一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种水工混凝土结构损伤主动监测装置，包括振动台（1）、波形发生器（2）、驱动器（3）、传感器（4）、数字滤波器（6）、数字化采集器（5）、小波包分析系统（7）及被测水工混凝土结构体（8）；所述被测水工混凝土结构体（8）设置在振动台（1）上，所述波形发生器（2）对所述驱动器（3）发出扫频信号后，激励所述驱动器（3）产生应力波，应力波在被测水工混凝土结构体（8）中传播被传感器（4）接收，应力波信号依次再经过数字滤波器（6）、数字化采集器（5）和小波包分析系统（7）。本发明的测试平台对实现水工混凝土结构健康监测具有重要意义，具有高精度、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等优点。
【专利说明】一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法。
【背景技术】
[0002]裂缝是水工混凝土结构老化和病变的主要反应，对混凝土结构的危害很大。其是水工混凝土结构最常见的损伤病变，其产生和发展是结构功能衰退的重要特征之一，对结构的适应性、耐久性、承载能力等具有重要影响，甚至会引起结构破坏失事。对于裂缝损伤的有效识别是水工混凝土结构健康监测和诊断的一项重要内容，急切需要成熟的新材料及新技术的引入，达到对水工混凝土结构损伤的实时、高效及准确的监测及控制。
[0003]压电陶瓷传感器具有频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗少、成本低等优点，由其构成的结构健康监测系统能够灵敏的感应监测到结构损伤的存在和强度的变化情况。在水工混凝土结构健康主动监测过程中，被作为传感器和驱动器，在一定程度上削弱了外界环境变化对压电陶瓷片的影响，可以延长压电陶瓷片的使用寿命，保证结构健康监测的有效性和长期性。
[0004]由于混凝土裂缝损伤的复杂性，确定损伤的敏感频率非常困难。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法。
[0006]发明人发现，信号的幅值是对混凝土强度较为敏感的参数，故信号幅值可以作为损伤识别的重要特征参量；混凝土裂缝损伤给信号主频带来的影响较小，但变化时信号幅值的衰减程度具有明显的影响，说明信号主频是影响信号对损伤敏感性的重要因素；建议采用扫频信号作为损伤监测信号，扫频信号频率具有一定的变化范围，有助于提高信号对损伤的敏感性。
[0007]基于上述研究的启发，根据混凝土结构损伤的动荷载试验，通过在混凝土模型中成对埋设的混凝土压电陶瓷机敏模块(CPSM, Concrete PZT Smart Module),发明了基于波动分析法的混凝土裂缝损伤主动监测的实现方法，以CPSM扫频信号为分析对象，引入小波包工具对信号进行分析的基础上，试验研究了一种基于信号节点能量的损伤识别方法。
[0008]技术方案:本发明所述的水工混凝土结构损伤主动监测装置，如图1所示，包括振动台、波形发生器、驱动器、传感器、数字滤波器、数字化采集器、小波包分析系统及被测水工混凝土结构体；所述被测水工混凝土结构体设置在振动台上，所述波形发生器对所述驱动器发出扫频信号后，激励所述驱动器产生应力波，应力波在被测水工混凝土结构体中传播被传感器接收，应力波信号依次再经过数字滤波器、数字化采集器和小波包分析系统；
[0009]所述驱动器和传感器均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器和所述传感器分别埋入或粘贴在待测水工混凝土结构体的两端；
[0010]所述压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片、硫化硅橡胶层、信号线和外包混凝土，所述硫化硅橡胶层包覆在所述压电陶瓷片的外围，包覆有硫化硅橡胶层的压电陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信号线的一端焊接在压电陶瓷片上，另一端穿过外包混凝土与其他元器件连接。
