1.本实用新型属于
应变监测技术领域，具体涉及一种航天发射场地面设备在线应变监测系统。
背景技术：
2.目前的发射场地面设备的在线监测，主要还是由设备设计单位提供的压力、温度、液位等在线仪表进行间接监测。设备操作参数稳定时，设备的安全状态就有可靠保障；但航天地面设备由于设备使用频率提高后，其操作工况具有间歇性、急迫性等特点，在频繁充放气环节可能造成设备出现损伤，常规间接监测方式无法及时准确反馈设备的安全状态，可能给工作、操作人员及设备带来安全隐患。
3.航天发射场地面压力容器主要依靠定期检验来发现可能存在的缺陷，因此其无法及时且准确掌握压力容器在服役过程中产生的或者扩大的缺陷。航天地面压力容器如球形高压气瓶，由于受疲劳失效的影响，在实际充放气过程中，将随时对压力容器将产生不可逆的损伤，而定期检验检测时无法及时掌握设备健康状态。常规检测依靠人工进行，耗时费力，且检测数据需经过计算复核，其结果无法及时反馈，检测结果只能反映当时的设备状态。
4.其它行业所用应变监测系统，如大型桥梁或隧道、水电大坝等混凝土设施，多采用有线数据传输。对于新建设备，施工难度尚可接受，但对于已服役状态的设备，甚至很多易燃易爆场合的环境下，施工难度较大。
5.常见气瓶、推进剂贮罐，具有压力表、温度表等，并未发现应变监测仪表，无法准确反映设备应力-应变的直接变化。对于早期缺陷或者服役期间产生的缺陷，无法进行及时报警与反馈，为设备的安全运行留下了隐患。
技术实现要素：
6.针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种航天发射场地面设备在线应变监测系统解决了目前发射场地面设备的在线监测无法及时准确反馈设备安全状态的问题。
7.为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：一种航天发射场地面设备在线应变监测系统，包括数据采集
模块、中央处理器模块、电源模块和数据传输模块，
所述中央处理器模块分别与所述数据采集模块、电源模块和数据传输模块连接，所述电源模块还分别与所述数据采集模块和数据传输模块连接；
8.其中，所述数据采集模块设置有若干应变状态监测通道，每个所述应变状态监测通道均与所述中央处理器模块连接。
9.进一步地：所述中央处理器模块设置有单片机芯片u1，所述单片机芯片u1的型号具体为stc8a8k64s4a12；
10.其中，所述单片机芯片u1的24号
引脚作为监测通道第一输入引脚，所述单片机芯
片u1的23号引脚作为监测通道第一输入引脚。
11.进一步地：所述数据采集模块还设置有热电偶温度测量电路，其包括热电偶数字转换器u3和接地电容c8，所述热电偶数字转换器u3的型号具体为max6675；
12.其中，所述热电偶数字转换器u3的1号引脚接地，所述热电偶数字转换器u3的4号引脚与接地电容c8连接，所述热电偶数字转换器u3的7号和6号引脚分别与所述单片机芯片u1的20号和15号引脚一一对应连接。
13.进一步地：每个所述应变状态监测通道均包括应变片u11、ad模块u12、半桥1/4桥切换s1、半桥1/4桥切换s2、半桥1/4桥切换s3、电阻r1、接地电阻r2和接地电阻r5，所述ad模块u12的型号具体为hx711，所述应变片u11的型号具体为kfgs-5-120-d16-11 l1m2s或kfgs-5-120-c11-11 l1m2r；
14.其中，所述应变片u11的1号引脚分别与所述半桥1/4桥切换s1的1号引脚和半桥1/4桥切换s3的1号引脚连接，所述半桥1/4桥切换s3的3号引脚与所述ad模块u12的1号引脚连接，所述应变片u11的2号引脚分别与所述电阻r1的一端和半桥1/4桥切换s1的3号引脚连接，所述应变片u11的3号引脚分别与所述半桥1/4桥切换s2的1号引脚和ad模块u12的3号引脚连接，所述半桥1/4桥切换s2的3号引脚与所述接地电阻r5连接，所述应变片u11的4号引脚分别与所述电阻r1的另一端、接地电阻r2和ad模块的2号引脚连接，所述ad模块的4号引脚与5v电源连接，所述ad模块的5号和6号引脚分别与所述单片机芯片u1的监测通道第一输入引脚和监测通道第二输入引脚一一对应连接。
