悬臂梁弯曲形变实时监测方法技术

本发明专利技术公开了一种悬臂梁弯曲形变实时监测方法。建立一个悬臂梁弯曲形变实时监测装置，包括：嵌入式端、电脑端；嵌入式端，固定在待测悬臂梁上，用于实时监测待测悬臂梁的形变；电脑端，用于远程监控实时数据，提供软件的数据接口，计算并显示实时角度值、最大挠度位置、最大挠度值、受力点和受力大小和模拟梁受力变形的实时模型动画等功能；方法对采集的角度数据进行去噪处理、零点处理和分度数处理这三个阶段的滤波处理；并建立了形变检测数学模型；本发明专利技术提供了起重机臂、吊机臂等承重受力机械设备的构造类力学分析模型的建立，也可以用于实体梁臂受力弯曲变形的实时监测。

Real time monitoring method of bending deformation of cantilever beam

【技术实现步骤摘要】
悬臂梁弯曲形变实时监测方法
本专利技术涉及形变监测领域，特别是一种悬臂梁弯曲形变实时监测方法。
技术介绍
悬臂梁是一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座，另一端为自由端的梁，其受到梁臂上的压力导致梁发生弯曲变形。例如起重机臂、吊机臂等都可以简化为悬臂梁模型。这类梁臂作为重要的承重受力机械设备，在工作时因受力产生形变在所难免，而过度的形变不但会损坏梁臂，还会带来重大的生产事故造成不可预计的人员、财产损失。因此，提供一个实时检测悬臂梁梁臂受力、形变的装置方法非常有必要。现有的测量技术主要有：应变片和计算机视觉。其中，应变片测量技术较为成熟，该技术精度高、寿命长，但作为一种植入式的测量方法，无法判断受力大小、无法测量弯曲位移量，同时高成本、灵活性差是该技术的不足。计算机视觉测量是这几年新起的技术，该技术对计算机视觉观察的性能和图像采集设备的安装调试的要求都很高，且容易因为视觉上的遮挡而影响。基于以上技术的不足，本专利技术提出了一种悬臂梁梁臂模型的受力、形变实时监测装置方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种悬臂梁弯曲形变实时监测方法。具体步骤为：(1)建立一个悬臂梁弯曲形变实时监测装置，包括：嵌入式端、电脑端。嵌入式端，包括：无线角度传感模块、微控制器模块、无线数据传输模块、显示模块。微控制器模块与无线角度传感模块、无线数据传输模块、显示模块电连接。嵌入式端，用于传感器数据采集、数据解析、数据滤波、数据转换运算、显示图形和字符形式的运算结果、对参数进行实时监测和阈值报警、与电脑端进行无线通信，向电脑端发送滤波处理后的数据、接收电脑端的控制指令。嵌入式端，固定在待测悬臂梁上，用于实时监测待测悬臂梁的形变。无线角度传感模块，至少包括一个三轴的角度传感器，角度传感器提供一个三轴直角坐标系中三个轴的瞬时角度变化。角度传感器放置在待测悬臂梁的自由端端点，实时监测自由端点角度值并回传，提供无线数据传输功能。微控制器模块，用于数据分析、数据滤波、数据转换运算、对参数进行实时监测和阈值报警、输出图形和字符形式的运算结果到显示模块。无线数据传输模块，用于与无线角度传感模块进行无线通信、与电脑端进行无线通信，与微控制器模块进行有线通信。显示模块，以图形和字符形式，显示形变过程和结果。电脑端，包括：1)数据传输中转器；2)电脑及上位机软件。电脑端，用于远程监控实时数据，提供软件的数据接口，与嵌入式端进行无线通信，接收嵌入式端处理后的数据，以及向嵌入式端发送控制指令。电脑端上位机软件，实现了接收串口传回的数据、发送串口编码指令、图形界面上显示采样回来的实时角度值、最大挠度位置、最大挠度值、受力点和受力大小和模拟出梁受力变形的实时模型动画等功能。数据传输中转器，用于：1)接收嵌入式端通过无线方式回传的数据，并用串口将数据发送至电脑，再由上位机软件进行处理；2)接收电脑通过串口发送的控制指令，通过无线通信方式将控制指令发至嵌入式端。(2)步骤(1)的嵌入式端，提供三大功能模式：参数设置模式、标定功能模式与测量功能模式。参数设置模式，该模式功能包括：参数设置、阈值设置、滤波使能、无线数据传输使能、无线信道检测、角度传感器检测。