基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法
【专利摘要】本发明公开了基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法，采用的装置包括圆管形压电智能骨料、信号发生器、信号放大器和信号采集器；圆管形压电智能骨料采用超高性能混凝土进行浇注并事先预埋于待检测混凝土结构内部，检测时，信号发生器产生的高频脉冲电压信号先经由信号放大器进行放大，再传输给圆管形压电智能骨料，使该圆管形压电智能骨料沿径向振动，在待检测混凝土整个平面内产生纵波，该脉冲信号传输到缺陷处时会产生反射脉冲信号；圆管形压电智能骨料接收由待检测混凝土内部缺陷处反射的脉冲信号进行缺陷的定位。本发明在整个检测平面内360度方向发射等幅值超声脉冲信号，并利用混凝土内部缺陷反射的脉冲信号进行缺陷的定位。
【专利说明】
基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及土木工程结构安全监测领域，具体是基于圆管形压电智能骨料的混凝 土结构缺陷在线定位方法。
【背景技术】
[0002] 目前，常用的混凝土结构无损检测方法包括超声波法、地质雷达法、X射线法、红外 成像法、声发射法等，这些方法虽然可以快速检测和定位混凝土结构的内部缺陷，但是这些 方法往往是一种事后检测方法，不能实现混凝土内部缺陷的在线定位检测。
[0003] 近年来，基于压电陶瓷的智能骨料技术虽然可以实现混凝土结构长期在线健康监 测，但是由于这些智能骨料多采用长方形或方形压电陶瓷作为信号的激发元件，其产生的 应力波具有极强的方向性，往往只能沿直线传播，导致该方法难以全面掌握整个监测区域 的缺陷情况，且这种监测技术往往只能判断结构是否存在缺陷，不能确定缺陷的位置。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方 法，在整个检测平面内360度方向发射等幅值超声脉冲信号，并利用混凝土内部缺陷反射的 脉冲信号进行缺陷的定位。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法，采用的装置包括圆管形压 电智能骨料、信号发生器、信号放大器和信号采集器;圆管形压电智能骨料事先预埋于待检 测混凝土结构内部，检测时，信号发生器产生的高频脉冲电压信号先经由信号放大器进行 放大，再传输给圆管形压电智能骨料，使该圆管形压电智能骨料沿径向振动，在待检测混凝 土整个平面内产生纵波，该脉冲信号传输到缺陷处时会产生反射脉冲信号；圆管形压电智 能骨料接收由待检测混凝土内部缺陷处反射的脉冲信号，并传输至信号采集器，利用混凝 土缺陷反射的脉冲信号进行缺陷的定位。
[0006] 作为本发明进一步的方案:所述圆管形压电智能骨料由内至外依次为超高性能混 凝土、圆管形压电陶瓷和超高性能混凝土;且圆管形压电陶瓷内、外环上分别焊接了用于传 输信号的屏蔽电缆，焊接完屏蔽电缆后其表内、外表面均匀涂覆绝缘胶。
[0007] 作为本发明进一步的方案:所述圆管形压电智能骨料利用超高性能混凝土将圆管 形压电陶瓷饶注成直径为15_20mm、高为10-20mm的圆柱形。
[0008] 作为本发明进一步的方案:预埋于待检测混凝土结构内部的所有圆管形压电智能 骨料轴线互相平行、分布于同一平面内。
[0009] 作为本发明进一步的方案:预埋于混凝土结构内部的圆管形压电智能骨料中一个 圆管形压电智能骨料作为信号激发元件，用于在混凝土内部产生脉冲信号；其它圆管形压 电智能骨料作为信号接收元件，用于接收在混凝土结构内部传输后的脉冲信号。
[0010] 作为本发明进一步的方案：由信号发生器产生的高频脉冲电压信号经信号放大器 放大后通过屏蔽电缆传输给作为信号激发元件的圆管形压电智能骨料，使该圆管形压电智 能骨料沿径向振动，并在信号激发元件所在的平面内产生360度方向的等幅值纵波。
