一种压电陶瓷机敏模块及水工混凝土结构健康监测试验平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土结构健康监测试验平台，其特征在于：包括信号生成设备（1）、信号采集设备（2）、驱动器（3）、传感器（4）、数字滤波器（5）和配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台（6），信号由信号生成设备（1）发出后依次经过驱动器（3）、传感器（4）、数字滤波器（5）和信号采集设备（2）后进入配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台（6）。本实用新型为水工混凝土的强度、结构损伤及自振频率识别等一系列问题研究提供了可靠的测试平台，借助该平台可以比较全面建立一套基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土健康监测系统，为压电陶瓷机敏模块技术在大坝安全监控方面的应用提供了必要的试验装置和方法。
【专利说明】一种压电陶瓷机敏模块及水工混凝土结构健康监测试验平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种水利与土木工程中混凝土结构健康监测的试验平台，特别涉及到基于压电陶瓷机敏模块所进行的水工混凝土结构健康的监测平台。
【背景技术】
[0002]水利枢纽挡水建筑物安全与否对国民经济发展和人民生活会产生极大的影响，一旦失事会对下游工业设施、农田及农村城市居民产生毁灭性的影响；而由于挡水建筑物在承受上游巨大水压力的同时，还要承受着诸如混凝土收缩破坏、老化、腐蚀、气候骤变、地震等的破坏。
[0003]由于水工建筑物的大体积性，微观上的振动控制没有实际意义，但宏观上的振动意义非凡，当坝址处发生大的地震时，大坝可能会在地震荷载和水荷载等的共同作用下发生破坏，由于大坝失事后会对下游经济，人民的生命和生活产生巨大的影响，因此，地震动荷载下的大坝振动控制十分必要，但是前人很少利用压电陶瓷材料对此进行分析。
[0004]压电陶瓷材料用于大体积水工混凝土结构健康监测和诊断，具有能耗低、灵敏度高、响应快、成本低廉等优点，具有广泛的应用前景。但水工混凝土结构多体型庞大、施工过程复杂、服役时间长，而压电陶瓷片自身材质较脆、对外界环境反应极为敏感，直接埋设于被监测主体结构中，极易造成压电陶瓷片的损坏；对土木工程结构的振动控制和健康诊断只涉及到较小体积的混凝土和加筋混凝土结构的监测，对大体积混凝土和素混凝土的监测方面还较为缺乏；压电传感器为已制成的传感器，这种传感器价格昂贵，没有结合土木工程结构尤其是水工结构工程的具体特点，在实际工程应用中难免会带来不便；压电机敏模块或压电智能骨料的具体形状，以往的研究没有给出具体的理论指导；以往的研究人员，对单纯的素混凝土结构在动荷载下的结构健康监测没有提及。
[0005]基于上述实际工程背景及拟解决以上涉及问题的目标下，以期混凝土压电陶瓷机敏模块在土木及水利工程中的应用会有一个十分广阔的前景，急切需要提供一种基于压电陶瓷机敏模块水工混凝土结构的健康监测测试平台。
实用新型内容
[0006]发明目的:本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土结构健康监测试验平台，实现了对水工混凝土水化阶段强度监测、混凝土结构在动荷载作用下的结构健康诊断、水工混凝土结构自振频率的识别。
[0007]本实用新型的另一目的在于提供一种压电陶瓷机敏模块。
[0008]技术方案:本实用新型所述的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土结构健康监测试验平台，包括信号生成设备、信号采集设备、驱动器、传感器、数字滤波器和配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台，信号由信号生成设备发出后依次经过驱动器、传感器、数字滤波器和信号采集设备后进入配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台；[0009]所述驱动器和所述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在待测水工混凝土试件中；
[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]通常采用任意波形发生器实现信号的产生，用于驱动压电陶瓷机敏模块驱动器；同时其他埋设在待测水工混凝土试件中的压电陶瓷机敏模块传感器接收信号；因为制作混凝土压电陶瓷机敏模块时不可避免的出现漏电现象，接收到的信号中可能混有交流电的频率，故将传感器连接数字滤波器；经过滤波器的信号通过示波器可以测量出收到的应力波的幅值，以此用于混凝土强度和结构的健康监测。通过配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台把用于采集数字信号的仿真模型编译成实时代码，利用压电陶瓷机敏模块作为驱动器和传感器，进行的结构健康监测，以此实现混凝土结构的实时健康监测。
