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专利号: 2024105509609
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试系统,其特征在于,该系统包括用于置于爆炸现场的系统主控制站(15)、用于置于爆炸现场的系统测试分站和用于置于安全区域的智能测控终端(20);其中,系统主控制站(15)、系统测试分站和智能测控终端(20)之间采用电性连接;

系统主控制站(15)用于接收外部FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸信号并判断是否为正式采样的爆炸触发指令,将正确的正式采样爆炸触发指令发送至系统测试分站;

系统测试分站用于接收系统主控制站(15)正确的正式采样爆炸触发指令,与不同测试传感器电性连接执行正式采样命令,完成FRP‑混凝土‑钢混凝土柱爆炸动态参数采集,将采集的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱动态参数信息发送至智能测控终端(20);

智能测控终端(20)用于接收FRP‑混凝土‑钢混凝土柱爆炸动态参数信息,将FRP‑混凝土‑钢混凝土柱爆炸动态参数信息实时显示,依据试验时间、试验次数以及动态参数类别进行智能化分类显示;

所述系统主控制站(15)包括:

主控模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于控制系统主控制站(15);

光电二极管(41),设置于系统主控制站(15)上部透明处,用于接收爆炸瞬时的强光信号;

光电转换判断模块,设置于系统主控电路板(6),用于对接收的爆炸瞬时强光信号转换的电信号进行阈值判断,判断是否为正式采样爆炸触发指令;

信号调理模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于接收系统测试分站采集的数据,对各个系统测试分站数据进行数据帧计算,生成FCT校验码,附着在各个测试分站数据的末端,通过FCT校验码校验保证信号传输过程中不会出现错误;

信号传输模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于接收来自智能测控终端(20)的各种指令,并传输至系统测试分站;

电源管理模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于给系统主控制站(15)供电,通过电池电量计实时检测系统主控制站(15)电池电量;

所述系统测试分站包括:

系统第一测试分站(16),用于测试炸药紧贴或近距离悬挂爆炸过程中,对地面产生的冲击波超压动态信息,并作为FRP‑混凝土‑钢混凝土柱爆炸动态参数测试系统的第二触发源;

系统第二测试分站(17)和系统第三测试分站(18),用于测试炸药紧贴或近距离悬挂爆炸过程中,炸药爆炸对柱体产生的动态位移信息;

系统第四测试分站(19),用于测试炸药紧贴或近距离悬挂爆炸过程中,炸药爆炸对柱体产生的动态应变信息,以及对爆炸现场产生的动态自由场冲击波超压信息;

炸药紧贴爆炸,将炸药放置于FRP‑混凝土‑钢混凝土柱上方,用细绳将炸药与柱体绑在一起,等待炸药引爆;近距离悬挂爆炸,将炸药系于尼龙绳上,尼龙绳绑于炸药架上,将炸药悬挂于FRP‑混凝土‑钢混凝土柱上方0‑0.5m距离内,等待炸药引爆。

2.根据权利要求1所述的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试系统,其特征在于,所述系统第一测试分站(16)包括:主控模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于控制系统第一测试分站(16)进行FRP‑混凝土‑钢混凝土柱动态数据采集和回传;

传感器模块,设置于传感器模块电路板(8)上,连接信号传输模块与冲击波超压传感器(35),用于接收主控模块数据采集指令;

信号传输模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于传输传感器采集的数据信息;

信号调理模块,设置于系统测试分站电路板(42)上,用于处理冲击波超压传感器(35)采集的动态信号,将模拟信号转换成电压信号,通过三阶切比雪夫滤波器和多级阻容滤波器组合构成级联滤波器,将信号使用三阶切比雪夫滤波器进行初步滤波处理,抑制信号的高频干扰,保留低频信号,将输出端信号传入多级阻容滤波器中进行进一步的滤波处理,进一步削弱高频成分,使得得到的信号更加纯净,滤除高频干扰;并采用差分放大器与轨对轨高速运算放大器进行组合,将其串联进行使用,可以充分发挥差分放大器放大差分信号并抑制共模干扰的功能,同时轨对轨高速运算放大器提供了稳定的高速放大功能,并保证能够在适配的电源电压范围内进行工作,提高共模抑制比和数据的抗干扰能力,进一步抑制信号失真;