[0011]对于数据采集系统，一般使用dSPACE(digital Signal Processing And ControlEngineering)为数据采集系统，其用于信号的数字化采集，dSPACE由硬件系统和软件系统两大部分组成，硬件系统具有高速的处理功能，软件系统包括从Simulink模型到dSPACE实时代码自动生成的工具和对实验进行可视化、自动化管理的一系列软件。
[0012]小波包分析系统，主要由一个三层树状结构构成，其组成示意图见附图2。小波分解是将信号分解成低频？工和高频01各占一半的频带，低频P1中失去的信息由高频D1捕获；在下一层分解中，又将P1分解成低频P2和高频D2两部分，两部分各占P1部分的一半，低频P2失去的信息由D2捕获。小波包分解不同于小波分解，小波包不仅对低频部分进行分解，而且也对高频部分进行分解。小波包分解是一种比小波分解更精细的分解方法。小波在
有限持续时间内的均值为零，表达式为丨::"H {t)dt = O，选取Ψ⑴为小波母函数，则函数
【权利要求】
1.一种水工混凝土结构损伤主动监测装置，其特征在于:包括振动台(I)、波形发生器(2)、驱动器(3)、传感器(4)、数字滤波器(6)、数字化采集器(5)、小波包分析系统(7)及被测水工混凝土结构体(8);所述被测水工混凝土结构体(8)设置在振动台(I)上，所述波形发生器(2)对所述驱动器(3)发出扫频信号后，激励所述驱动器(3)产生应力波，应力波在被测水工混凝土结构体(8)中传播被传感器(4)接收，应力波信号依次再经过数字滤波器(6)、数字化采集器(5)和小波包分析系统(7)； 所述驱动器(3)和传感器(4)均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器(3)和所述传感器(4)分别埋入或粘贴在待测水工混凝土结构体(8)的两端； 所述压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片(10)、硫化硅橡胶层(12)、信号线(11)和外包混凝土(9)，所述硫化硅橡胶层(12)包覆在所述压电陶瓷片(10)的外围，包覆有硫化硅橡胶层(12)的压电陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中；所述信号线(11)的一端焊接在压电陶瓷片(10)上，另一端穿过外包混凝土(9)与其他元器件连接。
2.根据权利要求1所述的水工混凝土结构损伤主动监测装置，其特征在于:所述压电陶瓷机敏模块为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的水工混凝土结构损伤主动监测装置进行水工混凝土结构损伤主动监测的方法，其特征在于包括如下步骤: (1)波形发生器发射正弦扫频激励信号，激励压电陶瓷机敏模块驱动器发射应力波信号; (2)应力波信号在待测水工混凝土结构体中传播，被设置在待测水工混凝土结构体中的压电陶瓷机敏模块传感器接收； (3)信号经过数字滤波器的滤波，滤去信号中低频噪声信号，然后被数字化采集器采集; (4)信号传递到小波包分析系统，利用小波包分解不同结构状态下的小波信号，获取不同节点的小波包节点能量，通过同一节点能量下的变化情况判断结构的健康状况，最终达到混凝土结构损伤的监控。
4.根据权利要求权利要求3所述的方法，其特征在于:步骤(4)中，信号被N层小波包分解为2"个信号集…，X2]，其中Xj表示为Xj = (XjjllXjj2,...,Xj-J, m为样本数目； 分解信号的小波包节点能量Eu表示力E , =||X| =X2j, +X2ja +- + x；,m，式中:i为时间指标；j为频带(1，2，…，2n); 指标i处的小波包节点能量向量Ej轰示为Ei = Ei,\,Ei,2,--^Ejy 。
5.根据权利要求权利要求4所述的方法，其特征在于:步骤(4)中，将结构健康状态下的能量作为基准信号能量，依据结构损伤状态下信号能量与基准信号能量的比较，来刻画
J7 _ P结构的损伤程度；由小波包节点能量构建损伤指标为7 =’式中为结构健康状态下的小波包节点能量；Ei j为结构损伤状态下的小波包节点能量。
【文档编号】G01N29/04GK103472142SQ201310408943
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】苏怀智, 张楠, 杨孟, 张林海 申请人:河海大学