一種聲發射智能傳感器的製作方法

2023-10-31 19:34:47

專利名稱：一種聲發射智能傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器、通信、微電子、能源以及柔性製造技術領域，特別是一種聲發射智能傳感器。
背景技術：
2010年4月20目的晚上，在墨西哥灣BP公司的深水地平線(Deepwater Horizon)號海上鑽井平臺發生了海上原油外溢事故。儘管這是一次意外的又是必然要發生的行業事故，但它給BP公司的股價下跌48%，即抹掉910億美元市值，它給當地經濟造成了超數千億美元的巨大損失。無獨有偶，2009年12月陝西省渭南境內中石油輸油管道破裂導致柴油洩漏，汙染水體進入黃河，成為一起影響生態的意外事故。 現今為了能夠提前預測意外的又是必然要發生的事故，人們已推出許多高技術產品與解決方案。如北京航空航天大學等單位提出了一種基於光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統(發明專利號CN20110207340)，該系統具有檢測頻帶寬(50KHz 300KHz)、靈敏度高、響應速度快(> IOMHz)、傳輸距離遠、抗電磁幹擾、抗震動、抗潮溼、抗腐蝕等能力強。以光纖材質製作的傳感器具有質量輕、體積小、埋入性好等優點。然而這樣基於光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統易受環境溫度的影響；再者，其雷射能耗會隨著距離的增長而明顯衰減，故它不適合在大範圍內進行在線連續自動監測洩漏、破裂等意外事故。還有，江西理工大學等單位於2008年推出了一種智能聲發射連續監測儀(發明專利號200810089981. 6)，該儀器通過微處理器自動運算，實時顯示並存儲典型聲發射參數，可連續存儲2 3個月的數據。因為它是一種巖體、混凝土和金屬結構等材料穩定性的監測儀器，故不能夠在野外的複雜環境中自行完成長時間的在線連續監測巖體、混凝土和金屬結構健康與安全。最近，國際市場的新一代氣體探測系統是由美艾默生公司研製開發的Banshee343型號的超聲氣體洩漏探測器,使用4個高靈敏度的聲敏傳感器,可以連續監測由受壓氣體排放而產生的超聲波，其儀表設計可以滿足最嚴酷的工業環境條件和保證在工作壽命期間不要求任何校準或更換元件。無疑，Banshee343超聲氣體洩漏探測器較適合天然氣/石油洩漏與腐蝕的在線連續自動監測，該產品的最顯著工作特性是只有在天然氣/石油管道或閥門等設備出現了斷裂縫，並排放出超聲波信號的受壓氣體時，它才能正常工作，否則無效。換言之，在設備受到外界負載過程中，雖沒超過金屬材料的屈服點，即不變形、無斷裂縫，但是設備的結構健康與安全卻受到了威脅，且正沿著設備內部微裂紋形成一裂紋擴展一斷裂縫產生的進程發展。此時面對這種結構病態Banshee343探測器則無能為力。這也就是新一代氣體探測系統不能做到提前預測天然氣/石油行業裡意外的而有時必然要發生的洩漏與腐蝕事故的短板。

發明內容