[0011] 作为本发明进一步的方案:作为信号接收元件的圆管形压电智能骨料接收由信号 激发元件处直接传输过来的脉冲信号与由混凝土内部缺陷处反射的脉冲信号。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 本发明采用圆管形压电智能骨料在整个检测平面内360度方向发射等幅值超声脉冲信 号，并利用混凝土内部缺陷反射的脉冲信号进行缺陷的定位。圆管形压电智能骨料内部密 实性好、强度高，超声信号衰减小、传输距离远。本发明可以快速检测和在线定位混凝土结 构的内部缺陷，能判断结构是否存在缺陷，能准确确定缺陷的位置。
【附图说明】
[0013] 图1是圆管形压电智能骨料在待检测混凝土结构布置示意图； 图2是从圆管形压电智能骨料激发元件处发出脉冲信号传播示意图； 图3是圆管形压电陶瓷振动示意图； 图4是图3的俯视图； 图5是圆管形压电智能骨料示意图； 图6是图5是俯视图； 图7是信号处理示意图； 图8是利用缺陷的反射脉冲信号进行缺陷定位原理图； 图中：1_圆管形压电陶瓷;2-超高性能混凝土;3-屏蔽电缆;4-圆管形压电智能骨料;5-待检测混凝土。
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。
[0015] 实施例1 本发明实施例中，一种基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法，包 括圆管形压电智能骨料4、信号发生器、信号放大器和信号采集器。
[0016] 如图1和图2所示，本发明事先在混凝土结构内部预埋已封装好的圆管形压电智能 骨料4,将其中的一个圆管形压电智能骨料4作为信号激发元件向检测平面内360度方向发 射等幅值超声脉冲信号，其它圆管形压电智能骨料4作为信号接收元件，接收由从作为信号 激发元件的圆管形压电智能骨料4处直接传输过来的脉冲信号及由混凝土内部缺陷反射过 来的脉冲信号，最后利用混凝土结构缺陷产生的反射信号进行缺陷的定位。
[0017] 本发明中的圆管形压电智能骨料4采用圆管形压电陶瓷1作为信号转换元件，如图 3-4所示，圆管形压电陶瓷1可以产生沿径向的等幅值振动或将振动位移转化为电信号输 出。
[0018] 如图5-6所示，本发明中的圆管形压电智能骨料4采用超高性能混凝土 2进行浇注， 圆管形压电智能骨料4内部密实性好、强度高，超声信号衰减小、传输距离远。圆管形压电智 能骨料4制作步骤如下： 首先，在圆管形压电陶瓷1内、外环上分别焊接了屏蔽电缆3用于信号的传输;然后，圆 管形压电陶瓷1焊接完屏蔽电缆3后其表内、外表面均匀涂覆绝缘胶，使其完全绝缘； 最后，利用超高性能混凝土2将圆管形压电陶瓷1饶注成直径为15-20_、高为10-20_ 的圆柱形。
[0019] 如图1所示，预埋圆管形压电智能骨料4时，应保证智能圆管形压电智能骨料4轴线 互相平行且圆管形压电智能骨料4均分布于同一平面内。
[0020] 检测时，可随机选取其中的某一个圆管形压电智能骨料4作为信号激发元件，在待 检测混凝土 5内部产生脉冲信号，其它圆管形压电智能骨料4作为信号接收元件用于接收在 待检测混凝土 5结构内部传输后的脉冲信号。
[0021] 检测时，信号发生器产生的高频脉冲电压信号先经由信号放大器进行放大，再通 过屏蔽电缆3传输给作为信号激发元件的圆管形压电智能骨料4,使该圆管形压电智能骨料 4沿径向振动，最终在待检测混凝土 5整个平面内产生纵波，该脉冲信号传输到缺陷处时会 产生反射脉冲信号。作为信号接收元件的圆管形压电智能骨料4可以接收由信号激发元件 处直接传输过来的脉冲信号也可以接收由待检测混凝土 5内部缺陷处反射的脉冲信号。
[0022] 当结构无缺陷时，按照上述步骤在待检测混凝土5内部激发脉冲信号并记录下第i 个圆管形压电智能骨料4接收到的脉冲信号切;当待检测混凝土5结构内部出现缺陷后， 再次重复上述操作，并记录下此时第i个圆管形压电智能骨料4所接收到的脉冲信号 <(办。
[0023] 利用记录下的n个脉冲信号计算得到纵波在待检测混凝土 5内传输的速度
，其中（#，丹)为激发用圆管形压电智能骨料4坐标，（ 5，於)为第i个接收用圆管形压电智能骨料4的坐标遘为纵波达到第i个圆管形压电智能骨 料4的时间。