15.上述进一步方案的有益效果为：设置应变状态监测通道可实时捕捉被测压力容器外壳壳环向和轴向应变的变化并将应变变化发送到单片机芯片。
16.进一步地：所述数据传输模块设置有ttl转以太网转接芯片u13、电平转换器u14和电阻r14，所述电平转换器u14的型号具体为txs0104e，所述ttl转以太网转接芯片u13的型号具体为w7500p；
17.其中，所述ttl转以太网转接芯片u13的3号和9号引脚均接地，所述ttl转以太网转接芯片u13的4号和5号引脚分别与所述电平转换器u14的3号和2号引脚一一对应连接，所述ttl转以太网转接芯片u13的7号引脚接地，所述ttl转以太网转接芯片u13的1号引脚通过电阻r14与所述ttl转以太网转接芯片u13的8号引脚连接，所述ttl转以太网转接芯片u13的12号和13号引脚分别与所述单片机芯片u1的1号和2号引脚一一对应连接。
18.进一步地：所述电源模块包括5v电源子模块、电源负载开关d1、电源负载开关d2，所述电源负载开关d1和电源负载开关d2的型号均为fdc6330l；
19.其中，所述5v电源子模块的输入端与vcc电源连接，所述5v电源子模块的输出端与所述单片机芯片u1的14号引脚连接；
20.所述电源负载开关d1的4号引脚与所述vcc电源连接，所述电源负载开关d1的3号引脚与所述电源负载开关d2的2号引脚连接，所述电源负载开关d2的3号引脚与所述半桥1/4桥切换s3的2号引脚连接。
21.进一步地：所述5v电源子模块包括电源稳压芯片u15、接地电阻r40、电阻器vr41、电感l、电容接地c40、电容接地c41、电容接地c42、电容接地c49二极管v40，所述电源稳压芯片u15的型号具体为lm2596s；
22.其中，所述电源稳压芯片u15的1号引脚分别与所述接地电容c40和接地电容c49连
接，并作为5v电源子模块的输入端，所述电源稳压芯片u15的2号和3号引脚均接地，所述电源稳压芯片u15的2号引脚分别与所述接地电容c41、二极管v40的负极和电感l的一端连接，所述二极管v40的正极接地，所述电感l的另一端分别与所述接地电容c42、电阻器vr41的2号和3号引脚连接，并作为5v电源子模块的输出端，所述电源稳压芯片u15的4号引脚分别与所述接地电阻r40和电阻器vr41的1号引脚连接。
23.本实用新型的有益效果为：
24.(1)本实用新型提供的一种航天发射场地面设备在线应变监测系统，可在被测设备的地面压力容器上实现关键部位的应变实时监测、无线数据传输到后台、实时监测设备健康状态，实现航天地面压力容器安全状况监测的便捷性、实时性、有效性的多个目标。
25.(2)本实用新型通过设置应变状态监测通道和热电偶温度测量电路，通过实际的载荷谱预测压力容器的剩余疲劳寿命，对于避免压力容器突然失效发生后产生的极端火灾或爆炸后果有重要意义。
附图说明
26.图1为一种航天发射场地面设备在线应变监测系统的结构示意图。
27.图2为中央处理器模块的单片机芯片原理图。
28.图3为热电偶温度测量电路的原理图。
29.图4为应变状态监测通道的原理图。
30.图5为ad模块的原理图。
31.图6为数据传输模块的原理图。
32.图7为电源负载开关的原理图。
33.图8为5v电源子模块的原理图。
34.图9为一种航天发射场地面设备在线应变监测系统的防爆箱尺寸图一。
35.图10为一种航天发射场地面设备在线应变监测系统的防爆箱尺寸图二。
具体实施方式
36.下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
37.如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，一种航天发射场地面设备在线应变监测系统，包括数据采集模块、中央处理器模块、电源模块和数据传输模块，所述中央处理器模块分别与所述数据采集模块、电源模块和数据传输模块连接，所述电源模块还分别与所述数据采集模块和数据传输模块连接；
38.其中，所述数据采集模块设置有若干应变状态监测通道，每个所述应变状态监测通道均与所述中央处理器模块连接。
39.数据采集模块用于采集被测设备的压力数据和温度数据，所述中央处理器模块用于将采集的压力数据和温度数据进行处理，数据传输模块用于将处理后的压力数据和温度数据发送至终端，电源模块用于为系统的各个模块提供工作所需电源。