数据采集模块,设置于系统第一测试分站(16)独立的ADC采集电路板(7)上,连接传感器模块电路板(8),用于采集地面冲击波超压动态信息;

数据存储模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于存储信号调理模块转换的动态信息数字信号,并将读取通过串口转485总线回传到智能测控终端(20);

电源管理模块,设置于系统主控电路板(6)上,用于给系统第一测试分站(16)供电,连接升压模块对冲击波超压传感器(35)进行供电,并通过电池电量计实时检测系统第一测试分站(16)电池电量;

各个模块之间均采用电性连接。

3.根据权利要求1所述的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试系统,其特征在于,系统第二测试分站(17)的传感器模块连接传输模块与外设位移传感器,用于传达主控模块数据采集指令;利用拉绳式电压位移传感器(36)进行FRP‑混凝土‑钢混凝土柱爆炸动态位移参数采集;

系统第三测试分站(18)的传感器模块连接传输模块与外设位移传感器,用于传达主控模块数据采集指令;利用拉绳式脉冲位移传感器(37)进行FRP‑混凝土‑钢混凝土柱爆炸动态位移参数采集;动态位移参数采集为在近距离悬挂爆炸或贴爆情况下,整个爆炸过程产生的冲击波或爆炸毁伤对柱体作用后,使柱体在这段时间内的移动情况,是时间与柱体位移大小的关系;

系统第二测试分站(17)采集的FRP爆炸动态数据为电压信号显示,系统第三测试分站(18)采集的FRP爆炸动态数据为脉冲信号显示;系统第二测试分站(17)和系统第三测试分站(18)外设位移传感器布设位置不同,但信号变化趋势相同,相互验证数据准确性;

系统第四测试分站(19)为多通道数据采集分站,数据采集模块设置于第四电路板(43)上,连接传感器模块电路板(8),内部分为三个通道,用于对FRP‑混凝土‑钢混凝土柱动态应变参数与自由场冲击波超压同时采集;

数据存储模块,设置于第四电路板(43)上,用于同步存储不同通道的FRP爆炸动态数据,按照通道不同存储为不同数据列;

系统第四测试分站(19)采集的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱爆炸动态参数数据第一第二通道为动态应变参数,第三通道为动态自由场冲击波超压参数;

系统主控制站(15)的传输数据采集指令到系统第四测试分站(19),系统第四测试分站(19)接收指令后控制数据采集模块通过分接模块(34)协调第一第二采集通道的应变片(38)与第三采集通道的自由场冲击波传感器(39)进行数据采集,运用信号传输模块将采集到的动态信息传输至数据存储模块,按照分接模块(34)的通道排序进行数据列的存储;通过信号传输模块将存储的数据列传输至系统主控制站(15)的信号调理模块,进行FCT校验码校验的数据帧计算,并传输至智能测控终端(20)进行数据的存储、读取和分析。

4.根据权利要求1所述的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试系统,其特征在于,所述智能测控终端(20)包括:远程监测控制模块,用于在安全区域实时监测爆炸现场的系统主控制站(15)和4个系统测试分站的测试状态以及各个站点电池的电量情况,运用智能测控终端(20)对系统主控制站(15)和系统测试分站进行状态指令发送和控制,远程控制系统主控制站(15)和四个系统测试分站进行测试后的复位、数据传输、轮询和预采样的指令操作;

智能数据分类模块,用于智能化区分采集的测试数据,将数据以指定文件的形式存储在程序指定的数据文件夹中,根据时间、试验次数和动态参数类别将数据分类存储和读取显示;

数据分析模块,用于对采集和存储的数据进行读取和分析,对比数据是否符合测试趋势,数据分析处理包括均值滤波和3Σ剔除;

串口设置模块,用于将智能测控终端(20)通过串口和系统主控制站(15)和系统测试分站进行连接,并通过自定义网络协议进行内部通信;

