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我公司与大连理工合作开发的“浪高-压力同步采集系统”

2021-05-27 16:06:06

摘要:我公司与大连理工合作开发的“浪高-压力同步采集系统”入围 第六届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛决赛阶段。


作品简介

 

 

 

参赛作品:浪高-压力同步采集系统
参赛单位:大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

一、浪高-压力同步采集系统的作用和特点
本自研制采集系统能够解决在现有的水利类实验和实际工程中,异质、异种传感器之间的采样时间不能精确同步,数据采集存在时差的问题,同时解决接入不同传感器的仪器分别工作时功能单一、集成度不高、耗费人力的问题。本系统则可直接接入多种异质、异种传感器实现同步采集、同步传输、操作简单快捷。本设备较大地提高了同步采集的精度和效率,降低了人工成本,具有非常广泛的应用前景。
本系统的研发直击多年来水利、港海领域采集浪高、压力两类最基本实验数据的痛点,利用现代新兴技术手段解决许久以来的遗留问题,体现出传统工程实验和信息技术领域的交叉创新,将工程问题和实验教学进行有机融合,实现了自研设备的科技成果转化和落地应用。
本自研制采集系统积极利用校企联合研发模式,一线教师与生产企业形成优势互补,确保在双方知识产权归属和权益分配无争议的前提下,真正使设备满足实验需求,并适用于多个行业的相关标准,达到精度高,易维护,稳定性强,通用性好,适用范围广的高性能要求。同时,在环保方面也做到了低损耗性,绝大多数部件可以循环使用,无污染,能耗低。

二、浪高-压力同步采集系统技术参数:

设备名称 浪高-压力同步采集系统
描述 实现两种类型传感器混合接入
最高采样率 500Hz
A/D 24bit
综合精度 0.1%FS
通道数 30通道数字(压力)+30通道模拟浪高
数字通道 压力传感器
模拟通道 模拟浪高仪
输入量程 0-10V(或0-15V)
激励输出 12V(或15V)


三、研发成果获得专利授权
本系统的研发成果——时间同步的混合模拟、数字传感器数据采集系统,申报了实用新型专利,并于2020年10月已经获得授权(专利号:ZL 2019 2 2170179.6),同时,国内发明专利和国际发明专利也正在积极申报中。已授权的实用新型专利第一发明人,也是本次大赛的第一申报人,成都科大胜英科技有限公司为第二申报人。


五、浪高-压力同步采集系统原理介绍
浪高-压力同步采集系统不仅可以连接数字信号传感器,还可以连接模拟信号传感器,实现两种类型传感器混合接入。本系统硬件部分包括模拟传感器、数字化模块、数字化传感器、集线器、局域网设备、数据处理终端;集线器通过局域网设备与数据处理终端进行数据连接;模拟传感器与数字化模块连接。

作品功能和特色描述

 

 

 

教学性:

针对水利工程类教学实验的普遍情况,本系统的研发立足于最普遍的两类实验数据同步采集(浪高、压力)目标,彻底转变以前的采集方式:两种异质传感器由两人分别采集,导致两种数据在同一时刻的数值比对可靠度不高的问题,通过革新硬件和软件,研制出一套时间同步的混合模拟、数字传感器数据采集系统,包括模拟传感器、数字化模块、数字化传感器、集线器、局域网设备、数据处理终端。
本系统在实验课程的应用主要研究畸形波(极端波浪)的波面形态与其内部结构的外在表现。内部结构(代表性参数如水质点速度、加速度、 传播速度、能量集中度)参量对畸形波作用下的结构响应对应关系、规律性的联系(畸形波作用机理)等研究一直也在不断深入。近年来,学者们开始了散点式的畸形波对不同形式海上构筑物作用的研究,逐步清晰地认识到畸形波对海洋工程带来的潜在危害,这些相关内容也在不断引入到实验教学中来。
以往,在考察畸形波(极端波浪)作用时外部动力与结构内部响应对应关系时,采用以往的波浪与荷载独立采集的方式往往在时间同步方面存在误差,人工同步数据采集无法避免采集时差问题,对于常规波浪而言,毫秒级的误差对于满足研究需求已经差强人意,但对于极端波浪这种能量突然集中又迅速消失且目前作用机理尚不十分明确的特殊波浪而言更远远不够了。此外,异质、异种传感器采集出来的数据格式各异,为后期的数据处理和分析增加了不必要的工作量。
现在,通过启用自制波浪-压力同步采集系统,在实验教学、演示方面得到了良好应用,对诸如极端波浪此类关于单个波浪作用时外部动力和结构内部响应问题的实验方法进行了有效探索和实践。实验结果获得了老师和学生们的良好反馈,同时,学生通过对该同步采集系统的动手操作和数据分析,在数据测量精度上得到质的提高,得到更加可靠的试验数据,对科研及实验教学方法的改进起到了很好的促进作用。