本發明的目的是為提前預測意外的又是必然要發生的事故，提供一種聲發射智能傳感器和聲發射WSN解決方案。如圖I為一種振動自充電的聲發射智能傳感器結構意圖，即將鋰電池(I)、無線通信器(2)、塑料外殼(3)、聲發射傳感器(4)、微處理器(5)、紅外探測器(6)、振動發電器(7)和固定件(8)集成為的一種聲發射智能傳感器(401)。如圖4，聲發射WSN解決方案路線是從聲發射智能傳感器(401)的自組織、自診斷、自充電和易安裝的特點出發，獲取與處理數據並通過M2M網際網路終端一智慧型手機、PC機和平板電腦即時傳遞到客戶管理/監控平臺中的專家系統、資料庫和信息服務，完成智能分析與決策。本發明公開的一種聲發射智能傳感器，它是由微處理器驅動的複合感知和能量捕獲相結合的柔性傳感器，且具有通信與板載數據處理功能。其自診斷、自組織、自充電和易安裝的特點，特別能夠滿足在線連續自動監測的市場需求。所說的一種聲發射智能傳感器是由微處理器驅動的複合感知，指的是以聲發射感知為主的多重傳感器的複合感知，如聲發射/紅外、聲發射/超聲波和聲發射/溫溼度等等，以及採用不同的聲發射敏感元件與不同的聲發射換能效應所合成的聲發射複合感知，即壓電式聲發射/磁效應聲發射、壓電陶瓷聲發射/聚合物薄膜聲發射和磁效應聲發射/ 聚合物薄膜聲發射等等。所說的一種聲發射智能傳感器是由微處理器驅動的能量捕獲，即自充電指的是用印刷太陽能電池構建到被監測的工程結構表層內，捕獲廉價的太陽能；利用鐵路、公路橋梁和機場跑道等結構設施的不間斷振動，來捕獲由電磁感應產生的電能以及依靠聲發射智能傳感器內置的無線電力接收器，可以捕獲無線電力傳輸系統提供的能量。所說的一種聲發射智能傳感器指的是由微處理器驅動的一種柔性傳感器，指的是在不影響聲發射智能傳感器功能的條件下，它可以被塑造成任何形狀，例如採用模壓或/和3D印刷法塑造各種易於安裝與耦合到被監測的工程結構設施上的聲發射智能傳感器。所說的一種聲發射智能傳感器具有通信與板載數據處理功能，指的是由大量的聲發射智能傳感器節點通過自組織的無線通信方式互聯互通，協同完成各種特定監測任務的一種WSN。而且每一個聲發射智能傳感器節點都具有板載數據處理功能的自診斷特點，換言之，每一個聲發射智能傳感器將聲發射特徵數據(如能量、幅度、振鈴計數、上升時間和持續時間等)能實現完成數據融合和態勢預警。所說的一種聲發射智能傳感器的自診斷、自組織、自充電和易安裝特點，特別能夠滿足在線連續自動監測的市場需求，指的是天然氣/石油洩漏與腐蝕的在線連續自動監測、機場混凝土結構健康與安全的在線連續自動監測以及高鐵路軌健康與安全的在線連續自動監測等等，並為提前預測意外的又是必然要發生的事故，提供聲發射WSN解決方案。本發明具有如下有益效果I、為天然氣/石油、機場和聞鐵等意外事故頻發的聞危領域，提供獨一無_■的聲發射智能傳感器和聲發射WSN解決方案，實現提前預測意外事故，減少生命財產損失；2、自診斷、自組織、自充電和易安裝的聲發射智能傳感器將能協同「智慧城市」的公共基礎設施實現精準認知和機器對機器(M2M)網際網路功能；3、聲發射智能傳感器的柔性化與無線傳感器網絡(WSN)的植入模式，為IT企業創造出獨到的市場優勢和價值。


圖I為一種振動自充電的聲發射智能傳感器結構意圖
圖2為一種無線電力傳輸的聲發射智能傳感器結構意3為一種太陽能自充電的聲發射智能傳感器結構意4為聲發射無線傳感器網絡解決方案路線框5為工字鋼疲勞實驗受壓接近屈服點時的聲發射信號波形6為天然氣/石油實施例示意框7為機場實施例示意框8為聞鐵實施例不意框圖
具體實施例方式