参数设置，设置梁的长度、梁的弯曲刚度。阈值设置，设置压力大小阈值点、最大挠度值阈值点，选择是否开启阈值报警功能；在测量功能模式下开启阈值报警功能，如果监测到压力值与最大挠度值都超过了设置的阈值点，装置发出报警并在显示模块上显示报警标志。滤波使能，选择开启或关闭滤波功能。无线数据使能，选择开启或关闭通过无线模式向电脑端回传数据的功能。无线信道检测，检测无线模块是否存在，是否能正常运行功能。角度传感器检测，检测是否有角度传感器返回的数据。标定功能模式，该模式功能有：标定角度零点、修正角度偏差和标定所要测量梁的弯曲刚度。标定角度零点，用于悬臂梁模型的标定。在待测悬臂梁未受外部压力的静止情况下，采样待测悬臂梁静止状态下的角度值，将其标定为角度零点值。修正角度偏差，用于悬臂梁模型的标定。标定过程为：以待测悬臂梁的自由端点为梁的端点，在梁的端点处施加向下的压力，待角度值稳定后，将角度值保存。测量功能模式，其功能有：角度传感器数据采集、数据解析、数据滤波、数据转换运算、用图形和数值字符形式显示运算结果、实时监测角度变化和阈值报警，与电脑端进行无线通信，与电脑端传输滤波后的数据、接收电脑端的控制指令。(3)步骤(1)中的悬臂梁弯曲形变实时监测装置对待测悬臂梁进行形变检测，需要对无线传感模块采集的角度数据进行滤波处理。滤波处理方法如下：在滤波处理中，将角度值分为三个阶段量进行处理，分别是：角度裸值、内部分度数和角度视数。总共可分为三个步骤：去噪处理、零点处理和分度数处理。角度裸值,是角度传感器采样回来未通过处理的角度值，即角度最原始数据；内部分度数，是角度裸值经过去噪处理、零点处理后得到的角度计算量；角度视数，是内部分度数进行分度数处理后最终的滤波输出量，作为滤波处理输出的角度值。去噪处理，用于过滤掉导致采样数值不稳定的波动，去噪处理包括：对角度裸值做追零判断、滑动平均滤波、加权滤波。去噪处理步骤如下：Q1，输入角度裸值；Q2，追零范围判断处理；Q3，滑动平均滤波；Q4，加权滤波；Q5，角度变化范围处理；Q6，输出角度滤波值。追零范围判断处理，用于判断当前角度裸值是否在追零范围内。若为追零范围内，便通过零点修正来进行追零处理，并输出追零输出值。若超出追零范围，将当前角度裸值舍去。追零范围，取待测悬臂梁未受到外力的静止状态下，采到的角度值最大变化范围。追零处理，是当角度值在规定的范围内时，将角度值递增或递减，使得角度值趋近于0。滑动平均滤波，用一个滑动平均滤波数组来存放追零输出值做滤波运算参考量，数组大小为N，N(N为大于或等于10的自然数)。采用N个参考量进行滤波平均，每进行一次滑动平均滤波，就将新的追零输出值放入数组第一个元素里。对于滑动平均滤波数组，提供两种填充操作模式：快速刷新填充操作、缓慢刷新填充操作。快速刷新填充操作模式，将数组中的前三个追零输出值放入到数组最后三位，并把剩下的数组元素用上一次滤波输出的追零输出值予以填充。缓慢刷新填充操作模式，将数组里面的追零输出值逐一往前传递。滑动平均滤波，把两种填充操作模式进行结合，将一个滤波处理周期内先运行M(M为大于或等于2的自然数)次缓慢刷新填充操作，再执行Q(Q为大于或等于2的自然数)次快速刷新填充操作。每次填充完毕后，都对数组内的N个元素求平均数，并将平均数输出至加权滤波。加权滤波，用于在不同的变化过程中对角度裸值赋予不同权重值。加权滤波，若待测悬臂梁构件为稳定状态时，削弱新采集的角度裸值权重；若梁构件为非稳定状态时，加强新采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬臂梁弯曲形变实时监测方法，其特征在于具体步骤为：/n(1)建立一个悬臂梁弯曲形变实时监测装置，包括：嵌入式端、电脑端；/n嵌入式端，包括：无线角度传感模块、微控制器模块、无线数据传输模块、显示模块；微控制器模块与无线角度传感模块、无线数据传输模块、显示模块电连接；/n嵌入式端，用于传感器数据采集、数据解析、数据滤波、数据转换运算、显示图形和字符形式的运算结果、对参数进行实时监测和阈值报警、与电脑端进行无线通信，向电脑端发送滤波处理后的数据、接收电脑端的控制指令；嵌入式端，固定