40.如图2所示，所述中央处理器模块设置有单片机芯片u1，所述单片机芯片u1的型号具体为stc8a8k64s4a12；
41.其中，所述单片机芯片u1的24号引脚作为监测通道第一输入引脚，所述单片机芯片u1的23号引脚作为监测通道第一输入引脚。
42.如图3所示，所述数据采集模块还设置有热电偶温度测量电路，其包括热电偶数字转换器u3和接地电容c8，所述热电偶数字转换器u3的型号具体为max6675；
43.其中，所述热电偶数字转换器u3的1号引脚接地，所述热电偶数字转换器u3的4号引脚与接地电容c8连接，所述热电偶数字转换器u3的7号和6号引脚分别与所述单片机芯片u1的20号和15号引脚一一对应连接。
44.热电偶数字转换器u3为一款精密的热电偶数字转换器，内置12位模数转换器(adc)，热电偶数字转换器u3的t+输入引脚和t-输入引脚连接到系统的内部，可减少热电偶导线引入的噪声误差。
45.如图4～图5所示，每个所述应变状态监测通道均包括应变片u11、ad模块u12、半桥1/4桥切换s1、半桥1/4桥切换s2、半桥1/4桥切换s3、电阻r1、接地电阻r2和接地电阻r5，所述ad模块u12的型号具体为hx711，所述应变片u11的型号具体为kfgs-5-120-d16-11 l1m2s或kfgs-5-120-c11-11l1m2r；
46.其中，所述应变片u11的1号引脚分别与所述半桥1/4桥切换s1的1号引脚和半桥1/4桥切换s3的1号引脚连接，所述半桥1/4桥切换s3的3号引脚与所述ad模块u12的1号引脚连接，所述应变片u11的2号引脚分别与所述电阻r1的一端和半桥1/4桥切换s1的3号引脚连接，所述应变片u11的3号引脚分别与所述半桥1/4桥切换s2的1号引脚和ad模块u12的3号引脚连接，所述半桥1/4桥切换s2的3号引脚与所述接地电阻r5连接，所述应变片u11的4号引脚分别与所述电阻r1的另一端、接地电阻r2和ad模块的2号引脚连接，所述ad模块的4号引脚与5v电源连接，所述ad模块的5号和6号引脚分别与所述单片机芯片u1的监测通道第一输入引脚和监测通道第二输入引脚一一对应连接。
47.在本实施例中，应变片贴在被测设备容器壳外壁上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，基于这一设置的应变状态监测通道可实现实时捕捉压力容器壳外壁环向和径向应变变化，以监测被测设备反应压力容器力学性能，评估材料的损伤程度，并通过监测获得的被测设备周期性工作中的载荷谱，进行疲劳损伤计算预测被测设备的疲劳寿命，进而提升压力容器的使用寿命。
48.如图6所示，所述数据传输模块设置有ttl转以太网转接芯片u13、电平转换器u14和电阻r14，所述电平转换器u14的型号具体为txs0104e，所述ttl转以太网转接芯片u13的型号具体为w7500p；
49.其中，所述ttl转以太网转接芯片u13的3号和9号引脚均接地，所述ttl转以太网转接芯片u13的4号和5号引脚分别与所述电平转换器u14的3号和2号引脚一一对应连接，所述ttl转以太网转接芯片u13的7号引脚接地，所述ttl转以太网转接芯片u13的1号引脚通过电阻r14与所述ttl转以太网转接芯片u13的8号引脚连接，所述ttl转以太网转接芯片u13的12号和13号引脚分别与所述单片机芯片u1的1号和2号引脚一一对应连接。
50.所述电源模块包括5v电源子模块、电源负载开关d1、电源负载开关d2，所述电源负载开关d1和电源负载开关d2的型号均为fdc6330l，如图7所示；
51.其中，所述5v电源子模块的输入端与vcc电源连接，所述5v电源子模块的输出端与所述单片机芯片u1的14号引脚连接；
52.所述电源负载开关d1的4号引脚与所述vcc电源连接，所述电源负载开关d1的3号引脚与所述电源负载开关d2的2号引脚连接，所述电源负载开关d2的3号引脚与所述半桥1/4桥切换s3的2号引脚连接。
53.如图8所示，所述5v电源子模块包括电源稳压芯片u15、接地电阻r40、电阻器vr41、电感l、电容接地c40、电容接地c41、电容接地c42、电容接地c49二极管v40，所述电源稳压芯片u15的型号具体为lm2596s；