在此，結合附圖對本發明在天然氣/石油、機場和高鐵三個領域中的實施例分別說明如下實施例一如圖I、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本發明的天然氣/石油領域的實施例是採用微處理器(5)驅動的複合感知和能量捕獲相混合的柔性傳感器，且具有通信與板載數據處理功能。所說的複合感知指的是由以壓電式聲發射/磁效應聲發射合成的聲發射傳感器(4)、超聲波探測器(301)、溫溼度探測器(202)所組成。所說的能量捕獲指的是由太陽能或/和無線電能兩種方式實現，即由鋰電池⑴、無線通信器⑵、柔性太陽能電池(302)或/和無線電力接收器(201)所組成。所說的柔性傳感器指的是將根據被測實物的外形與耦合方便進行聲發射智能傳感器柔性化的最佳設計。所說的通信與板載數據處理功能，指的是 有大量的聲發射智能傳感器(401)以自組織的無線通信方式構建WSN，即用M2M網際網路和天然氣/石油輸送管道、儲罐及閥門原有的安全維護裝置、網際網路/移動網際網路終端以及客戶監控/總調度中心互聯互通； 每一個聲發射智能傳感器(401)均具有數據融合和態勢預警功能； 聲發射智能傳感器(401)還具備在金屬材料屈服點之前報警的在線連續自動監測特性。實施例二 如圖I、圖2、圖4、和圖7所示，本發明的機場混凝土結構健康與安全監測的實施例是由微處理器(5)驅動的複合感知和能量捕獲相混合的柔性傳感器，且具有通信與板載數據處理功能。所說的複合感知指的是由以壓電式聲發射/磁效應聲發射合成的聲發射傳感器
(4)、紅外探測器￠)、溫溼度探測器(202)所組成。所說的能量捕獲指的是由機械振動能或/和無線電力傳輸兩種方式完成，即由振動發電器(7)或/和無線電力接收器(201)所組成。所說的柔性傳感器指的是它被設計製作成小型化、耐擠壓的聲發射智能傳感器，再採用微創法或/和鋼筋捆綁法通過聲發射智能傳感器(401)的固定件(8)被嵌入機場的跑道、滑行道和停機坪中。
所說的通信與板載數據處理功能指的是 由大量聲發射智能傳感器(401)以自組織無線通信構成WSN，即用M2M網際網路和機場跑道、滑行道及停機坪上原有的地面設備、網際網路/移動網際網路終端以及機場塔臺和指揮中心互聯互通； 每一個聲發射智能傳感器(401)均有數據融合和態勢預警功能； 聲發射智能傳感器(401)還有對混凝土結構材料在不同摩擦力和外力影響下即時響應的特點。實施例三如圖I、圖2、圖4、和圖8所示，本發明的高鐵實施例是採用微處理器(5)驅動的複合感知和能量捕獲相混合的柔性傳感器，且具有通信與板載數據處理功能。所說的複合感知指的是由聲發射傳感器(4)、紅外探測器(6)、溫溼度探測器(202)和磁效應聲發射/聚合物聲發射組成。所說的能量捕獲指的是由機械振動能或/和無線電力傳輸兩種方式完成，即由振動發電器(7)或/和無線電力接收器(201)所組成。所說的柔性傳感器指的是它能單獨、安全、方便地通過聲發射智能傳感器(401)的固定件(8)被安置在軌道和高壓電橋支架上。所說的通信與板載數據處理功能指的是 由大量聲發射智能傳感器(401)以自組織無線通信構成WSN，即用M2M網際網路和高鐵路軌/絕緣子原有的信號通信設備、網際網路/移動網際網路終端以及站臺管理/信息服務中心互聯互通； 每一個聲發射智能傳感器(401)均有數據融合和態勢預警功能； 聲發射智能傳感器(401)還具有提前預警路軌變形和電力電器裝置「局放」的特性。權利要求
1.一種聲發射智能傳感器是由微處理器驅動的複合感知和能量捕獲相混合的柔性傳感器，且具有通信與板載數據處理功能。它的自診斷、自組織、自充電和易安裝特點，特別能夠滿足在線連續自動監測的市場需求。
