一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法与流程

本发明涉及混凝土结构监测领域，尤其是一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法。

背景技术：

随着我国社会经济的不断发展，各种大型复杂工程结构不断涌现，土木工程结构健康监测技术逐渐成为学术界的研究热点。传统的土木工程结构无损健康监测方法有声发射法与超声波法。声发射也称为应力波发射，结构在受力过程中会释放出能量，一些结构破坏过程都伴随着声能的释放，换能器可将接收到的声信号转换成电信号进行分析，通过监测和记录这种声波便可得到结构中缺陷和损伤的发生及发展状况，并确定他们所在位置。声发射法需要进行连续监测，易受环境噪音干扰。超声波方法是一种主动监测方法，利用超声波探头发射与接收超声波，对进行监测的位置进行扫描，检测虽然简单方便，但是精确度不高，尤其对于结构复杂或体积较大的混凝土结构的检测结果不够精准。

近十几年来，智能材料结构在工程领域中的成功应用，为实现真正意义上的结构健康监测提供了有效的途径。伴随着基于智能结构的思想发展起来的现场实时在线健康监测技术成果日益突出，使得基于压电智能材料对大体积或管状混凝土结构的健康监测成为可能。为此，研发一种高效、便捷的针对大体积或管状混凝土结构健康监测的新方法是十分必要的。

由于混凝土结构中，应力波传播较为复杂，给接收端的分析带来困难，虽可用计算中心来进行复杂计算，但这给监测工作带来很大不便，不利于快速监测，如果能对特定的常用结构来设计发射端和接收端，将能大大提升利用压电陶瓷监测混凝土结构的工作效率。

公开号CN102937646的专利中提出一种用于混凝土结构的健康监测系统，采用了压电陶瓷技术，但该方案中，接收端、发射端的结构缺乏优化，实际应用中很容易使得应力波路径、分析和收发作业复杂化，使得该方案中应力波分析需采用远端数据中心来进行，降低了工作效率，而且大大提升了监测成本。

技术实现要素：

本发明提出一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，针对大体积或管状混凝土结构设计，能以较低的成本、较高的监测效率实现基于压电智能骨料技术的混凝土结构监测。

本发明采用以下技术方案。

一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，用于大体积或管状混凝土结构健康监测，所述传感器阵列包括信号发射面、信号发射阵列、信号接收面和信号接收阵列。

所述信号发射阵列包括信号发生器和压电信号发射阵列，所述压电信号发射阵列包括在信号发射面上按发射阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接。

所述信号接收阵列包括波形分析器和压电信号接收阵列，所述压电信号接收阵列包括在信号发射面上按接收阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接。

所述信号发射面与所述信号接收面平行；所述发射阵形与接收阵形的形状相同且大小相同。

所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射应力波。

所述压电信号发射阵列的信号发射端由埋有压电陶瓷片的压电智能骨料单元并联形成，所述压电信号接收阵列的信号接收端由埋有压电陶瓷片的压电智能骨料单元并联形成。

所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的轴向方向一致。

所述压电信号发射阵列中的信号发射端的压电陶瓷片以PZT-4成型，所述压电信号接收阵列中的信号接收端的压电陶瓷片以PZT-4成型。

所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射高频应力波。

所述信号发生器包括可发射波形信号的函数发生器和用于放大信号的压电陶瓷驱动电源。

所述信号发生器与压电信号发射阵列以总支屏蔽导线电性连接，所述波形分析器与压电信号接收阵列以总支屏蔽导线电性连接。

所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号发射阵列，压电信号发射阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与信号发生器相连。

所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号接收阵列，压电信号接收阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与波形分析器相连。

所述压电智能骨料单元均包括钢模和设于钢模内的饼状压电陶瓷片，钢模设有导线孔，屏蔽导线通过钢模导线孔与饼状压电陶瓷片相连固定，进而将压电智能骨料单元并联，作为压电信号发射阵列的信号发射端或压电信号接收阵列的信号接收端，钢模内设有环氧树脂层用于保护内部压电陶瓷片。

本发明中，所述传感器阵列包括信号发射面、信号发射阵列、信号接收面和信号接收阵列；所述信号发射阵列包括信号发生器和压电信号发射阵列，所述压电信号发射阵列包括在信号发射面上按发射阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接；所述信号接收阵列包括波形分析器和压电信号接收阵列，所述压电信号接收阵列包括在信号发射面上按接收阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接；所述信号发射面与所述信号接收面平行；所述发射阵形与接收阵形的形状相同且大小相同；所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射高频应力波；该设计针对大体积或管状混凝土结构健康监测进行优化，由于大体积或管状混凝土结构中，高频波的传播指向性很强，因此本发明采用相互对应的压电信号发射阵列和压电信号接收阵列，使得阵列内的发射端和接收端易于对应，大大简化了应力波信号的分析工作，在本案中，仅用简易的波形分析器即可完成应力波信号的分析，大大降低了监测成本，也提升了监测效率。

本发明中，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接；所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接；该设计可以保证在个别支路发生损伤时，整体监测不受影响，大幅度改善了传统连续一体式压电陶瓷易发生局部脆性破坏，而导致传感器整体失效的弊端。同时，阵列内的压电智能骨料单元通过并联可实现在总支路的单个接电点同时驱动各支路单元，对原混凝土结构的干扰小，布置方式灵活，监测范围大，可随不同使用工况自由布局，节约设备成本。

