专利名称：一种基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法
技术领域：
本发明涉及一种混凝土湿度的长期监测方法，具体而言是一种基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法。
背景技术：
混凝土内部湿度是影响混凝土构件工作性能的一个重要因素。众多研究表明，混凝土含水率(相对湿度)的大小对混凝土硬化、强度、钢筋锈蚀、硫酸盐侵、氯盐侵蚀等耐久性问题以及混凝土构件的动力特性等都有十分重要的影响。目前国内外对相对湿度的测量方法大体分为三类第一种是将干湿球温度计接到数字表上直接显示湿度值；第二种方法是将湿度传感器与数字表共同组成湿度测量仪；第三种方法是采用干湿球温度计，测量干球和湿球之间的温差，然后查相对温度表而得到湿度值。由于传感器技术等原因，湿度测量一直是国际公认的难题，不同方法对于混凝土内部相对湿度的测量结果差异也很大。在混凝土内部湿度检测方面目前还鲜有研究，很多学者借鉴空气湿度的测量方法，在混凝土结构内部预留孔洞，把孔洞内空间湿度作为混凝土内部湿度的参考值，这种方法的缺陷是所测的结果并非混凝土真实湿度值，而且受环境扰动较大。美国伊利诺伊斯大学香槟分校采用电容式RH传感器研发了一种测定混凝土内部相对湿度的仪器，这种传感器在RH〈80%时精度较高，但在较高湿度的情况下测试精度难以得到保证。清华大学黄瑜等人采用电容式数字温湿度传感器，测量了普通混凝土和高强混凝土试件单面干燥条件下内部不同深度处的相对湿度。这两种方法均将传感器密封在试件内部，这样可以避免预留孔与环境发生湿度交换。但同时也存在传感稳定性问题，即传感器长期置于混凝土内部，受湿度和温度条件的影响，其测量特征值会发生漂移，精度会有所下降。
发明内容
针对现有技术中混凝土内部湿度的检测方法存在传感稳定问题，本发明提供一种简便的混凝土内部湿度监测方法，实现对混凝土构件内部湿度进行长期监测。本发明所提供的混凝土湿度监测方法是一种新型的无损检测(NDT)方法，采用在混凝土内部设置压电智能骨料传感器(Smart Aggregate Transducer ),将相关功能器件进行集成，形成一套使用简便，经济实用的数据采集系统，并结合Matlab等相关信号处理软件的使用，对混凝土构件的湿度进行长期监测。该方法基于波动法原理，将压电智能骨料传感器埋于混凝土材料内部需要监测湿度的区域中，在埋入过程中保持压电智能骨料传感器方向和位置的准确性。将监测系统中的相关组件连接好，打开各仪器电源，通过信号发生器对压电智能骨料驱动器发出低频激励信号，该激励信号的频率为I IOHZ。如果激励信号功率过小，可通过功率放大器进行放大，压电智能骨料驱动器产生逆压电效应，将电信号转化为振动信号，布置在其他位置的压电智能骨料传感器接收到应力波信号后，产生正压电效应，将振动信号再次转换为电信号并输入到示波器进行存储记忆。对接收信号可进行滤波和降噪后，借助接收信号在混凝土内部的传播的波的幅值、能量、平均功率等来确认混凝土内部不同位置的湿度。上述方法中，通过信号发生器对压电智能骨料驱动器发出低频激励信号通常为简谐波或正弦波扫频，恰当频率的波形不仅能捕捉到混凝土中水分的细微变化，而且能够简化数据处理过程。下面就如何借助接收信号在混凝土内部的传播的波的幅值、能量、平均功率以及湿度指数来确认混凝土内部不同位置的湿度作以说明。首先，借鉴小波分析处理数据过程中采用均方差来定义损伤指标的方法，定义湿度指数 Moisture Index (MI)
权利要求
1.ー种基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，该方法包括以下步骤 步骤(I)将压电智能骨料传感器埋于混凝土材料内部需要监测湿度的区域中，在埋入过程中保持压电智能骨料传感器方向和位置的准确性； 步骤(2)将监测系统中的相关组件连接好，打开各仪器电源，通过信号发生器对压电智能骨料驱动器发出低频激励信号，该激励信号的频率为I IOHz ； 步骤(3 )压电智能骨料驱动器产生逆压电效应，将电信号转化为振动信号，布置在其他位置的压电智能骨料传感器接收到应力波信号后，产生正压电效应，将振动信号再次转换为电信号并输入到示波器进行存储记忆； 步骤(4)借助接收信号在混凝土内部传播的波的幅值、能量、平均功率来确认混凝土内部不同位置的湿度。
2.根据权利要求1所述的基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，其中 在所述步骤(2)中，使用功率放大器对所述激励信号进行放大。