[0012]根据监测对象结构和监测要求，压电陶瓷机敏模块的几何尺寸以及制备过程需要研究，以使其更适合于水工混凝土结构监测。在水工混凝土结构健康被动或主动监测过程中，常被作为传感器(被动监测)，传感器和驱动器(主动监测)；通过对于压电陶瓷机敏模块的弹塑性接触分析，依据压电陶瓷机敏模块垂直于极化方向的表面应力、位移分布，判定压电陶瓷机敏模块的合理体型为圆柱体，故将压电陶瓷机敏模块的体型确定为圆柱形。利用玻璃刀将压电陶瓷片切割成规格的小压电陶瓷片，为保证压电陶瓷机敏模块具有良好的电荷传输功能，用酒精将经切割后的压电陶瓷片清洗，去除表面的氧化膜；待表面干燥后焊接导线，焊接点尽量保证足够小，以保证表面所涂防水层足够薄；焊接完成再用酒精清洗。考虑到压电陶瓷片自身材质较脆，而外包混凝土又是一种复杂的多物相复合材料，若不作任何处理就将压电陶瓷片直接埋入混凝土模块中，在混凝土凝结过程中，混凝土体积会逐渐缩小而产生收缩应力，导致埋入其中的压电陶瓷片上形成应力集中，损伤压电陶瓷片，为此，通过在压电陶瓷片外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶来保护埋入混凝土中的压电陶瓷片；由于压电陶瓷机敏模块需要兼有发射和接收超声信号的能力，故选择压电陶瓷片时还必须考虑发射功率和敏感性等因素，并且考虑灵便、经济以及发射超声波的要求。
[0013]由于压电陶瓷机敏模块中压电陶瓷片的外包混凝土仅起到一个传递应力的作用，而非承力的主体，故在制作过程中未加入粗集料和钢筋等材料，只使用了水泥、细集料，以水、细集料的水泥砂浆进行浇筑。这样处理可减少粗集料及钢筋和其他性质分布不均匀的配料在压电陶瓷片上产生的局部应力集中。
[0014]利用基于压电陶瓷机敏模块水工混凝土结构健康监测的试验平台中对于混凝土强度的监测:在水工混凝土试块中安放压电陶瓷机敏模块，用于强度监测的应力波是通过任意波形发生器发出的信号激励产生的，信号经由压电陶瓷驱动器作用于一端压电陶瓷机敏模块产生应力波；应力波在被监测混凝土中传播，通过另一端的压电陶瓷机敏模块进行收集；经数字滤波器和示波器后，依据应力波振幅与强度的映射关系，实现混凝土强度的间接监测。
[0015]本实用新型的试验平台中对水工混凝土结构损伤的主动监测:主要是采用任意波形发生器用于产生激励信号。成对的压电陶瓷机敏模块CPSM用作信号发射器和信号接收器，数字滤波器用于滤去信号中的低频噪声信号，数据采集系统用于信号的数字化采集。
[0016]本实用新型的试验平台中对水工混凝土结构损伤的自振频率识别试验:在被动监测中，埋设在结构中的压电陶瓷充当的作用即为通用模态测试中所用的加速度传感器，压电陶瓷的作用即为获得待监测结构在激励下的振动信号，以用于结构的试验模态测试。
[0017]本实用新型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。
[0018]优选地，所述压电陶瓷机敏模块为圆柱形；所述外包混凝土由水、细集料的水泥砂浆进行浇筑。
[0019]本实用新型与现有技术相比，其有益效果是:本实用新型为水工混凝土的强度、结构损伤及自振频率识别等一系列问题研究提供了可靠的测试平台，借助该平台可以比较全面建立一套基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土健康监测系统，为压电陶瓷机敏模块技术在大坝安全监控方面的应用提供了必要的试验装置和方法。本实用新型试验平台基于压电陶瓷材料的智能性、驱动性和传感性的机理，结合水工结构工程的基本特点，设计而成了一种可以监测水工混凝土水化阶段强度、结构损伤的主动监测及水工混凝土结构自振频率识别试验的压电陶瓷机敏模块(CPSM)，对实现水工混凝土结构健康监测具有重要意义；该试验平台引入了压电陶瓷智能材料，以期利用压电陶瓷材料设计适合水工混凝土结构健康监测的压电陶瓷机敏模块，及较完备的试验平台，相对于传统的测试平台，压电陶瓷具有主动传感、响应快、可以制成不同的形状、应用较为简单以及相对便宜的特点，使得本测试平台具有精度高、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等众多优点；并且本测试平台设计理念完备新颖、设计思路完整严密、切合理论性强、可操作性强、等各项优点，对于探索其在大坝、堤防、水闸等涉水混凝土建筑物安全监控方面的运用具有重要的理论及实际意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为基于压电陶瓷机敏模块的结构健康监测系统组成示意图；
[0021]图2为压电陶瓷机敏模块的基本组成示意图；
[0022]图3为压电陶瓷片防护措施示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。
[0024]实施例1:本实用新型测试平台主要由六个独立的系统组成，核心组件为混凝土 压电陶瓷机敏模块，下面以 dSPACE (digital Signal Processing And ControlEngineering)系统、Agilent任意波形发生器、MATLAB/Simulink的控制系统开发与结构测试平台、Φ25πιπιΧ (25?30) mm圆柱体的混凝土压电陶瓷机敏模块为例，说明本测试平台的具体使用方案，但本平台的使用不限于此。
[0025](一)压电陶瓷机敏模块的设计与制备:[0026]压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制作的压电材料的一种，材料在压力作用下产生电信号的压电效应，本试验选用PCB公司的PIC151型压电陶瓷片，利用玻璃刀将压电陶瓷片切割成规格为长度X宽度X厚度=IOmmX IOmmX Imm)的小压电陶瓷片，用酒精除表面的氧化膜，待表面干燥后焊接导线，在其外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片，本试验采用的硫化硅橡型号为SD-5TC。
