一种集成化的多参量多通道材料强度测控系统的制作方法

本发明涉及测控技术领域，特别涉及一种集成化的多参量多通道材料强度测控系统。

背景技术：

材料强度性能决定了材料或者部件的结构力学性能，测量材料强度对于定量描述材料结构力学性能、定性评估结构健康性能具有十分重要的意义。

含能材料在武器战斗部中不仅作为爆轰部件，有时也作为结构部件。以前的含能材料研究工作重点关注了含能材料的与破坏效应相关的爆轰性能、和与安全相关的安定性能，而对含能材料的强度性能关注相对较低。

美国利弗摩尔实验室上个世纪九十年代才开始在战斧导弹与战略武器库存科学中深度开展研究武器材料的力学性能与老化演变，这几乎比研究含能材料的爆轰性能与安全性能晚了将近一个世纪。经过二十多年的发展，美国的强度试验技术极大地支撑了美国武库维护工作。

随着我国军工领域的绿色化、可持续、集约化发展的需求不断深入，武器系统的炸药强度试验技术迫切急需发展。在民用公共安全领域，对大型建筑、桥梁隧道、体育场馆、摩天大楼等的结构健康与寿命可靠安全也迫切需求，这些民生需求，急需强度试验技术支撑。基于军工炸药材料对结构健康监测与强度性能评估需求，急需研究评估炸药材料的结构强度性能的相关模拟加载技术、微细传感技术、测试技术与评估技术。为实现炸药材料强度试验与测试系统的采样过程同步化、数据显示实时化、系统组成集成化、数据与信息处理智能化的目的，本发明提出了一种集成化的多参量多通道传感器的材料强度测试系统研制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是基于上述背景技术，提供一种集成化的多参量多通道材料强度测控系统，目的是实现炸药材料强度试验与测试系统的采样过程同步化、数据显示实时化、系统组成集成化、数据与信息处理智能化，且该集成化的多参量多通道材料强度测控系统可应用于军工材料、金属材料、高分子材料、混凝土材料等材料层次的老化性能、强度退化性能研究功能，还可应用于开发建筑等公共设施的结构健康综合监测系统。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种集成化的多参量多通道材料强度测控系统，该系统具体由集中测控计算机、温度测量传感模块、应变应力测量传感模块、声发射测量传感模块构成，在集中测控计算机内嵌有集成化数据同步采集软件，温度测量传感模块、应变应力测量传感模块、声发射测量传感模块分别将采集的数据通讯到集中测控计算机，通过嵌入式软件通讯协议与通信线缆，建立数据通讯的链路。

具体的，温度测量传感模块具体由多个测温传感器及测温系统构成，测温传感器与测温系统电连接，本发明中对于温度测量传感模块的具体要求为：测温传感器与被测材料表面紧密粘贴以实现表面温度测量；测温传感器具备超细微超快响应，满足便于粘贴使用且快速响应要求；测温系统具有实时采集、以及与标准通信协议端口实时数据通信功能，可实现将测量数据通讯到集中测控计算机上，方便集中测控计算机对数据进行管理。

进一步地，本发明的测温传感器由热电偶实现，测温系统由热电偶温度测试仪实现。

具体的，本发明中的热电偶温度测试仪通过以太网通讯方法连接到集中测控计算机。

具体的，应变应力测量传感模块包括多个应变传感器及应变测试仪，应变测试仪与多个应变传感器电连接，本发明中对应变应力测量传感模块的具体要求为:应变传感器与被测材料表面紧密粘贴，实现材料表面应变测量；应变传感器满足小型化且超快响应的条件，满足便于粘贴使用且快速响应要求；应变测试仪具有实时采集，以及与标准通信协议端口实时数据通信功能，可实现将测量数据通讯到集中测控计算机上；应变测试仪具备测量绝对应变功能，强度试验应变用于测量材料内应力引起的材料内形变因而更关注物理意义明显的相对应变量，可通过实时采集绝对应变，通过应变测量数据处理算法实时计算相对应变，方便集中测控计算机对数据进行管理。