54.其中，所述电源稳压芯片u15的1号引脚分别与所述接地电容c40和接地电容c49连接，并作为5v电源子模块的输入端，所述电源稳压芯片u15的2号和3号引脚均接地，所述电源稳压芯片u15的2号引脚分别与所述接地电容c41、二极管v40的负极和电感l的一端连接，所述二极管v40的正极接地，所述电感l的另一端分别与所述接地电容c42、电阻器vr41的2号和3号引脚连接，并作为5v电源子模块的输出端，所述电源稳压芯片u15的4号引脚分别与所述接地电阻r40和电阻器vr41的1号引脚连接。
55.在本实施例中，电源模块中设置的电源负载开关可以实现对各个模块输入电源控制，简化各个模块的电源管理。
56.如图9～图10所示，本实用新型的系统设置于防爆箱中，防爆箱内部的采用环氧板，其具备粘附力强和收缩性强的特性。
57.防爆箱内部设计及结构合理，防爆机构的结构设计及安装配置合理，综合考虑使用者操作的便捷性及安全性，原件安装到内部稳固，每个电器的安装间距均经过合理测算，保证安全性能和安全温度，遇到发热量大的电气设定导流槽，让温度快速流通散去。外部每个按键都是可以释放静电，保证环境安全。隔爆型电器的每个隔爆面都会有效平稳的释放爆炸压力，使外界危险环境不受内部电气影响。
58.本实用新型系统的工作过程为：数据采集模块中的应变片贴在被测设备压力容器外壳表面，使其随着被测设备压力容器的不同服役工况而产生伸缩，进而将应变片的伸缩产生的电阻变化量通过应变状态监测通道放大，得到压力数据，并将其输出至单片机芯片，热电偶温度测量电路采集被测设备压力容器的温度数据，并将其输出轴单片机芯片，单片机芯片将压力数据和温度数据通过数据传输模块发送至终端，随着终端数据的积累，系统持续监测后将获得被测设备压力容器服役期间周期性工作中的载荷谱情况，通过实际的载荷谱，分析得到工作后产生的积累损伤，进而预测被测设备压力容器的剩余疲劳寿命，完成航天发射场地面设备在线应变监测。
59.本实用新型的有益效果为：本实用新型提供的一种航天发射场地面设备在线应变监测系统，可在被测设备的地面压力容器上实现关键部位的应变实时监测、无线数据传输到后台、实时监测设备健康状态，实现航天地面压力容器安全状况监测的便捷性、实时性、有效性的多个目标。
60.本实用新型通过设置应变状态监测通道和热电偶温度测量电路，通过实际的载荷谱预测压力容器的剩余疲劳寿命，对于避免压力容器突然失效发生后产生的极端火灾或爆炸后果有重要意义。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
技术特征：
1.一种航天发射场地面设备在线应变监测系统，其特征在于，包括数据采集模块、中央处理器模块、电源模块和数据传输模块，所述中央处理器模块分别与所述数据采集模块、电源模块和数据传输模块连接，所述电源模块还分别与所述数据采集模块和数据传输模块连接；其中，所述数据采集模块设置有若干应变状态监测通道，每个所述应变状态监测通道均与所述中央处理器模块连接。2.根据权利要求1所述的航天发射场地面设备在线应变监测系统，其特征在于，所述中央处理器模块设置有单片机芯片u1，所述单片机芯片u1的型号具体为stc8a8k64s4a12；其中，所述单片机芯片u1的24号引脚作为监测通道第一输入引脚，所述单片机芯片u1的23号引脚作为监测通道第一输入引脚。3.根据权利要求2所述的航天发射场地面设备在线应变监测系统，其特征在于，所述数据采集模块还设置有热电偶温度测量电路，其包括热电偶数字转换器u3和接地电容c8，所述热电偶数字转换器u3的型号具体为max6675；其中，所述热电偶数字转换器u3的1号引脚接地，所述热电偶数字转换器u3的4号引脚与接地电容c8连接，所述热电偶数字转换器u3的7号和6号引脚分别与所述单片机芯片u1的20号和15号引脚一一对应连接。4.