在待测悬臂梁上，用于实时监测待测悬臂梁的形变；/n无线角度传感模块，至少包括一个三轴的角度传感器，角度传感器提供一个三轴直角坐标系中三个轴的瞬时角度变化；角度传感器放置在待测悬臂梁的自由端端点，实时监测自由端点角度值并回传，提供无线数据传输功能；/n微控制器模块，用于数据分析、数据滤波、数据转换运算、对参数进行实时监测和阈值报警、输出图形和字符形式的运算结果到显示模块；/n无线数据传输模块，用于与无线角度传感模块进行无线通信、与电脑端进行无线通信，与微控制器模块进行有线通信；/n显示模块，以图形和字符形式，显示形变过程和结果；/n电脑端，包括：1)数据传输中转器；2)电脑及上位机软件；/n电脑端，用于远程监控实时数据，提供软件的数据接口，与嵌入式端进行无线通信，接收嵌入式端处理后的数据，以及向嵌入式端发送控制指令；电脑端上位机软件，实现了接收串口传回的数据、发送串口编码指令、图形界面上显示采样回来的实时角度值、最大挠度位置、最大挠度值、受力点和受力大小和模拟出梁受力变形的实时模型动画等功能；/n数据传输中转器，用于：1)接收嵌入式端通过无线方式回传的数据，并用串口将数据发送至电脑，再由上位机软件进行处理；2)接收电脑通过串口发送的控制指令，通过无线通信方式将控制指令发至嵌入式端；/n(2)步骤(1)的嵌入式端，提供三大功能模式：参数设置模式、标定功能模式与测量功能模式；/n参数设置模式，该模式功能包括：参数设置、阈值设置、滤波使能、无线数据传输使能、无线信道检测、角度传感器检测；/n参数设置，设置梁的长度、梁的弯曲刚度；/n阈值设置，设置压力大小阈值点、最大挠度值阈值点，选择是否开启阈值报警功能；在测量功能模式下开启阈值报警功能，如果监测到压力值与最大挠度值都超过了设置的阈值点，装置发出报警并在显示模块上显示报警标志；/n滤波使能，选择开启或关闭滤波功能；/n无线数据使能，选择开启或关闭通过无线模式向电脑端回传数据的功能；/n无线信道检测，检测无线模块是否存在，是否能正常运行功能；/n角度传感器检测，检测是否有角度传感器返回的数据；/n标定功能模式，该模式功能有：标定角度零点、修正角度偏差和标定所要测量梁的弯曲刚度；/n标定角度零点，用于悬臂梁模型的标定；在待测悬臂梁未受外部压力的静止情况下，采样待测悬臂梁静止状态下的角度值，将其标定为角度零点值；/n修正角度偏差，用于悬臂梁模型的标定；标定过程为：以待测悬臂梁的自由端点为梁的端点，在梁的端点处施加向下的压力，待角度值稳定后，将角度值保存；/n测量功能模式，其功能有：角度传感器数据采集、数据解析、数据滤波、数据转换运算、用图形和数值字符形式显示运算结果、实时监测角度变化和阈值报警，与电脑端进行无线通信，与电脑端传输滤波后的数据、接收电脑端的控制指令；/n(3)步骤(1)中的悬臂梁弯曲形变实时监测装置对待测悬臂梁进行形变检测，需要对无线传感模块采集的角度数据进行滤波处理；滤波处理方法如下：/n在滤波处理中，将角度值分为三个阶段量进行处理，分别是：角度裸值、内部分度数和角度视数；总共可分为三个步骤：去噪处理、零点处理和分度数处理；/n角度裸值,是角度传感器采样回来未通过处理的角度值，即角度最原始数据；/n内部分度数，是角度裸值经过去噪处理、零点处理后得到的角度计算量；/n角度视数，是内部分度数进行分度数处理后最终的滤波输出量，作为滤波处理输出的角度值；/n去噪处理，用于过滤掉导致采样数值不稳定的波动，去噪处理包括：对角度裸值做追零判断、滑动平均滤波、加权滤波；去噪处理步骤如下：/nQ1，输入角度裸值；/nQ2，追零范围判断处理；/nQ3，滑动平均滤波；/nQ4，加权滤波；/nQ5，角度变化范围处理；/nQ6，输出角度滤波值；/n追零范围判断处理，用于判断当前角度裸值是否在追零范围内；若为追零范围内，便通过零点修正来进行追零处理，并输出追零输出值；若超出追零范围，将当前角度裸值舍去；/n追零范围，取待测悬臂梁未受到外力的静止状态下，采到的角度值最大变化范围；/n追零处理，是当角度值在规定的范围内时，将角度值递增或递减，使得角度值趋近于0；/n滑动平均滤波，用一个滑动平均滤波数组来存放追零输出值做滤波运算...