参数配置模块,用于将系统各部分参数进行显示配置,包括数据分析模块中采集的各类动态数据,进行电压或脉冲形式的信号转换成物理量对应的单位显示。

5.根据权利要求4所述的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试系统,其特征在于,系统测试分站与相应的测试传感器相连接进行动态参数的数据采集,用于将采集的不同类别的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱动态参数信息进行SD卡的存储;

智能测控终端(20)用于显示和控制系统主控制站(15)和系统测试分站的实时状态;根据智能数据分类模块的智能化存储,调取不同时间、不同试验次数以及不同类型的动态参数数据,并通过智能测控终端(20)将数据进行计算机本地数据备份;设置均值滤波和3Σ剔除数据处理按键,根据现场情况动态对存储数据进行均值滤波和3Σ剔除的数据分析,并对比验证SD卡存储数据与智能测控终端(20)本地数据备份;

智能测控终端(20)远程监测控制模块所监测的系统主控制站(15)和系统测试分站的状态包括:网络已连接,网络未连接,服务器故障,节点未连接,节点已连接,节点预采样,数据传输中,正式采样,采样结束,节点复位,数据传输完的状态显示;通过不同的状态显示及时根据现场恶劣的环境对测试系统进行调整。

6.一种FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试方法,其特征在于,该方法采用权利要求1至5中任一项所述的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试系统进行FRP现场动态测试,该方法包括:S1,将测试传感器进行现场布设,各个测试传感器、系统主控制站(15)、各个系统测试分站和智能测控终端(20)均采用电性连接;

S2,系统上电后,由智能测控终端(20)进行系统的整体控制,控制系统进入预采样模式,当爆炸时完成断线触发或达到传感器感知的冲击波阈值时,系统进入正式采样模式开始采集保存数据,系统内部对采集数据进行爆炸FCT校验码校验,记录爆炸时刻的准确时间点并保证数据传输的完整性;

S3,对预采样模式和正式采样模式数据进行存储,通过智能测控终端(20)对采集数据进行双层分类存储、读取并保存到本地,使得智能测控终端(20)对数据进行分析处理;

S4,通过智能测控终端(20)远程控制模块对系统主控制站(15)和系统测试分站进行测试后的远程站点复位、站点轮询和站点预采样的指令操作,进入下一次爆炸测试。

7.根据权利要求6所述的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试方法,其特征在于,在步骤S2中,在数据采集和FCT校验码校验过程中,数据采集模块内设一个预采样循环数组,测试系统进入预采样模式后在预采样循环数组中循环接收正式采样指令,各个系统测试分站按照系统主控制站(15)统一的正式采样指令对各自预采样模式结束时间点进行时间零点的标定,打入特定的时间戳Q,时间戳Q所在时间点为测试数据爆炸零点;正式采样模式开始后动态数据的采集过程在数据采集模块内设的正式采样循环数组中进行,正式采样开始时间点在正式采样循环数组内标记为W,等待正式采样结束后,将预采样循环数组与正式采样循环数组进行拼接,完成整个数据采集过程;时间戳Q与正式采样点W重合拼接达到预采样模式和正式采样模式数据在同一时间线上,预采样数据为从第0个数据开始到时间戳Q所在的数据,时间戳Q所在数据为爆炸零点,时间戳Q所在数据后为正式采样数据,通过系统主控制站(15)统一的正式采样触发指令获得爆炸时间点统一的位移、自由场冲击波超压、地面冲击波超压和应变的预采样数据与正式采样数据;在数据传输过程中,通过系统主控制站(15)的信号调理模块对整个数据进行数据帧计算,生成独特的FCT校验码,将校验码附着在传输数据的末尾,通过智能测控终端(20)串口设置模块的自定义网络协议进行数据的传输;通过智能测控终端(20)接收数据后,对数据进行FCT校验码校验,如果计算的校验码与传输数据末尾附着的校验码一致,则证明数据传输过程中没有出现问题,反之若不一致,则表示传输过程中出现数据错误,需要重新调取传输;