[0024] 如图7,将记录下的两个脉冲信号ifC〇和if?作差运算，= 可 得到经缺陷反射后的脉冲信号6(0,由咕0可确定脉冲信号由激发元件T经缺陷D反射后达 到接收元件Si的传播时间#，并可得到激发元件T、缺陷D及接收元件Si间的距离为 2崎=_'|+:网；11^。
[0025] 如图8,定位时以激发元件T和接收元件Si为椭圆的两个焦点、以2今为长轴作椭圆， 多个椭圆的交点即为缺陷的位置。
[0026] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论 从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。
[0027] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包 含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当 将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员
【主权项】
1. 基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法，采用的装置包括圆管形 压电智能骨料、信号发生器、信号放大器和信号采集器;其特征在于，圆管形压电智能骨料 事先预埋于待检测混凝土结构内部，检测时，信号发生器产生的高频脉冲电压信号先经由 信号放大器进行放大，再传输给圆管形压电智能骨料，使该圆管形压电智能骨料沿径向振 动，在待检测混凝土整个平面内产生纵波，该脉冲信号传输到缺陷处时会产生反射脉冲信 号；圆管形压电智能骨料接收由待检测混凝土内部缺陷处反射的脉冲信号，并传输至信号 采集器，利用混凝土缺陷反射的脉冲信号进行缺陷的定位。2. 根据权利要求1所述的基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法， 其特征在于，所述圆管形压电智能骨料由内至外依次为超高性能混凝土、圆管形压电陶瓷 和超高性能混凝土;且圆管形压电陶瓷内、外环上分别焊接了用于传输信号的屏蔽电缆，焊 接完屏蔽电缆后其表内、外表面均匀涂覆绝缘胶。3. 根据权利要求2所述的基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法， 其特征在于，所述圆管形压电智能骨料利用超高性能混凝土将圆管形压电陶瓷浇注成直径 为15_20mm、高为10_20mm的圆柱形。4. 根据权利要求1所述的基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法， 其特征在于，预埋于待检测混凝土结构内部的所有圆管形压电智能骨料轴线互相平行、分 布于同一平面内。5. 根据权利要求1或4所述的基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方 法，其特征在于，预埋于混凝土结构内部的圆管形压电智能骨料中一个圆管形压电智能骨 料作为信号激发元件，用于在混凝土内部产生脉冲信号；其它圆管形压电智能骨料作为信 号接收元件，用于接收在混凝土结构内部传输后的脉冲信号。6. 根据权利要求2所述的基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法， 其特征在于，由信号发生器产生的高频脉冲电压信号经信号放大器放大后通过屏蔽电缆传 输给作为信号激发元件的圆管形压电智能骨料，使该圆管形压电智能骨料沿径向振动，并 在信号激发元件所在的平面内产生360度方向的等幅值纵波。7. 根据权利要求1所述的基于圆管形压电智能骨料的混凝土结构缺陷在线定位方法， 其特征在于，作为信号接收元件的圆管形压电智能骨料接收由信号激发元件处直接传输过 来的脉冲信号与由混凝土内部缺陷处反射的脉冲信号。
【文档编号】G01N29/34GK105891331SQ201610203541
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】鲁光涛, 李友荣, 王涛, 邵俊华, 尹本进
【申请人】武汉科技大学