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁弯曲形变实时监测方法，其特征在于具体步骤为：
(1)建立一个悬臂梁弯曲形变实时监测装置，包括：嵌入式端、电脑端；
嵌入式端，包括：无线角度传感模块、微控制器模块、无线数据传输模块、显示模块；微控制器模块与无线角度传感模块、无线数据传输模块、显示模块电连接；
嵌入式端，用于传感器数据采集、数据解析、数据滤波、数据转换运算、显示图形和字符形式的运算结果、对参数进行实时监测和阈值报警、与电脑端进行无线通信，向电脑端发送滤波处理后的数据、接收电脑端的控制指令；嵌入式端，固定在待测悬臂梁上，用于实时监测待测悬臂梁的形变；
无线角度传感模块，至少包括一个三轴的角度传感器，角度传感器提供一个三轴直角坐标系中三个轴的瞬时角度变化；角度传感器放置在待测悬臂梁的自由端端点，实时监测自由端点角度值并回传，提供无线数据传输功能；
微控制器模块，用于数据分析、数据滤波、数据转换运算、对参数进行实时监测和阈值报警、输出图形和字符形式的运算结果到显示模块；
无线数据传输模块，用于与无线角度传感模块进行无线通信、与电脑端进行无线通信，与微控制器模块进行有线通信；
显示模块，以图形和字符形式，显示形变过程和结果；
电脑端，包括：1)数据传输中转器；2)电脑及上位机软件；
电脑端，用于远程监控实时数据，提供软件的数据接口，与嵌入式端进行无线通信，接收嵌入式端处理后的数据，以及向嵌入式端发送控制指令；电脑端上位机软件，实现了接收串口传回的数据、发送串口编码指令、图形界面上显示采样回来的实时角度值、最大挠度位置、最大挠度值、受力点和受力大小和模拟出梁受力变形的实时模型动画等功能；
数据传输中转器，用于：1)接收嵌入式端通过无线方式回传的数据，并用串口将数据发送至电脑，再由上位机软件进行处理；2)接收电脑通过串口发送的控制指令，通过无线通信方式将控制指令发至嵌入式端；
(2)步骤(1)的嵌入式端，提供三大功能模式：参数设置模式、标定功能模式与测量功能模式；
参数设置模式，该模式功能包括：参数设置、阈值设置、滤波使能、无线数据传输使能、无线信道检测、角度传感器检测；
参数设置，设置梁的长度、梁的弯曲刚度；
阈值设置，设置压力大小阈值点、最大挠度值阈值点，选择是否开启阈值报警功能；在测量功能模式下开启阈值报警功能，如果监测到压力值与最大挠度值都超过了设置的阈值点，装置发出报警并在显示模块上显示报警标志；
滤波使能，选择开启或关闭滤波功能；
无线数据使能，选择开启或关闭通过无线模式向电脑端回传数据的功能；
无线信道检测，检测无线模块是否存在，是否能正常运行功能；
角度传感器检测，检测是否有角度传感器返回的数据；
标定功能模式，该模式功能有：标定角度零点、修正角度偏差和标定所要测量梁的弯曲刚度；
标定角度零点，用于悬臂梁模型的标定；在待测悬臂梁未受外部压力的静止情况下，采样待测悬臂梁静止状态下的角度值，将其标定为角度零点值；
修正角度偏差，用于悬臂梁模型的标定；标定过程为：以待测悬臂梁的自由端点为梁的端点，在梁的端点处施加向下的压力，待角度值稳定后，将角度值保存；
测量功能模式，其功能有：角度传感器数据采集、数据解析、数据滤波、数据转换运算、用图形和数值字符形式显示运算结果、实时监测角度变化和阈值报警，与电脑端进行无线通信，与电脑端传输滤波后的数据、接收电脑端的控制指令；
(3)步骤(1)中的悬臂梁弯曲形变实时监测装置对待测悬臂梁进行形变检测，需要对无线传感模块采集的角度数据进行滤波处理；滤波处理方法如下：
在滤波处理中，将角度值分为三个阶段量进行处理，分别是：角度裸值、内部分度数和角度视数；总共可分为三个步骤：去噪处理、零点处理和分度数处理；
角度裸值,是角度传感器采样回来未通过处理的角度值，即角度最原始数据；
内部分度数，是角度裸值经过去噪处理、零点处理后得到的角度计算量；