[0027]由于压电陶瓷机敏模块中压电陶瓷片的外包混凝土仅起到一个传递应力的作用，而非承力的主体，故在制作过程中未加入粗集料和钢筋等材料，只使用了水泥，本试验采用了 C32.5硅酸盐水泥、细集料，以水、细集料、水泥的重量比为1:2.9:2.09的水泥砂浆进行机敏模块的浇筑。
[0028](二)构建信号生成设备系统:
[0029]本试验主要采用Agilent任意波形发生器用于信号的产生，对于强度的监测，本实施例采用Agilent33250A发射任意信号，其为单通道波形发生器，其发射频率范围为I μ Hz?80MHz，信号幅值范围为ImV?10V，本实施例选用10V，对于水工混凝土结构损伤主动监测，采用Agilent任意波形发生器产生150?1000Hz的扫频正弦信号。
[0030](三)构建信号米集设备系统:
[0031]本试验中米用dSPACE(digital Signal Processing And Control Engineering)系统用于信号的发射和采集。dSPACE系统是一套基于MATLAB/Simul ink的控制系统开发与结构测试平台，可综合实现数字信号的产生和系统的控制，其与MATLAB/Simulink无缝连接，并配有高速计算能力的硬件系统。dSPACE通过Real-Time Interface,对Simulink模型进行代码编译，借助dSPACE ControlDesk对试验过程进行综合管理，以实现实时测试、控制和处理功能。
[0032]本实验采用的dSPACE系统为dSPACE公司的DSl 103系统，其内置的综合1/0功能、8路D/A模块可通过Simulink实现信号的发射,20路A/D模块亦可通过Simulink实现信号的接受。dSPACE系统在试验中易受到外界噪声的影响，试验中，仅采用dSPACE系统的A/D通道对数值信号进行采集。
[0033](四)构建数字滤波设备及MATLAB/Simulink的控制电脑平台:
[0034]将传感器连接到数字滤波器；经过滤波器的信号，滤去其中的低频噪声信号后，通过示波器可以测量出收到的应力波的幅值，以此用于混凝土强度和结构的健康监测；配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台，通过MATLAB/Simulink把用于采集数字信号的仿真模型编译成实时代码，然后下载至dSPACE硬件平台上，实现其与dSPACE系统无缝连接。
[0035]本实用新型基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土结构健康监测试验平台，包括信号生成设备1、信号采集设备2、压电陶瓷机敏模块驱动器3、压电陶瓷机敏模块传感器4、数字滤波器5和配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台6六部分，所述压电陶瓷机敏模块驱动器3和压电陶瓷机敏模块传感器4分别埋入在待测水工混凝土试件11中；信号由信号生成设备I发出后依次经过驱动器3、传感器4、数字滤波器5和信号采集设备2后进入配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台6 ；
[0036]如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【权利要求】
1.一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土结构健康监测试验平台，其特征在于:包括信号生成设备(I)、信号采集设备(2)、驱动器(3)、传感器(4)、数字滤波器(5)和配备MATLAB/Simulink的控制电脑平台(6)，信号由信号生成设备(I)发出后依次经过驱动器(3 )、传感器(4 )、数字滤波器(5 )和信号采集设备(2 )后进入配备MATLAB/Simul ink的控制电脑平台(6); 所述驱动器(3 )和所述传感器(4 )均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器(3 )和所述传感器(4)分别埋入在待测水工混凝土试件(11)中； 所述压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片(7)、硫化硅橡胶层(10)、信号线(8)和外包混凝土( 9 )，所述硫化硅橡胶层(10 )包覆在所述压电陶瓷片(7 )的外围，包覆有硫化硅橡胶层(10)的压电陶瓷片(7)埋入在外包混凝土(9)中；所述信号线(8)的一端焊接在压电陶瓷片(7 )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所述的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土结构健康监测试验平台，其特征在于:所述压电陶瓷机敏模块为圆柱形。
3.一种压电陶瓷机敏模块，其特征在于:包括压电陶瓷片(7)、硫化硅橡胶层(10)、信号线(8)和外包混凝土(9)，所述硫化硅橡胶层(10)包覆在所述压电陶瓷片(7)的外围，包覆有硫化硅橡胶层(10)的压电陶瓷片(7)埋入在外包混凝土(9)中；所述信号线(8)的一端焊接在压电陶瓷片(7 )上，另一端穿过外包混凝土( 9 )与其他元器件连接。
4.根据权利要求3所述的压电陶瓷机敏模块，其特征在于:所述压电陶瓷机敏模块为圆柱形。
【文档编号】G01N29/04GK203479752SQ201320559198
【公开日】2014年3月12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, 李皓, 高昂 申请人:河海大学