一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料及其监测方法与流程

本发明涉及混凝土结构健康监测技术领域，具体涉及一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料及其监测方法。

背景技术：

目前，基于压电主动传感技术的在线检测方法存在如下问题：首先，压电陶瓷激发器与传感器安装时需严格对应，可监测范围小，安装精度高；其次，智能骨料需要外部电源供电，信号需要专用电缆通讯，对混凝土结构影响大，且安装工艺复杂，易损坏，维护困难；再次，考虑到混凝土内部大颗粒物质对高频超声信号的衰减作用，现阶段的损伤识别方法损伤识别分辨力低，一般采用低频段超声波信号对混凝土内部的大尺度损伤进行识别，而难以实现混凝土结构早期微损伤识别及早期损伤拓展监测。

技术实现要素：

本发明的目的就是要针对现有装置的不足，提供一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料及其监测方法，其装置与超声波能量扩散机理有机结合，可以实现混凝土结构早期损伤的定量定位识别，为混凝土早期损伤在线监测提供一个智能、绿色节能的解决方案，适合推广。

为实现上述目的，本发明所涉及的一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料及其监测方法，其装置包括感光部和骨料部，所述感光部与骨料部接触连接；所述感光部包括设置在底部的底座，所述底座上设置有可无线操控的控制模块，所述控制模块上设有太阳能供电模块，所述太阳能供电模块与控制模块的电源输入端连接，所述太阳能供电模块上设有透明外壳；所述骨料部包括设置在外周的保护外壳，所述保护外壳内设有压电陶瓷，所述压电陶瓷上连接有导线，所述导线穿过底座与控制模块连接。

进一步地，所述感光部通过底座与透明外壳形成的密闭空间，所述控制模块与太阳能供电模块设置在感光部的密闭空间内。

进一步地，所述保护外壳内还设有压电填充材料，所述压电填充材料将压电陶瓷完全包裹。

更进一步地，所述骨料部通过底座与保护外壳形成的密闭空间，所述压电陶瓷设置在感光部的密闭空间内。

作为优选项，所述的透明外壳为透明的高强度复合材料制成。

作为优选项，所述感光部外形呈圆柱体，所述骨料部外形也呈圆柱体，所述感光部的圆柱体半径大于骨料部的圆柱体半径。

一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料的监测方法，其特征在于：

包括如下步骤：

步骤一：将多个骨料装置按监测阵布置在待检测混凝土区域内；

步骤二：将其中一个骨料装置作为无线激发器，用于激发超声波信号；

步骤三：将其余的骨料装置作为无线传感器，用于检测和接收经混凝土传输后的超声波信号；

步骤四：利用接收到的超声波时域信号，分析得到混凝土结构各处的能量密度函数后，进一步计算得到混凝土结构能量扩散系数，将其与健康状态的初始能量扩散系数值参考，若监测的能量扩散系数发生了变化，则即可以判断被检测的混凝土结构存在裂纹、气孔等损伤。

进一步地，所述步骤一中，所述监测阵布置方法具体为：

将待检测的混凝土分割成多个监测子区域，每个子区域的间距为l，在每个监测子区域内，放置有n个骨料装置，将其中1个骨料装置安装在监测子区域的中间位置作为无线激发器，将其余n-1个骨料装置均匀分布在以无线激发器为中心，r为半径的圆上，用于检测和接收经混凝土传输后的超声波信号。

进一步地，所述步骤四中，所述能量扩散系数的计算公式为：

d＝f(ρ,λ,μ,fa,h,ω)

其中：ρ为能量密度函数，λ和μ为拉梅常数，h为结构内部相邻颗粒或损伤分布间隙，ω表示圆频率，fa表示混凝土内部微观结构包括结构裂纹、气孔等损伤所占体积比。

本发明的优点在于：其结构简单，设计合理，能耗低，效率高，性能稳定。其通过采用圆管形压电陶瓷作为激发和传感元件；信号无线收发及控制模块用于无线传输接收到的超声波信号；太阳能自供电模块主要将太阳能转化为电能，用于给智能骨料供电；透明壳为外高强度的复合材料，用于使太阳能供电模块和信号无线收发及控制模块免受破坏，同时保证太阳能供电模块能接收到太阳光照射。其与基于超声波能量扩散机理有机结合，可以实现混凝土结构早期损伤的定量定位识别,为混凝土早期损伤在线监测提供一个智能、绿色节能的解决方案。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明装置的分解示意图；

