一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法與流程

本發(fā)明涉及混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法。

背景技術(shù)：

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點。傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)無損健康監(jiān)測方法有聲發(fā)射法與超聲波法。聲發(fā)射也稱為應(yīng)力波發(fā)射，結(jié)構(gòu)在受力過程中會釋放出能量，一些結(jié)構(gòu)破壞過程都伴隨著聲能的釋放，換能器可將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行分析，通過監(jiān)測和記錄這種聲波便可得到結(jié)構(gòu)中缺陷和損傷的發(fā)生及發(fā)展?fàn)顩r，并確定他們所在位置。聲發(fā)射法需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，易受環(huán)境噪音干擾。超聲波方法是一種主動監(jiān)測方法，利用超聲波探頭發(fā)射與接收超聲波，對進(jìn)行監(jiān)測的位置進(jìn)行掃描，檢測雖然簡單方便，但是精確度不高，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或體積較大的混凝土結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果不夠精準(zhǔn)。

近十幾年來，智能材料結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，為實現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了有效的途徑。伴隨著基于智能結(jié)構(gòu)的思想發(fā)展起來的現(xiàn)場實時在線健康監(jiān)測技術(shù)成果日益突出，使得基于壓電智能材料對大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測成為可能。為此，研發(fā)一種高效、便捷的針對大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新方法是十分必要的。

由于混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力波傳播較為復(fù)雜，給接收端的分析帶來困難，雖可用計算中心來進(jìn)行復(fù)雜計算，但這給監(jiān)測工作帶來很大不便，不利于快速監(jiān)測，如果能對特定的常用結(jié)構(gòu)來設(shè)計發(fā)射端和接收端，將能大大提升利用壓電陶瓷監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的工作效率。

公開號CN102937646的專利中提出一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，采用了壓電陶瓷技術(shù)，但該方案中，接收端、發(fā)射端的結(jié)構(gòu)缺乏優(yōu)化，實際應(yīng)用中很容易使得應(yīng)力波路徑、分析和收發(fā)作業(yè)復(fù)雜化，使得該方案中應(yīng)力波分析需采用遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心來進(jìn)行，降低了工作效率，而且大大提升了監(jiān)測成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法，針對大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，能以較低的成本、較高的監(jiān)測效率實現(xiàn)基于壓電智能骨料技術(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法，用于大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，所述傳感器陣列包括信號發(fā)射面、信號發(fā)射陣列、信號接收面和信號接收陣列。

所述信號發(fā)射陣列包括信號發(fā)生器和壓電信號發(fā)射陣列，所述壓電信號發(fā)射陣列包括在信號發(fā)射面上按發(fā)射陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述信號發(fā)生器與壓電信號發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號接收陣列包括波形分析器和壓電信號接收陣列，所述壓電信號接收陣列包括在信號發(fā)射面上按接收陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述波形分析器與壓電信號接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號發(fā)射面與所述信號接收面平行；所述發(fā)射陣形與接收陣形的形狀相同且大小相同。

所述壓電信號發(fā)射陣列經(jīng)被監(jiān)測的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號接收陣列發(fā)射應(yīng)力波。

所述壓電信號發(fā)射陣列的信號發(fā)射端由埋有壓電陶瓷片的壓電智能骨料單元并聯(lián)形成，所述壓電信號接收陣列的信號接收端由埋有壓電陶瓷片的壓電智能骨料單元并聯(lián)形成。

所述壓電陶瓷片的極化方向與壓電陶瓷片的軸向方向一致。

所述壓電信號發(fā)射陣列中的信號發(fā)射端的壓電陶瓷片以PZT-4成型，所述壓電信號接收陣列中的信號接收端的壓電陶瓷片以PZT-4成型。

所述壓電信號發(fā)射陣列經(jīng)被監(jiān)測的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號接收陣列發(fā)射高頻應(yīng)力波。

所述信號發(fā)生器包括可發(fā)射波形信號的函數(shù)發(fā)生器和用于放大信號的壓電陶瓷驅(qū)動電源。

所述信號發(fā)生器與壓電信號發(fā)射陣列以總支屏蔽導(dǎo)線電性連接，所述波形分析器與壓電信號接收陣列以總支屏蔽導(dǎo)線電性連接。

所述信號發(fā)生器與壓電信號發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接時，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號發(fā)射陣列，壓電信號發(fā)射陣列內(nèi)的一個壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與信號發(fā)生器相連。

所述波形分析器與壓電信號接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接時，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號接收陣列，壓電信號接收陣列內(nèi)的一個壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與波形分析器相連。

所述壓電智能骨料單元均包括鋼模和設(shè)于鋼模內(nèi)的餅狀壓電陶瓷片，鋼模設(shè)有導(dǎo)線孔，屏蔽導(dǎo)線通過鋼模導(dǎo)線孔與餅狀壓電陶瓷片相連固定，進(jìn)而將壓電智能骨料單元并聯(lián)，作為壓電信號發(fā)射陣列的信號發(fā)射端或壓電信號接收陣列的信號接收端，鋼模內(nèi)設(shè)有環(huán)氧樹脂層用于保護(hù)內(nèi)部壓電陶瓷片。