2.如權利要求I所述的一種聲發射智能傳感器，其特徵在於，所說的由微處理器驅動的複合感知是 ①以感知材料結構釋放出應變能的聲發射信號為主的多重傳感器的複合感知，比如聲發射/紅外、聲發射/超聲波和聲發射/溫度與溼度，等； ②以聲發射的不同敏感元件(如PZT壓電陶瓷和PVDF聚合物)與不同的聲發射換能效應(如磁效應和壓電式)所合成的聲發射複合感知，即壓電式聲發射/磁效應聲發射、壓電式聲發射/聚合物聲發射和磁效應聲發射/聚合物聲發射，等等。
3.如權利要求I所述的一種聲發射智能傳感器，其特徵在於，所說的由微處理器驅動的能量捕獲，即自充電方式如下 ①將可印刷太陽能電池構建到被監測的工程結構表層內，捕獲廉價的太陽能； ②利用鐵路、公路橋梁和機場跑道等結構裝置的不間斷振動，可以為聲發射智能傳感器捕獲由切割磁力線所產生的電能； ③通過無線電力傳輸，實現用聲發射智能傳感器的內置充電器件來捕獲無線電能。
4.如權利要求I所述的一種聲發射智能傳感器，其特徵在於，所說的由微處理器驅動的柔性傳感器定義與製作是 ①定義——在不影響功能的條件下，可以被塑成任何形狀的傳感器稱作柔性傳感器； ②採用模壓或/和3D印刷法塑造各種易於安裝與耦合到被監測的工程結構設施上的聲發射智能傳感器。
5.如權利要求I所述的一種聲發射智能傳感器，其特徵在於，所說的具有通信與板載數據處理功能，其表述如下 ①聲發射智能傳感器之間的通信是基於無線傳感器網絡(WirelessSensor Network以下簡稱WSN)。換言之，聲發射智能傳感器網絡是由大量的聲發射智能傳感器節點通過自組織的無線通信方式互聯互通，協同完成各種特定監測任務的一種WSN ； ②聲發射智能傳感器節點具有板載數據處理的自診斷功能，即在WSN中每一個聲發射智能傳感器節點都具有數據融合和態勢預警功能； ③聲發射智能傳感器節點在線連續自動處理的數據主要是聲發射特徵參數，如能量、幅度、振鈴計數、上升時間和持續時間等等。
6.如權利要求I所述的一種聲發射智能傳感器，其特徵在於，所說的它的自診斷、自組織、自充電和易安裝特點，特別能夠滿足在線連續自動監測的市場需求。例如，天然氣/石油洩漏與腐蝕的在線連續自動監測、機場混凝土結構健康與安全的在線連續自動監測以及高鐵路軌健康與安全的在線連續自動監測等等，並為提前預測意外的又是必然要發生的事故，提供聲發射WSN解決方案。
全文摘要
本發明公開了一種聲發射智能傳感器，它是一種由微處理器驅動的複合感知和能量捕獲相混合的柔性傳感器，且具有通信與板載數據處理功能。其自診斷、自組織、自充電和易安裝的特點，特別能夠滿足在線連續自動監測的市場需求。例如天然氣/石油洩漏與腐蝕的在線連續自動監測、機場混凝土結構健康與安全的在線連續自動監測以及高鐵路軌健康與安全的在線連續自動監測等等，並為提前預測意外的又是必然要發生的事故，提供聲發射無線傳感器網絡解決方案。如圖1為一種振動自充電的聲發射智能傳感器結構示意圖，即將鋰電池1、無線通信器2、塑料外殼3、聲發射傳感器4、微處理器5、紅外探測器6、振動發電器7和固定件8集成為一種聲發射智能傳感器401。
文檔編號G01N29/14GK102759574SQ201210278840
公開日2012年10月31日 申請日期2012年8月7日 優先權日2012年8月7日
發明者傅豔紅, 王汝笠, 費寧 申請人:上海奧達光電子科技有限公司