各个系统测试分站进入正式采样模式开始采集数据中,系统触发方式采用双源爆炸触发方式,包括:爆炸断线判断触发和冲击波感知阈值触发,冲击波感知阈值触发当作第二触发源预防极特殊情况出现,爆炸断线判断触发的优先级高于冲击波感知阈值触发;

其中,爆炸断线判断触发包括:两根系统信号触发线在炸药上连接并紧绑炸药,系统信号触发线连接后系统进入预采样模式进行数据采集;当炸药炸断系统信号触发线后,对系统主控制站(15)中的光电二极管(41)转换的瞬时的光信号进行光电流转换,并对转换后的光电流进行阈值判断,所述阈值为转换的光电流大于3mA,对于阈值的设定满足人为不会造成误触发的要求;当系统信号触发线断开时,对系统主控制站(15)的光电二极管(41)采集的光信号进行光电流转换,当转换后的光电流值大于设定阈值,则认为满足判断条件,判断系统信号触发线的断开为炸药爆炸所致,达到期望的正式采样模式,实施正式动态数据采集;

冲击波感知阈值触发包括:若炸药爆炸未将系统信号触发线炸断,系统主控制站(15)无法对各个系统测试分站发出正式采样模式开始指令时,对系统第一测试分站(16)的冲击波超压传感器(35)设定冲击波超压触发阈值,所设阈值为0.1MPa‑0.2MPa,对于阈值设定满足人为不会造成误触发的要求;当冲击波超压传感器(35)满足所设定的触发阈值时间点优先于系统主控制站(15)对系统第一测试分站(16)发出的正式采样模式开始指令时,认为预想的极特殊情况出现,采用冲击波感知阈值触发的正式采样指令作为所有系统测试分站正式数据采样的触发指令,实施正式动态数据采集;

在爆炸断线判断触发中,当系统信号触发线断开时,开始判断外部光信号转换的光电流满足阈值判断条件包括:系统信号触发线从连接至断开时,系统主控制站(15)中的光电二极管(41)采集测试现场的光信号,当在固定的光电二极管(41)有效面积下,光电二极管(41)通过固定的量子效率对瞬时的光信号进行光电流转换,利用雪崩‑光电流成倍地激增现象转换后的光电流与设定的阈值进行判断,表达式为:I1=η×P×A

M

I2=I1×G

式中,I1为初步转换后的光电流,η为光电二极管的量子效率,P为入射光功率,A为光电二极管有效面积;I2为雪崩现象后转换的光电流,G为雪崩增益,M为光电二极管的结构系数;

当I2的值大于所设置的光电流阈值时,判断系统信号触发线断开为炸药爆炸炸断,反之则判断信号线的断开为误触发所致。

8.根据权利要求6所述的FRP‑混凝土‑钢混凝土柱的爆炸动态参数测试方法,其特征在于,在步骤S3中,在数据存储和读取过程中,通过智能测控终端(20)的智能数据分类模块将采集到的数据进行智能化分类,按照试验时间和动态参数类别依据,对采集数据进行智能化存储,将数据以指定文件的形式存储在按照试验时间生成的数据文件夹中,并进一步存储在按照动态信息类别生成的各类文件夹中;整个存储过程中试验时间的存储优先级高于动态参数类别;

在步骤S4中,智能测控终端(20)的串口设置模块通过自定义网络协议进行内部通信,自定义网络协议为智能测控终端(20)向系统主控制站(15)以及系统测试分站发送站点状态查询指令、预采样指令以及正式采样指令时,系统主控制站(15)以及系统测试分站接收并回复具体状态或指令执行的确认消息;支持双向的指令传输以及单项的采集数据传输;

如果消息长度不符合规定,或接收到的消息内容不完整,系统主控制站(15)和系统测试分站发送错误消息给智能测控终端(20),并丢弃消息;自定义网络协议包含安全验证机制,指令传输以及数据传输使用时进行指令加密和数据FCT校验码验证的安全措施。