本發(fā)明中，所述傳感器陣列包括信號發(fā)射面、信號發(fā)射陣列、信號接收面和信號接收陣列；所述信號發(fā)射陣列包括信號發(fā)生器和壓電信號發(fā)射陣列，所述壓電信號發(fā)射陣列包括在信號發(fā)射面上按發(fā)射陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述信號發(fā)生器與壓電信號發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接；所述信號接收陣列包括波形分析器和壓電信號接收陣列，所述壓電信號接收陣列包括在信號發(fā)射面上按接收陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述波形分析器與壓電信號接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接；所述信號發(fā)射面與所述信號接收面平行；所述發(fā)射陣形與接收陣形的形狀相同且大小相同；所述壓電信號發(fā)射陣列經(jīng)被監(jiān)測的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號接收陣列發(fā)射高頻應(yīng)力波；該設(shè)計針對大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測進(jìn)行優(yōu)化，由于大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)中，高頻波的傳播指向性很強，因此本發(fā)明采用相互對應(yīng)的壓電信號發(fā)射陣列和壓電信號接收陣列，使得陣列內(nèi)的發(fā)射端和接收端易于對應(yīng)，大大簡化了應(yīng)力波信號的分析工作，在本案中，僅用簡易的波形分析器即可完成應(yīng)力波信號的分析，大大降低了監(jiān)測成本，也提升了監(jiān)測效率。

本發(fā)明中，所述信號發(fā)生器與壓電信號發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接；所述波形分析器與壓電信號接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接；該設(shè)計可以保證在個別支路發(fā)生損傷時，整體監(jiān)測不受影響，大幅度改善了傳統(tǒng)連續(xù)一體式壓電陶瓷易發(fā)生局部脆性破壞，而導(dǎo)致傳感器整體失效的弊端。同時，陣列內(nèi)的壓電智能骨料單元通過并聯(lián)可實現(xiàn)在總支路的單個接電點同時驅(qū)動各支路單元，對原混凝土結(jié)構(gòu)的干擾小，布置方式靈活，監(jiān)測范圍大，可隨不同使用工況自由布局，節(jié)約設(shè)備成本。

本發(fā)明中，所述壓電信號發(fā)射陣列中的信號發(fā)射端的壓電陶瓷片以PZT-4成型，所述壓電信號接收陣列中的信號接收端的壓電陶瓷片以PZT-4成型；該設(shè)計中，PZT-4是中功率發(fā)射、接收兩用型壓電陶瓷，能使得本發(fā)明的所有壓電智能骨料單元均能采用同樣結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于批量生產(chǎn)，而且發(fā)射端和接收端易于匹配。

本發(fā)明中，所述壓電智能骨料單元均包括鋼模和設(shè)于鋼模內(nèi)的餅狀壓電陶瓷片，鋼模設(shè)有導(dǎo)線孔，屏蔽導(dǎo)線通過鋼模導(dǎo)線孔與餅狀壓電陶瓷片相連固定，進(jìn)而將壓電智能骨料單元并聯(lián)，作為壓電信號發(fā)射陣列的信號發(fā)射端或壓電信號接收陣列的信號接收端，鋼模內(nèi)設(shè)有環(huán)氧樹脂層用于保護(hù)內(nèi)部壓電陶瓷片；所述信號發(fā)生器與壓電信號發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接時，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號發(fā)射陣列，壓電信號發(fā)射陣列內(nèi)的一個壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與信號發(fā)生器相連；所述波形分析器與壓電信號接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接時，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號接收陣列，壓電信號接收陣列內(nèi)的一個壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與波形分析器相連；該設(shè)計在提高傳感器整體強度的同時，能保證在個別支路發(fā)生損傷時，整體監(jiān)測不受影響，大幅度改善了傳統(tǒng)連續(xù)一體式壓電陶瓷易發(fā)生局部脆性破壞，而導(dǎo)致傳感器整體失效的弊端；同時，各壓電智能骨料單元通過并聯(lián)可實現(xiàn)總支路單點驅(qū)動，對原結(jié)構(gòu)干擾小，布置方式靈活，監(jiān)測范圍大，可隨不同使用工況自由布局，節(jié)約設(shè)備成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

附圖1是本發(fā)明應(yīng)用于管狀混凝土結(jié)構(gòu)時的示意圖；

附圖2是本發(fā)明的壓電智能骨料單元的示意圖；

附圖3是本發(fā)明的并聯(lián)點處的壓電智能骨料單元的示意圖；

圖中：1-管狀混凝土；2-信號發(fā)射面；3-信號接收面；4-壓電信號發(fā)射陣列；5-壓電信號接收陣列；6-信號發(fā)生器；7-波形分析器；8-屏蔽導(dǎo)線；9-總支屏蔽導(dǎo)線；10-壓電陶瓷片；11-鋼模；12-環(huán)氧樹脂層；13-壓電智能骨料單元。