其中，应变测量数据处理算法的流程为：

1)试验开始前记录平衡时刻t0的绝对应变值作为平衡零位上标i为应变传感器通道标识；

2)试验开始后实时采集tk时刻的绝对应变

3)按照如下公式可实时计算tk时刻的相对应变公式为：

具体的，本发明中的应变测试仪通过以太网通讯方法连接到集中测控计算机。

进一步地，声发射测量传感模块由多个声发射传感器、与多个声发射放大器与声发射采集器构成，声发射传感器与声发射放大器电连接且一一对应，声发射放大器与声发射信号采集器电连接，本发明中对声发射测量传感模块的具体要求为：声发射传感器的谐振频率至少包含了材料结构损伤产生的应力波信号的频率，实现高灵敏度检测；声发射传感器及声发射放大器具有较好的抗噪声与抗干扰性能，以提高测量数据的置信度；声发射传感器与被测材料表面紧密粘贴，实现材料损伤的声波高保真测量；声发射放大器需设置合适的带通频率，既实现强度测试中的应力波可靠采集、又能对干扰进行高效抑制，实现高置信性测量，其中，带通频率通过灵敏度近似为恒值的宽频声发射传感器预先试验测试被测材料损伤下声发射波的频谱范围特性确定；声发射采集器用于进行实时采集、撞击事件实时计算、实时数据通信，且声发射采集器具有标准通信协议端口，用于将撞击事件数据与撞击波形数据通讯到集中测控计算机上。

具体的，本发明的集中测控计算机采用多通信端口的工业控制计算机，多通信端口一般为以太网通信接口，实现方法上一般采用多通道以太网网卡，组网方法一般采用星形组网方式，其中，本发明中的声发射采集器板卡安装在工业控制计算机对应的卡槽上。

同时，本发明还公开了集成化数据同步采集软件的实现方法，及通过该软件实现同步触发采集、实时同步显示、数据实时存储与管理的方法，具体如下：

集成化数据同步采集软件具体是采用通用开发软件工具在公共的测控计算机上开发专用软件来实现，该集成化数据同步采集软件支持温度、应变与声发射采集仪的数据驱动程序，且建立通讯链路后，即可采用驱动读取各类仪器的实时数据。

其中，该集成化数据同步采集软件至少具备多参量测试仪参数设置模块、多参量测试仪通讯链路建立模块、多参量多通道同步触发采集模块、通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块、测量数据的后台存储与管理模块，从而满足材料强度测试与评价的需求。

其中，多参量测试仪参数设置模块至少包括采样频率设置单元、采集启动后需记录的三类参量的采集通道设置单元等；同时，还具备应变平衡值平衡单元，以实现相对应变与绝对应变之间的数据转换；以及用于定义参数声发射方法常用参数的参数设置单元，比如：信号频带范围、前置放大器放大倍数、撞击的三个时间参数、撞击的峰值幅度值、撞击的能量值、撞击的计数值等参数设置单元；

多参量测试仪通讯链路建立模块中至少具备采集设备ip地址设置单元，通讯连接与断开操控单元，以及异常断开或通讯故障时进行报警的报警单元等；

多参量多通道同步触发采集模块用于在触发启动三类传感器测试仪(应变测量仪、温度测量仪与声发射采集仪)进行数据采集后，按照统一的时间戳将温度传感器测试仪与应变传感器测试仪的数据按照设定采样率进行后台数据存储，以及按照参数声发射方法对撞击的常用参数进行后台数据存储；

通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块用于将参数设置中选择的通道数据显示在双窗口上；且双窗口曲线显示要求实时显示，时间滞后不长于1秒；其中，通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块可实现独立定义双窗口的窗口参数，比如自由勾选可显示的通道、自由定义显示的时间范围等；通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块还用于实现温度、应变与声发射实时测量曲线显示功能，即可按照参数设置功能将撞击的峰值幅度值、撞击的能量值、撞击的计数值等参数在同步显示窗口进行显示；

