、中央处理装置、温度传感器、湿度传感器、底板、压力传感器以及信号处理电路对生物3d打印机作业时的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号进行采集，并将采集到的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号传输至中央处理装置，再通过中央处理装置将其接收到的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号传输至显示装置进行显示，由此，工作人员能够实时获知生物3d打印机作业时的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号，以及时调整生物3d打印机作业时的环境温湿度和进料速度，以此保障3d打印的效果符合预期。

（2）本发明提供的一种基于物联网的生物3d打印机故障监测系统，本发明的发明点还在于由于压力传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放a1、电容c1-c3、三极管vt1-vt4和电阻r1-r9对压力传感器输出的电压v0进行放大处理，由集成运放a1、电容c1-c3、三极管vt1-vt4和电阻r1-r9构成的信号放大单元只有0.1μv/℃的漂移、2μv以内的偏移、100pa偏置电流和0.1hz到10hz宽带内25nv的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻r10-r14、电容c4-c6以及集成运放a2对经过放大后的电压信号进行低通滤波处理，从而提高了压力检测的精度。

附图说明

图1为本发明的基于物联网的生物3d打印机故障监测系统的结果图；

图2为本发明的基于物联网的生物3d打印机故障监测系统的示意图；

图3为本发明的信号处理电路的电路图。

附图标记：

1-进料口；2-输料管；3-打印喷头；4-滑杆；5-打印平台；6-储料容器；7-左侧板；8-右侧板；9-中央处理装置；10-温度传感器；11-湿度传感器；12-底板；13-压力传感器；14-信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的基于物联网的生物3d打印机故障监测系统进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的基于物联网的生物3d打印机故障监测系统包括进料口1、输料管2、打印喷头3、滑杆4、打印平台5、储料容器6、左侧板7、右侧板8、中央处理装置9、温度传感器10、湿度传感器11、底板12、压力传感器13以及信号处理电路14。

其中，输料管2通过进料口1与储料容器6连接，储料容器6向打印喷头3输送3d打印原料，打印喷头3利用滑杆4根据工作人员向中央处理装置9中输入的三维模型进行移动作业，打印平台5位于打印喷头3下方，底板12设置于打印平台5下方，滑杆4的两端固定设置于左侧板7和右侧板8之间，温度传感器10设置于打印平台5上，温度传感器10用于采集生物3d打印机作业时的温度信号，湿度传感器11设置于底板12上，湿度传感器11用于采集生物3d打印机作业时的湿度信号，压力传感器13设置于进料口1内，压力传感器13用于采集输料管2向进料口1输送原料时的压力信号。

其中，温度传感器10通过ad转换电路与中央处理装置9连接，湿度传感器11通过ad转换电路与中央处理装置9连接，压力传感器13将采集的压力信号传输至信号处理电路14，信号处理电路14通过ad转换电路与中央处理装置9连接，中央处理装置9将接收到的湿度信号、温度信号以及压力信号传输至显示装置进行显示。

上述实施方式中，利用进料口1、输料管2、打印喷头3、滑杆4、打印平台5、储料容器6、左侧板7、右侧板8、中央处理装置9、温度传感器10、湿度传感器11、底板12、压力传感器13以及信号处理电路14对生物3d打印机作业时的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号进行采集，并将采集到的环境温度信号、湿度信号以及进料口的压力信号传输至中央处理装置9，再通过中央处理装置9将其接收到的环境温度信号、湿度信号以及进料口1的压力信号传输至显示装置进行显示，由此，工作人员能够实时获知生物3d打印机作业时的环境温度信号、湿度信号以及进料口1的压力信号，以及时调整生物3d打印机作业时的环境温湿度和进料速度，以此保障3d打印的效果符合预期。

具体地，温度传感器10为铂电阻温度传感器，通过铂电阻阻值的变化对温度进行监测，中央处理装置9对接收到的温度信号分析生物3d打印机作业时的温度变化，其中，通过下述公式对温度进行计算：

。

其中，r为铂电阻的实时阻值，r（0℃）为铂电阻在0℃时的电阻值，t为待测温度值，a=4.18×0.001，b=-9.41×0.00000001，c=1.33×0.000000001，d=-3.92×0.0000000001，e=8.72×0.00000000001。

上述实施方式中铂电阻温度传感器的测温范围为-50℃-150℃，若超出该范围则不再适用上述公式，上述公式根据铂电阻的实际阻值推算实际温度值，并对测量过程中的噪声等进行补偿，以使温度测试更为精准，在此，还能将上述公式扩展到待测温度值t的5次方温度补偿，但是，由于所叠加的补偿越多，则运算越缓慢，因此，此处选择扩展到待测温度值t的4次方温度补偿。

具体地，湿度传感器11采集的湿度信号为x(n)，n为正整数，中央处理装置9对接收到的湿度信号通过下述公式对湿度进行零漂补偿：

。

。

其中，h(n)为零漂补偿函数，为零漂调节常数，补偿效果通过进行调节，y(n)为经过零漂补偿后的湿度信号。

上述方式中，由于湿度传感器11受零漂影响较大，因此，在此对湿度传感器11采集的湿度信号为x(n)进行零漂补偿，通过零漂补偿函数h(n)对x(n)信号中零漂带来的误差值进行调节。