根据权利要求2所述的航天发射场地面设备在线应变监测系统，其特征在于，每个所述应变状态监测通道均包括应变片u11、ad模块u12、半桥1/4桥切换s1、半桥1/4桥切换s2、半桥1/4桥切换s3、电阻r1、接地电阻r2和接地电阻r5，所述ad模块u12的型号具体为hx711，所述应变片u11的型号具体为kfgs-5-120-d16-11l1m2s或kfgs-5-120-c11-11 l1m2r；其中，所述应变片u11的1号引脚分别与所述半桥1/4桥切换s1的1号引脚和半桥1/4桥切换s3的1号引脚连接，所述半桥1/4桥切换s3的3号引脚与所述ad模块u12的1号引脚连接，所述应变片u11的2号引脚分别与所述电阻r1的一端和半桥1/4桥切换s1的3号引脚连接，所述应变片u11的3号引脚分别与所述半桥1/4桥切换s2的1号引脚和ad模块u12的3号引脚连接，所述半桥1/4桥切换s2的3号引脚与所述接地电阻r5连接，所述应变片u11的4号引脚分别与所述电阻r1的另一端、接地电阻r2和ad模块的2号引脚连接，所述ad模块的4号引脚与5v电源连接，所述ad模块的5号和6号引脚分别与所述单片机芯片u1的监测通道第一输入引脚和监测通道第二输入引脚一一对应连接。5.根据权利要求4所述的航天发射场地面设备在线应变监测系统，其特征在于，所述数据传输模块设置有ttl转以太网转接芯片u13、电平转换器u14和电阻r14，所述电平转换器u14的型号具体为txs0104e，所述ttl转以太网转接芯片u13的型号具体为w7500p；其中，所述ttl转以太网转接芯片u13的3号和9号引脚均接地，所述ttl转以太网转接芯片u13的4号和5号引脚分别与所述电平转换器u14的3号和2号引脚一一对应连接，所述ttl转以太网转接芯片u13的7号引脚接地，所述ttl转以太网转接芯片u13的1号引脚通过电阻r14与所述ttl转以太网转接芯片u13的8号引脚连接，所述ttl转以太网转接芯片u13的12号和13号引脚分别与所述单片机芯片u1的1号和2号引脚一一对应连接。6.根据权利要求5所述的航天发射场地面设备在线应变监测系统，其特征在于，所述电源模块包括5v电源子模块、电源负载开关d1、电源负载开关d2，所述电源负载开关d1和电源负载开关d2的型号均为fdc6330l；
其中，所述5v电源子模块的输入端与vcc电源连接，所述5v电源子模块的输出端与所述单片机芯片u1的14号引脚连接；所述电源负载开关d1的4号引脚与所述vcc电源连接，所述电源负载开关d1的3号引脚与所述电源负载开关d2的2号引脚连接，所述电源负载开关d2的3号引脚与所述半桥1/4桥切换s3的2号引脚连接。7.根据权利要求5所述的航天发射场地面设备在线应变监测系统，其特征在于，所述5v电源子模块包括电源稳压芯片u15、接地电阻r40、电阻器vr41、电感l、接地电容c40、接地电容c41、接地电容c42、接地电容c49和二极管v40，所述电源稳压芯片u15的型号具体为lm2596s；其中，所述电源稳压芯片u15的1号引脚分别与所述接地电容c40和接地电容c49连接，并作为5v电源子模块的输入端，所述电源稳压芯片u15的2号和3号引脚均接地，所述电源稳压芯片u15的2号引脚分别与所述接地电容c41、二极管v40的负极和电感l的一端连接，所述二极管v40的正极接地，所述电感l的另一端分别与所述接地电容c42、电阻器vr41的2号和3号引脚连接，并作为5v电源子模块的输出端，所述电源稳压芯片u15的4号引脚分别与所述接地电阻r40和电阻器vr41的1号引脚连接。
技术总结
本实用新型公开了一种航天发射场地面设备在线应变监测系统包括数据采集模块、中央处理器模块、电源模块和数据传输模块，所述中央处理器模块分别与所述数据采集模块、电源模块和数据传输模块连接，所述电源模块还分别与所述数据采集模块和数据传输模块连接；其中，所述数据采集模块设置有若干应变状态监测通道，每个所述应变状态监测通道均与所述中央处理器模块连接。本实用新型提供的一种航天发射场地面设备在线应变监测系统，可在被测设备的地面压力容器上实现关键部位的应变实时监测、无线数据传输到后台、实时监测设备健康状态，实现航天地面压力容器安全状况监测的便捷性、实时性、有效性的多个目标。有效性的多个目标。有效性的多个目标。
技术研发人员：
廖乐平 李斌 薛甫成 徐薇 董富治 王利 韩庆华 方世源 石刚 高子珏 刘轶 谷文华 张晖
受保护的技术使用者：
中国人民解放军63729部队
技术研发日：
2022.11.14
技术公布日：
2023/3/28