测量数据的后台存储与管理模块用于实现启动采集后，将所采集的数据以数据库管理方法进行存储，同时，测量数据的后台存储与管理模块还用于按照设定采样时间间隔对采集事件进行查询、查询对应的采集事件的数据曲线、将数据进行完整导出，以便于研究，以及存储声发射撞击的波形、导出波形数据。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明的集成化的多参量多通道材料强度测控系统可应用于炸药材料的强度试验与评价，实现炸药材料强度试验与测试系统的采样过程同步化、数据显示实时化、系统组成集成化、数据与信息处理智能化。同时，还可应用于军工材料、金属材料、高分子材料、混凝土材料等材料层次的老化性能、强度蜕化性能研究功能，以及应用于开发建筑等公共设施的结构健康综合监测系统。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的集成化的多参量多通道材料强度测控系统的示意图。

图2是本发明的一个实施例的集成化的多参量多通道材料强度测控系统的数据通讯集成方法示意图。

图3是本发明的一个实施例的集成化数据同步采集软件的多参量通道双窗口同步实时显示界面示意图。

图4是本发明的一个实施例的集成化数据同步采集软件的多参量测试仪参数设置界面示意图。

图5是本发明的一个实施例的集成化数据同步采集软件的测量数据后台存储与管理界面示意图。

附图标记：1-集中测控计算机；2-声发射采集器；3-声发射放大器；4-声发射传感器；5-应变传感器；6-应变测试仪；7-以太网网口；8-热电偶；9-热电偶温度测试仪。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

如图1所示，一种集成化的多参量多通道材料强度测控系统，该系统具体由集中测控计算机1、温度测量传感模块、应变应力测量传感模块、声发射测量传感模块构成，在集中测控计算机内嵌有集成化数据同步采集软件，温度测量传感模块、应变应力测量传感模块、声发射测量传感模块分别将采集的数据通讯到集中测控计算机，并通过嵌入式软件通讯协议与通信线缆，建立数据通讯的链路。

本实施例中，温度测量传感模块具体由热电偶温度测试仪9及多个热电偶8构成，热电偶温度测试仪与热电偶电连接，具体的，本实施例中的热电偶被设计为：与被测材料表面紧密粘贴以实现表面温度测量、具备超细微超快响应，满足便于粘贴使用且快速响应要求，同时，本实施例中的热电偶温度测试仪被设计为：具有实时采集、以及与标准通信协议端口实时数据通信功能，可实现将测量数据通讯到集中测控计算机上，方便集中测控计算机对数据进行管理。

具体的，本实施例中，应变应力测量传感模块包括多个应变传感器5及应变测试仪6，应变测试仪与多个应变传感器电连接，本发明中的应变应力测量传感模块被设计为:应变传感器与被测材料表面紧密粘贴，实现材料表面应变测量；应变传感器满足小型化且超快响应的条件，满足便于粘贴使用且快速响应要求；应变测试仪具有实时采集、以及与标准通信协议端口实时数据通信功能，可实现将测量数据通讯到集中测控计算机上；应变测试仪具备测量绝对应变功能，强度试验应变用于测量材料内应力引起的材料内形变因而更关注物理意义明显的相对应变量，可通过实时采集绝对应变，通过应变测量数据处理算法实时计算相对应变，方便集中测控计算机对数据进行管理。

其中，应变测量数据处理算法的流程为：

1)试验开始前记录平衡时刻t0的绝对应变值作为平衡零位上标i为应变传感器通道标识；

2)试验开始后实时采集tk时刻的绝对应变

3)按照如下公式可实时计算tk时刻的相对应变公式为：

具体的，本实施例中，声发射测量传感模块由多个声发射传感器4、多个声发射放大器3及声发射采集器2构成，声发射传感器与声发射放大器电连接且一一对应，声发射放大器与声发射信号采集器电连接，本实施例中对声发射测量传感模块的具体要求为：声发射传感器的谐振频率至少包含了材料结构损伤产生的应力波信号的频率，实现高灵敏度检测；声发射传感器及声发射放大器具有较好的抗噪声与抗干扰性能，以提高测量数据的置信度；声发射传感器与被测材料表面紧密粘贴，实现材料损伤的声波高保真测量；声发射放大器需设置合适的带通频率，既实现强度测试中的应力波可靠采集、又能对干扰进行高效抑制，实现高置信性测量，其中，带通频率通过灵敏度近似为恒值的宽频声发射传感器预先试验测试被测材料损伤下声发射波的频谱范围特性确定；声发射采集器用于进行实时采集、撞击事件实时计算、实时数据通信，且声发射采集器具有标准通信协议端口，用于将撞击事件数据与撞击波形数据通讯到集中测控计算机上。