本发明中，所述压电信号发射阵列中的信号发射端的压电陶瓷片以PZT-4成型，所述压电信号接收阵列中的信号接收端的压电陶瓷片以PZT-4成型；该设计中，PZT-4是中功率发射、接收两用型压电陶瓷，能使得本发明的所有压电智能骨料单元均能采用同样结构设计，便于批量生产，而且发射端和接收端易于匹配。

本发明中，所述压电智能骨料单元均包括钢模和设于钢模内的饼状压电陶瓷片，钢模设有导线孔，屏蔽导线通过钢模导线孔与饼状压电陶瓷片相连固定，进而将压电智能骨料单元并联，作为压电信号发射阵列的信号发射端或压电信号接收阵列的信号接收端，钢模内设有环氧树脂层用于保护内部压电陶瓷片；所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号发射阵列，压电信号发射阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与信号发生器相连；所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号接收阵列，压电信号接收阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与波形分析器相连；该设计在提高传感器整体强度的同时，能保证在个别支路发生损伤时，整体监测不受影响，大幅度改善了传统连续一体式压电陶瓷易发生局部脆性破坏，而导致传感器整体失效的弊端；同时，各压电智能骨料单元通过并联可实现总支路单点驱动，对原结构干扰小，布置方式灵活，监测范围大，可随不同使用工况自由布局，节约设备成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明应用于管状混凝土结构时的示意图；

附图2是本发明的压电智能骨料单元的示意图；

附图3是本发明的并联点处的压电智能骨料单元的示意图；

图中：1-管状混凝土；2-信号发射面；3-信号接收面；4-压电信号发射阵列；5-压电信号接收阵列；6-信号发生器；7-波形分析器；8-屏蔽导线；9-总支屏蔽导线；10-压电陶瓷片；11-钢模；12-环氧树脂层；13-压电智能骨料单元。

具体实施方式

如图1-3所示，一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，用于大体积或管状混凝土结构健康监测，所述传感器阵列包括信号发射面2、信号发射阵列、信号接收面3和信号接收阵列。

所述信号发射阵列包括信号发生器6和压电信号发射阵列4，所述压电信号发射阵列4包括在信号发射面2上按发射阵形并联排列的压电智能骨料单元13，所述信号发生器6与压电信号发射阵列4间以并联方式电性连接。

所述信号接收阵列包括波形分析器7和压电信号接收阵列5，所述压电信号接收阵列5包括在信号发射面3上按接收阵形并联排列的压电智能骨料单元13，所述波形分析器7与压电信号接收阵列5间以并联方式电性连接。

所述信号发射面2与所述信号接收面3平行；所述发射阵形与接收阵形的形状相同且大小相同。

所述压电信号发射阵列4经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列5发射应力波。

所述压电信号发射阵列4的信号发射端由埋有压电陶瓷片10的压电智能骨料单元13并联形成，所述压电信号接收阵列5的信号接收端由埋有压电陶瓷片10的压电智能骨料单元13并联形成。

所述压电陶瓷片10的极化方向与压电陶瓷片10的轴向方向一致。

所述压电信号发射阵列4中的信号发射端的压电陶瓷片10以PZT-4成型，所述压电信号接收阵列5中的信号接收端的压电陶瓷片10以PZT-4成型。

所述压电信号发射阵列4经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列5发射高频应力波。

所述信号发生器6包括可发射波形信号的函数发生器和用于放大信号的压电陶瓷驱动电源。

所述信号发生器6与压电信号发射阵列4以总支屏蔽导线9电性连接，所述波形分析器7与压电信号接收阵列5以总支屏蔽导线9电性连接。

所述压电智能骨料单元均包括钢模11和设于钢模内的饼状压电陶瓷片10，钢模11设有导线孔，屏蔽导线8通过钢模导线孔与饼状压电陶瓷片10相连固定，进而将压电智能骨料单元13并联，作为压电信号发射阵列4的信号发射端或压电信号接收阵列5的信号接收端，钢模11内设有环氧树脂层12用于保护内部压电陶瓷片10。

所述信号发生器6与压电信号发射阵列4间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元13先以屏蔽导线8并联为压电信号发射阵列4，压电信号发射阵列4内的一个压电智能骨料单元13再通过总支屏蔽导线9与信号发生器6相连。

所述波形分析器7与压电信号接收阵列5间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单13元先以屏蔽导线8并联为压电信号接收阵列5，压电信号接收阵列5内的一个压电智能骨料单元13再通过总支屏蔽导线9与波形分析器7相连。

实施例：

先将四个压电智能骨料单元通过屏蔽导线并联为压电信号发射阵列，然后将压电信号发射阵列埋入管状混凝土结构同一截面内，最后通过一条总支屏蔽导线连接混凝土构件外部信号发生器。

管状混凝土结构另一截面内设有由四个压电智能骨料单元通过屏蔽导线并联成的压电信号接收阵列，压电信号接收阵列内压电智能骨料单元排列阵形与压电信号发射阵列相同，也就是压电信号发射阵列的各发射端与压电信号接收阵列的各接收端一一对应。

监测时, 信号发生器中的函数发生器发射波形，通过压电陶瓷驱动电源放大后，经外接总支屏蔽导线传入布置于混凝土内部的压电信号发射阵列，激励压电信号发射阵列各压电智能骨料单元同时产生应力波，作为发射信号；压电信号接收阵列各压电智能骨料单元以相同方式并联作为信号接收器，外接波形分析器（数字示波器）接收信号，使用者将示波器所显示的接收信号进行采集分析，计算出发射波与接收波之间的能量变化，可以实现对大体积或管状混凝土结构内部损伤的监测，进而判断结构的使用性能。