具体地，压力传感器13将采集到的压力信号传输至信号处理电路14，信号处理电路14对接收到的压力信号依次进行信号放大和信号滤波处理后传输至中央处理装置9。

具体地，压力传感器13设置于进料口1内，压力传感器13用于采集输料管2向进料口1输送原料时的压力信号，将采集的压力信号转换为电压信号v0，并将电压信号v0传输至信号处理电路14，v1为经过信号处理电路14处理后的电压信号，信号处理电路14包括信号放大单元和信号滤波单元，压力传感器13的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端通过ad转换电路与中央处理装置9连接。

具体地，信号放大单元包括集成运放a1、电容c1-c3、三极管vt1-vt4和电阻r1-r9。

其中，压力传感器13的输出端与集成运放a1的同相输入端连接，电阻r1的一端接地，电阻r1的另一端与集成运放a1的反相输入端连接，电阻r4和电容c2并联后的一端与集成运放a1的反相输入端连接，电阻r2的一端与电容c1的一端连接，电阻r2的一端还与集成运放a1的输出端连接，电阻r2的另一端与三极管vt1的集电极连接，电阻r2的另一端还与三极管vt3的基极连接，电容c1的另一端与三极管vt3的集电极连接，电阻r5的一端与三极管vt1的基极连接，电阻r5的另一端与电阻r6的一端连接，电阻r5的另一端还与三极管vt3的发射极连接，电阻r6的另一端与+5v电源连接，三极管vt1的发射极也与+5v电源连接，电容c1的另一端还与三极管vt4的集电极连接，电阻r3的一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r3的另一端与三极管vt2的集电极连接，电阻r3的另一端还与三极管vt4的基极连接，电阻r7的一端与三极管vt2的基极连接，电阻r7的另一端与三极管vt4的发射极连接，三极管vt2的发射极接地，电阻r8的一端接地，电阻r8的另一端与三极管vt4的发射极连接，电容c3的一端接地，电阻r9的一端与电容c3的另一端连接，电阻r9的另一端与三极管vt4的集电极连接，电阻r4和电容c2并联后的另一端与电阻r9的另一端连接，电阻r4和电容c2并联后的另一端还与信号滤波单元的输入端连接。

具体地，信号滤波单元包括电阻r10-r14、电容c4-c6以及集成运放a2。

其中，信号放大单元的输出端与电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与集成运放a2的同相输入端连接，电容c5的一端也与集成运放a2的同相输入端连接，电容c5的另一端接地，电容c4的一端与电阻r11的一端连接，电容c4的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r13与电阻r14串联再与电容c6并联后的一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r13与电阻r14串联再与电容c6并联后的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r12的一端接地，电阻r12的另一端与集成运放a2的反相输入端连接，集成运放a2的输出端通过ad转换电路与中央处理装置9连接，集成运放a2将处理后的电压信号v1通过ad转换电路传输至中央处理装置9。

上述实施方式中，信号处理电路14的噪声在25nv以内，漂移为0.1μv/℃，集成运放a1、a2均为lt1013低漂移放大器，由于集成运放a1的直流偏移与漂移并不会影响电路的整体偏移，从而使得电路有着极低的偏移和漂移。

信号放大单元中，三极管vt1-vt4构成了并联逻辑反相器，且该并联逻辑反相器在集成运放lt1013的反馈回路内，并联逻辑反相器降低了输出电阻，因此使得当信号放大单元工作在线性区域时，具有较高增益。

在信号处理电路14中，电阻r1的阻值为1kω，电阻r2的阻值为1kω，电阻r3的阻值为1kω，电阻r4为阻值为10kω，电阻r5的阻值为1kω，r6的阻值为2ω，电阻r7的阻值为1kω，电阻r8的阻值为2ω，电阻r9的阻值为6.2ω，电阻r10的阻值为500ω，电阻r11的阻值为1.2kω，电阻r12的阻值为1kω，电阻r13的阻值为1.56kω，电阻r14的阻值为6.81kω，c1的电容值为10pf，电容c2的电容值为200pf，电容c3的电容值为100pf，电容c4的电容值为22pf，电容c5的电容值为50pf，电容c6的电容值为47pf，三极管vt1为2n3906型三极管，三极管vt2为2n3904型三极管，三极管vt3为2n3907型三极管，三极管vt4为2n2219型三极管。

由于压力传感器13采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放a1、电容c1-c3、三极管vt1-vt4和电阻r1-r9对压力传感器13输出的电压v0进行放大处理，由集成运放a1、电容c1-c3、三极管vt1-vt4和电阻r1-r9构成的信号放大单元只有0.1μv/℃的漂移、2μv以内的偏移、100pa偏置电流和0.1hz到10hz宽带内25nv的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻r10-r14、电容c4-c6以及集成运放a2对经过放大后的电压信号进行低通滤波处理，从而提高了压力检测的精度。

具体地，中央处理装置9还包括一数据扩展端口，扩展端口用于根据用户需求增设监测传感器。

具体地，湿度传感器11为电容型相对湿度传感器，湿度传感器11的感湿部分使用的是聚合物薄膜。

具体地，基于物联网的生物3d打印机故障监测系统采用太阳能供电，基于物联网的生物3d打印机故障监测系统还包括一太阳能板、整流装置和蓄电池，太阳能板将光能转换为电能后，经过整流装置进行整流处理后将电能存储于蓄电池，蓄电池为基于物联网的生物3d打印机故障监测系统供电。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。