角度视数，是内部分度数进行分度数处理后最终的滤波输出量，作为滤波处理输出的角度值；
去噪处理，用于过滤掉导致采样数值不稳定的波动，去噪处理包括：对角度裸值做追零判断、滑动平均滤波、加权滤波；去噪处理步骤如下：
Q1，输入角度裸值；
Q2，追零范围判断处理；
Q3，滑动平均滤波；
Q4，加权滤波；
Q5，角度变化范围处理；
Q6，输出角度滤波值；
追零范围判断处理，用于判断当前角度裸值是否在追零范围内；若为追零范围内，便通过零点修正来进行追零处理，并输出追零输出值；若超出追零范围，将当前角度裸值舍去；
追零范围，取待测悬臂梁未受到外力的静止状态下，采到的角度值最大变化范围；
追零处理，是当角度值在规定的范围内时，将角度值递增或递减，使得角度值趋近于0；
滑动平均滤波，用一个滑动平均滤波数组来存放追零输出值做滤波运算参考量，数组大小为N，N(N为大于或等于10的自然数)；采用N个参考量进行滤波平均，每进行一次滑动平均滤波，就将新的追零输出值放入数组第一个元素里；
对于滑动平均滤波数组，提供两种填充操作模式：快速刷新填充操作、缓慢刷新填充操作；
快速刷新填充操作模式，将数组中的前三个追零输出值放入到数组最后三位，并把剩下的数组元素用上一次滤波输出的追零输出值予以填充；
缓慢刷新填充操作模式，将数组里面的追零输出值逐一往前传递；
滑动平均滤波，把两种填充操作模式进行结合，将一个滤波处理周期内先运行M(M为大于或等于2的自然数)次缓慢刷新填充操作，再执行Q(Q为大于或等于2的自然数)次快速刷新填充操作；每次填充完毕后，都对数组内的N个元素求平均数，并将平均数输出至加权滤波；
加权滤波，用于在不同的变化过程中对角度裸值赋予不同权重值；
加权滤波，若待测悬臂梁构件为稳定状态时，削弱新采集的角度裸值权重；若梁构件为非稳定状态时，加强新采集的角度裸值权重；
加权滤波，先判断是否达到内部分度数的稳定状态；
内部分度数的稳定状态，为新输入的角度裸值与上一个滤波输出的角度视数相差不超过一个设定的范围；
若达到内部分度数的稳定状态，其滤波计算式为：滤波输出值＝(新输入的角度裸值*1+上一个滤波输出角度视数*3)/4；上式中，新输入的角度裸值权重为25％；
若未达到内部分度数的稳定状态，其滤波计算式是：滤波输出值＝(新输入的角度裸值*3+上一个滤波输出角度视数*1)/4；上式中，新输入的角度裸值权重为75％；
角度变化范围处理函数，用于将新输入的角度裸值与上一次的滤波输出值做比较，根据变化范围区间来判断角度值是否稳定，并确定内部分度数达到稳定状态时所需滤波次数；
零点处理，用于修正待测悬臂梁在工作中引起的角度零点偏差，解决以下情况导致的测量偏差：1)待测悬臂梁在每一次受力形变再返回静态时的形状改变，导致角度传感器采集待测悬臂梁在静态时的角度零点值都会与标定时的标定零点值有偏差；2)待测悬臂梁由于长期处于受力状态的机械损耗，导致待测悬臂梁在静态时实际的角度零点值与标定时的标定零点值偏差的逐渐变大；
零点处理，包括：零点修正、自动追零；
零点修正，包括三个功能：修正标定零点差值、修正累计零点、过滤角度差值；
修正标定零点，用于将每次采集的角度零点值都减去标定时的标定零点值；
修正累计零点，用于将追零后所产生的追零量算入角度裸值中，改变待测悬臂梁静态时的角度零点值；
过滤角度差值，用于通过计算悬臂梁自由端的端点与悬臂梁固定端的端点角度值相对变化值，来检测待测悬臂梁的弯曲形变，使待测悬臂梁不受其自身倾斜的影响；处理待测悬臂梁自身倾斜的方法为：以标定时的自由端端点的角度...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓健志，周越菡，程小辉，邓卓洪，甘劲宇，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西;45