具體實施方式

如圖1-3所示，一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法，用于大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，所述傳感器陣列包括信號發(fā)射面2、信號發(fā)射陣列、信號接收面3和信號接收陣列。

所述信號發(fā)射陣列包括信號發(fā)生器6和壓電信號發(fā)射陣列4，所述壓電信號發(fā)射陣列4包括在信號發(fā)射面2上按發(fā)射陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元13，所述信號發(fā)生器6與壓電信號發(fā)射陣列4間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號接收陣列包括波形分析器7和壓電信號接收陣列5，所述壓電信號接收陣列5包括在信號發(fā)射面3上按接收陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元13，所述波形分析器7與壓電信號接收陣列5間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號發(fā)射面2與所述信號接收面3平行；所述發(fā)射陣形與接收陣形的形狀相同且大小相同。

所述壓電信號發(fā)射陣列4經(jīng)被監(jiān)測的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號接收陣列5發(fā)射應(yīng)力波。

所述壓電信號發(fā)射陣列4的信號發(fā)射端由埋有壓電陶瓷片10的壓電智能骨料單元13并聯(lián)形成，所述壓電信號接收陣列5的信號接收端由埋有壓電陶瓷片10的壓電智能骨料單元13并聯(lián)形成。

所述壓電陶瓷片10的極化方向與壓電陶瓷片10的軸向方向一致。

所述壓電信號發(fā)射陣列4中的信號發(fā)射端的壓電陶瓷片10以PZT-4成型，所述壓電信號接收陣列5中的信號接收端的壓電陶瓷片10以PZT-4成型。

所述壓電信號發(fā)射陣列4經(jīng)被監(jiān)測的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號接收陣列5發(fā)射高頻應(yīng)力波。

所述信號發(fā)生器6包括可發(fā)射波形信號的函數(shù)發(fā)生器和用于放大信號的壓電陶瓷驅(qū)動電源。

所述信號發(fā)生器6與壓電信號發(fā)射陣列4以總支屏蔽導(dǎo)線9電性連接，所述波形分析器7與壓電信號接收陣列5以總支屏蔽導(dǎo)線9電性連接。

所述壓電智能骨料單元均包括鋼模11和設(shè)于鋼模內(nèi)的餅狀壓電陶瓷片10，鋼模11設(shè)有導(dǎo)線孔，屏蔽導(dǎo)線8通過鋼模導(dǎo)線孔與餅狀壓電陶瓷片10相連固定，進(jìn)而將壓電智能骨料單元13并聯(lián)，作為壓電信號發(fā)射陣列4的信號發(fā)射端或壓電信號接收陣列5的信號接收端，鋼模11內(nèi)設(shè)有環(huán)氧樹脂層12用于保護(hù)內(nèi)部壓電陶瓷片10。

所述信號發(fā)生器6與壓電信號發(fā)射陣列4間以并聯(lián)方式電性連接時，所述壓電智能骨料單元13先以屏蔽導(dǎo)線8并聯(lián)為壓電信號發(fā)射陣列4，壓電信號發(fā)射陣列4內(nèi)的一個壓電智能骨料單元13再通過總支屏蔽導(dǎo)線9與信號發(fā)生器6相連。

所述波形分析器7與壓電信號接收陣列5間以并聯(lián)方式電性連接時，所述壓電智能骨料單13元先以屏蔽導(dǎo)線8并聯(lián)為壓電信號接收陣列5，壓電信號接收陣列5內(nèi)的一個壓電智能骨料單元13再通過總支屏蔽導(dǎo)線9與波形分析器7相連。

實施例：

先將四個壓電智能骨料單元通過屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號發(fā)射陣列，然后將壓電信號發(fā)射陣列埋入管狀混凝土結(jié)構(gòu)同一截面內(nèi)，最后通過一條總支屏蔽導(dǎo)線連接混凝土構(gòu)件外部信號發(fā)生器。

管狀混凝土結(jié)構(gòu)另一截面內(nèi)設(shè)有由四個壓電智能骨料單元通過屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)成的壓電信號接收陣列，壓電信號接收陣列內(nèi)壓電智能骨料單元排列陣形與壓電信號發(fā)射陣列相同，也就是壓電信號發(fā)射陣列的各發(fā)射端與壓電信號接收陣列的各接收端一一對應(yīng)。

監(jiān)測時, 信號發(fā)生器中的函數(shù)發(fā)生器發(fā)射波形，通過壓電陶瓷驅(qū)動電源放大后，經(jīng)外接總支屏蔽導(dǎo)線傳入布置于混凝土內(nèi)部的壓電信號發(fā)射陣列，激勵壓電信號發(fā)射陣列各壓電智能骨料單元同時產(chǎn)生應(yīng)力波，作為發(fā)射信號；壓電信號接收陣列各壓電智能骨料單元以相同方式并聯(lián)作為信號接收器，外接波形分析器（數(shù)字示波器）接收信號，使用者將示波器所顯示的接收信號進(jìn)行采集分析，計算出發(fā)射波與接收波之間的能量變化，可以實現(xiàn)對大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的監(jiān)測，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的使用性能。