3.根据权利要求1-2所述的基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，其中 在进行步骤(4)之前，先对接收信号进行滤波和降噪处理。
4.根据权利要求1所述的基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，其中 所述步骤(2)中通过信号发生器对压电智能骨料驱动器发出低频激励信号为简谐波或正弦波扫频。
5.根据权利要求1-3所述的基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，其中 所述步骤(4)中，借助接收信号在混凝土内部传播的波的幅值、能量、平均功率与系统试验标定作比较以确认混凝土内部不同位置的湿度。
6.根据权利要求5所述的基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，其中 所述系统试验标定包括以下步骤 步骤(a)在混凝土试件内部不同距离埋入压电智能骨料传感器，两传感器相距一定距离，该距离可调整，与预埋在待监测的混凝土结构中预埋的传感器间距保持一致；该混凝土试件与待监测的混凝土结构的混凝土类型、组分、龄期相同； 步骤(b )将素混凝土试件放入干燥箱内干燥，直至干燥状态，该状态下试件重量不再减小，为验证试验结果的稳定性，试件数量取多个； 步骤(C)取出试件，称重得到全干状态下的试件重量ら，此时相対湿度为0%，渗水深度为0 _，称重完毕后马上利用根据本发明的监测系统进行信号測量，得到全干状态下接收信号的波形信息， 步骤(d)相対湿度的标定将混凝土试件置于恒湿箱中，根据精度要求在0% 100%范围内不同相対湿度下养护至重量不变，称重记为6，并在此重量下进行信号測量，得到不同相对湿度下的波形信息；渗水深度的标定依次将试件分别置于不同深度的水中浸泡，根据精度要求选择N种深度划分，每隔固定时间取出，浸泡时间要保证在此深度下，混凝土已完全浸透，擦干表面水分并称重，得到其他N种不同渗水深度エ况下的试件总重量ら+1’毎次称重完毕后立即进行信号測量，得到不同含水率下的波形信息；对于每一种エ况，均按照固定频率简谐波1HZ、5HZ、10HZ以及正弦扫频1-1OOHz单个脉冲波的顺序进行试验；简谐波用于比较不同含水率条件下的接收波波形的幅值差异，并通过后期数据处理计算相关湿度评价指标；正弦扫频得到不同频率的波在不同湿度条件下的损耗情况，在不同湿度エ况下进行扫频，然后对扫频信号进行傅里叶变换，进行频域分析，确定湿度对不同激励频率信号的影响，用于选取适用于监测的激励频率；在简谐波测量阶段，分别采用1ΗΖ、5Ηζ、10Ηζ三种频率进行主动监测，首先由信号发生器发射固定频率的简谐波，信号经功率放大器放大后输入位于试件一端的压电智能骨料驱动器，压电材料将电信号转换为振动信号，并以波的形式在混凝土介质中传播，位于试件另一端的压电智能骨料传感器接收到信号后再次将振动信号转换为电信号，并传输到示波器中存储记忆； 步骤(e)数据处理与分析饱和状态和全干状态下，试件总质量之差，即吸水总质量，不同工况下的吸水质量与吸水总质量之比即为该工况下的含水率；渗水深度与试件总高之比即为该工况下的渗水深度占总高的百分比； 在不同含水率条件下，分析接收到的简谐波幅值平均值，得到波形幅值随渗水深度的变化趋势；计算不同工况下的单周波形能量；同时，根据采集到的波形计算出了采样总时长内，进一步计算得到波形总能量，得出相同频率下波形能量随渗水高度的变化趋势；计算不同频率简谐波的平均功率随渗水深度的变化趋势，进一步，采用归一化的方法，线性归一化平均功率，得到归一化后的平均功率值随渗水深度的变化趋势；根据幅值的相对大小、能量以及平均功率对混凝土构件中的含水情况做出初步定性判别；通过公式
7.根据权利要求6所述的基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，其中 所述步骤(e)中最优使用1-1OHz作为正弦扫频的激励频率范围。
全文摘要
本发明所提供的混凝土湿度监测方法是一种新型的无损检测(NDT)方法，采用在混凝土内部设置压电智能骨料传感器(SmartAggregateTransducer)，将相关功能器件进行集成，形成一套使用简便，经济实用的数据采集系统，并结合Matlab等相关信号处理软件的使用，对混凝土构件的湿度进行长期监测。
文档编号G01N29/11GK103048384SQ201210557810
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者刘铁军, 邹笃建, 滕军, 李勃 申请人:刘铁军