作为优选，如图2所示，本实施例中，集中测控计算机采用多通信端口的工业控制计算机，多通信端口一般为以太网通信接口，实现方法上一般采用多通道以太网网卡，组网方法一般采用星形组网方式，其中，本发明中的声发射放大器通过声发射板卡安装在工业控制计算机对应的卡槽上。且本实施例中，热电偶温度测试仪通过以太网通讯方法连接到集中测控计算机，应变测试仪通过以太网通讯方法连接到集中测控计算机。

同时，如图3至图5所示，本实施例中还公开了上述集成化数据同步采集软件的实现方法，及通过该软件实现同步触发采集、实时同步显示、数据实时存储与管理的方法，具体如下：

集成化数据同步采集软件具体是采用通用开发软件工具在公共的测控计算机上开发专用软件来实现，该集成化数据同步采集软件支持温度、应变与声发射采集仪的数据驱动程序，且建立通讯链路后，即可采用驱动读取各类仪器的实时数据。

其中，该集成化数据同步采集软件至少具备多参量测试仪参数设置模块、多参量测试仪通讯链路建立模块、多参量多通道同步触发采集模块、通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块、测量数据的后台存储与管理模块，从而满足材料强度测试与评价的需求。

其中，多参量测试仪参数设置模块至少包括采样频率设置单元、采集启动后需记录的三类参量的采集通道设置单元等；同时，还具备应变平衡值平衡单元，以实现相对应变与绝对应变之间的数据转换；以及用于定义参数声发射方法常用参数的参数设置单元，比如：信号频带范围、前置放大器放大倍数、撞击的三个时间参数、撞击的峰值幅度值、撞击的能量值、撞击的计数值等参数设置单元。

多参量测试仪通讯链路建立模块中至少具备采集设备ip地址设置单元、通讯连接与断开操控单元、以及异常断开或通讯故障时进行报警的报警单元等；

多参量多通道同步触发采集模块用于在触发启动三类传感器测试仪(应变测量仪、温度测量仪与声发射采集仪)进行数据采集后，按照统一的时间戳将温度传感器测试仪与应变传感器测试仪的数据按照设定采样率进行后台数据存储，以及按照参数声发射方法对撞击的常用参数进行后台数据存储。

通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块用于将参数设置中选择的通道数据显示在双窗口上；且双窗口曲线显示要求实时显示，时间滞后不长于1秒；其中，通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块可实现独立定义双窗口的窗口参数，比如自由勾选可显示的通道、自由定义显示的时间范围等；通道自由定义的多参量通道双窗口的同步实时显示模块还用于实现声发射显示功能，即可按照参数设置功能将撞击的峰值幅度值、撞击的能量值、撞击的计数值等参数在同步显示窗口进行显示。

测量数据的后台存储与管理模块用于实现启动采集后，将所采集的数据以数据库管理方法进行存储，同时，测量数据的后台存储与管理模块还用于按照时间间隔对采集事件进行查询、查询对应的采集事件的数据曲线、将数据进行完整导出，以便于研究，以及存储声发射撞击的波形、导出波形数据。

本发明的技术方案可应用于炸药材料的强度试验与评价，同时，也可推广应用到混凝土、核材料、高分子材料等其他材料强度试验领域，利用本发明的技术方案已经成功研制了一台包含16通道温度、16通道应变与16通道声发射的炸药材料强度集成测试平台，成功实现了炸药材料的强度试验与评价，极大提高了强度试验过程中的数据处理水平，取得了较好的应用效益。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。