创新性:

本系统目前已经获得专利授权,专利号:ZL 2019 2 2170179.6,同时,国内发明专利和国际发明专利也正在积极申报中。已授权的实用新型专利第一发明人,也是本次大赛的第一申报人。
该项目研发直击多年来水利、港海领域,在教学、科研实验过程中采集浪高、压力两类最基本数据的痛点,利用现代新兴技术手段解决许久以来的遗留问题,体现出传统工程实验和信息技术领域的交叉创新,将工程问题和实验教学进行有机融合,采用校企联合研发模式,整合实验系统,打通研制盲点,创建合作共赢,最终实现了自研设备的科技成果转化和落地应用,同时保证了工业化标准的安全与环保要求。
本自研制系统投入在教学实验上的创新优势体现为可在多路传感器并联测试中统一多路信号对比的时间维度,使采集数据在时间维度有统一参考点,增强可比性及科学性,使采集存储的信号具有时间维度,利于向学生展示信号的分析、处理和应用,通过两种混合信号接入方式的组合,可以完成不同实验内容和不同要求的实验,提高了采集系统的通用性和灵活性,从而开启了新的实验方案、方法和内容在教学中的应用。此外,系统直接接入多种异质、异种传感器实现同步采集、同步传输、操作简单快捷,因而数据格式统一,分析高效直观,解决了连接不同传感器的仪器分别工作时功能单一、集成度不高、耗费人力的问题。
本自研制教学系统所应用的实验内容符合科学原理,能够体现科学知识和科学方法相统一的原则,有利于学生学习专业知识,树立科学意识,提高实验操作技能。有利于培养学生创新、实践能力,引导学生在采集数据时,实现对同步精度的极致追求,培养一丝不苟的科学精神,提升学生在实验研究中严谨的创新科学态度。

实用性:

本系统安全可靠、性能稳定、防潮防火,硬件设备绝缘等级高,阻燃性能好,设置接地装置和信号提示灯,外观设计符合人机工程学,材质宜人易清洁,采用钝角、倒角设计处理整机边缘,机身无锐角无尖刺不会导致人员伤害,60个接入通道自带可脱戴软质橡胶皮帽。软件开发人性化、智能化,数据分析模块高度契合水利、港海等实验需求。软硬件研发始终将国家强制标准《教学仪器设备安全要求 总则(GB 21746-2008)》做为首要准则,从测试到使用,开发研制的全过程都是将安全要求排在第一位,满足安全性论证要求。
硬件通用性好,软件界面友好,系统易于操作,除了能够同时集成数字信号传感器和模拟信号传感器,可直接接入多种异质、异种传感器实现同步采集、同步传输、操作简单快捷。设备较大地提高了同步采集的精度和效率,降低了人工成本,具有非常广泛的应用前景。目前技术已经较为成熟,具备成果转化和进入市场的可行性。
特别是面向国内与我校有相同或者相近专业的以下高校:清华大学、上海交通大学、同济大学、天津大学、河海大学、哈尔滨工程大学、长沙理工大学、青岛理工大学、中山大学(珠海)、大连海洋大学等,以及涉及到水利工程、港口航道、海洋工程的科研院所,均有推广应用价值。

先进性:

随着数字化技术的发展应用,原有的通过模拟信号感测数据的传统传感器正逐渐被传输距离远、便于计算机处理的数字化传感器所替代。虽然数字化传感器有明显的应用优势,但在对一些大型项目、特别是大量传感器共同监测的项目中,组网对数据带宽、网络稳定等方面,都提出了很高的要求。从现有技术来看,多路传感器信号传输组网及其信号处理方法还不够成熟。
因此,本系统要解决的技术问题在于提供一种可远程对多路大量传感器进行智能化监控的时钟同步数字化传感系统,本设备的技术方案的先进性体现在集线器中增加了信号调理模块和模数转换模块,集线器既可以接收数字输出传感器也可以处理模拟信号输出的传感器。并且对设备连接的数字传感器和模拟传感器进行采集时间同步,实现了两种不同信号的同时处理,增加了使用范围。
积极利用校企联合研发模式,形成优势互补,合作的业内领先生产企业通过严格认可审验取得了相关行业的生产资质,特别是要求具备绝缘、阻燃、防爆、防潮等特性的高安全性设备的生产条件成熟。本系统达到精度高,易维护,稳定性强,通用性好,适用范围广的先进性要求。
综上所述,本系统技术方案与之前其他采集设备相比,可以更加直观的展示实验现象,直接比对出实时实验数据的相关性,具有实质性特点和进步。

设备照片