图3为本发明装置的内部结构示意图；

图4为实施例中监测阵布置示意图。

图中：感光部1(其中：底座1.1、透明外壳1.2)、骨料部2(其中：保护外壳2.1)、控制模块3、太阳能供电模块4、压电陶瓷5(其中：导线5.1)、压电填充材料6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1～3所示的一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料及其监测方法，其装置包括感光部1和骨料部2，所述感光部1与骨料部2接触连接；所述感光部1包括设置在底部的底座1.1，所述底座1.1上设置有可无线操控的控制模块3，所述控制模块3上设有太阳能供电模块4，所述太阳能供电模块4与控制模块3的电源输入端连接，所述太阳能供电模块4上设有透明外壳1.2；所述骨料部2包括设置在外周的保护外壳2.1，所述保护外壳2.1内设有压电陶瓷5，所述压电陶瓷5上连接有导线5.1，所述导线5.1穿过底座1.1与控制模块3连接。所述感光部1通过底座1.1与透明外壳1.2形成的密闭空间，所述控制模块3与太阳能供电模块4设置在感光部1的密闭空间内。所述保护外壳2.1内还设有压电填充材料6，所述压电填充材料6将压电陶瓷5完全包裹。所述骨料部2通过底座1.1与保护外壳2.1形成的密闭空间，所述压电陶瓷5设置在感光部1的密闭空间内。所述的透明外壳1.2为透明的高强度复合材料制成。所述感光部1外形呈圆柱体，所述骨料部2外形也呈圆柱体，所述感光部1的圆柱体半径大于骨料部2的圆柱体半径。

一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料的监测方法，其特征在于：

包括如下步骤：

步骤一：将多个骨料装置按监测阵布置在待检测混凝土区域内；所述监测阵布置方法具体为：

将待检测的混凝土分割成多个监测子区域，每个子区域的间距为l，在每个监测子区域内，放置有9个骨料装置，将其中1个骨料装置安装在监测子区域的中间位置作为无线激发器，将其余8个骨料装置均匀分布在以无线激发器为中心，r为半径的圆上，用于检测和接收经混凝土传输后的超声波信号。

步骤二：将其中一个骨料装置作为无线激发器，用于激发超声波信号；

步骤三：将其余的骨料装置作为无线传感器，用于检测和接收经混凝土传输后的超声波信号；

步骤四：利用接收到的超声波时域信号，分析得到混凝土结构各处的能量密度函数后，进一步计算得到混凝土结构能量扩散系数，将其与健康状态的初始能量扩散系数值参考，若监测的能量扩散系数发生了变化，则即可以判断被检测的混凝土结构存在裂纹、气孔等损伤；所述能量扩散系数的计算公式为：

d＝f(ρ,λ,μ,fa,h,ω)

其中：ρ为能量密度函数，λ和μ为拉梅常数，h为结构内部相邻颗粒或损伤分布间隙，ω表示圆频率，fa表示混凝土内部微观结构包括结构裂纹、气孔等损伤所占体积比。

本发明在实际使用时：

如图4所示，将待检测的混凝土分割成多个监测子区域，每个子区域的间距为l。在每个监测子区域内，放置9个骨料装置。将其中1个骨料装置安装在监测子区域的中间位置作为无线激发器，用于激发超声波信号。将其余8个骨料装置作为无线传感器，均匀分布在以无线激发器为中心，r为半径的圆上，用于检测和接收经混凝土传输后的超声波信号。

然后，以无线激发器为中心向360°方向发射具有固定中心频率的超声波脉冲信号，其余8个传感器接收经混凝土传输的超声波信号。利用接收到的超声波时域信号，分析得到混凝土结构各处的能量密度函数e(l,t)后，可进一步计算得到混凝土结构能量扩散系数

d＝f(ρ,λ,μ,fa,h,ω)

式中：ρ为能量密度函数，λ和μ为拉梅常数，h为结构内部相邻颗粒或损伤分布间隙，ω表示圆频率，fa表示混凝土内部微观结构包括结构裂纹、气孔等损伤所占体积比。

将混凝土结构初始状态即健康状态下，测试并计算得到的能量扩散系数d0作为健康状态的初始参考，并将其与结构在不同工作状态下(包括使用时间、工况、载荷等)下的结构能量扩散系数进行对比，若能量扩散系数d发生了变化，则即可以判断被检测的混凝土结构是否存在裂纹、气孔等损伤。一般能量扩散系数d越小，表明结构中裂纹或气孔等损伤的大小、尺寸或分布增加了，结构损伤越严重。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。