结构表面风雨荷载的监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构表面动力荷载的监测技术领域，具体是涉及一种结构表面风雨荷载的监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]以结构在动力荷载下的线性行为为基础的结构设计规范随着现代建筑结构高度、跨度、外形面积的进一步加大，新材料、新体系的进一步推广，风、雨荷载及其親合效应越来越受到结构设计者的重视，现行高层规范已将风荷载考虑在设计荷载中。但是由于缺少实测数据，对于高度非线性的风、雨荷载在设计或者实验中缺少参考值。所以对于风、雨荷载这种微弱荷载，开发微小量程的荷载传感器十分必要。
[0003]现有的测量风雨等微弱荷载的传感器的敏感元件如MEMS元件，价格高昂，不易于广泛应用。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提出一种利用压电陶瓷聚合物监测结构表面风雨荷载的系统及方法，能够有效的解决微小风雨荷载测量成本、测量精度的问题，适合于大量推广使用。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]一种结构表面风雨荷载的监测系统，包括信号采集系统和传感器封装体，所述传感器封装体粘贴于被测结构外表面；所述传感器封装体包括包封材料和通过准齐平无应力封装方法设于所述包封材料内的排布成阵列的若干个压电陶瓷传感器，所述压电陶瓷传感器与所述信号采集系统相连接；所述压电陶瓷传感器能够产生对应其上风雨荷载作用力的电荷脉冲信号，并传输给所述信号采集系统；所述信号采集系统能够根据接收到的各个压电陶瓷传感器的电荷脉冲信号，分析处理得到作用在传感器封装体表面上的应力场。
[0007]作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片；所述包封材料为防水、耐腐蚀的柔软材料，排布成阵列的若干个压电陶瓷片通过准齐平无应力封装方法封装在该柔软材料内。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷片呈方形，面积为25mm2;厚度为10mm，相邻两个压电陶瓷片之间的间距为5mm。
[0009]一种结构表面风雨荷载的监测方法，包括如下步骤:
[0010]a.传感器封装，
[0011]将若干个压电陶瓷传感器排布成阵列，并使用包封材料进行准齐平无应力封装，形成传感器封装体；
[0012]b.传感器布置，
[0013]将传感器封装体使用环氧树脂粘贴在被测结构表面，进行风雨荷载实时监测；
[0014]c.信号采集，
[0015]将各个压电陶瓷传感器与一信号采集系统相连，通过信号采集系统对传感器封装体中每个压电陶瓷片产生的电荷脉冲信号进行采集；
[0016]d.荷载计算，
[0017]根据正压电效应，通过采集得到的压电陶瓷传感器产生的电荷脉冲信号及压电陶瓷传感器自身的压电常数计算得到每个压电陶瓷传感器所受的荷载，按此方法，最终得到整个传感器封装体表面的应力场。
[0018]作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片；所述包封材料为防水、耐腐蚀的柔软材料，排布成阵列的若干个压电陶瓷片通过准齐平无应力封装方法封装在该包封材料内。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷片呈方形，面积为25mm2;厚度为10mm，相邻两个压电陶瓷片之间的间距为5mm。
[0020]本发明的有益效果是:本发明提供了一种结构表面风雨荷载的监测系统，通过将若干个压电陶瓷传感器排布成阵列通过准齐平无应力封装方法包封在包封材料内形成传感器封装体，可以解决压电陶瓷传感器的压电陶瓷片质脆，防水性差的问题，且压电陶瓷传感器相对现有技术中MEMS元件具有成本较低的显著优势。通过将传感器封装体使用环氧树脂粘贴在被测结构表面，可以利用压电陶瓷传感器对结构表面的风雨荷载进行实时监测；通过信号采集系统连接各个压电陶瓷传感器，可以采集压电陶瓷传感器上由于风雨荷载作用力产生的电荷脉冲信号，然后，根据接收到的各压电陶瓷传感器的电荷脉冲信号，分析处理得到作用在传感器封装体表面上的应力场，即可以对结构表面微小的风雨荷载进行实时监测。
[0021]本发明提供了一种结构表面风雨荷载的监测方法，首先，将若干个压电陶瓷片排列成阵列形式，形成压电陶瓷传感器阵列，然后在其外层使用具有防水性、耐腐蚀的柔软材料进行准齐平无应力封装方法，形成传感器封装体。当需要测量某结构外部的风雨荷载时，可以将该传感器封装体使用环氧树脂粘贴到被测结构外侧，当有风雨荷载作用在其上面时，压电陶瓷片会产生正比于其上荷载的电荷脉冲信号，通过信号采集系统采集分析该电荷脉冲信号，再根据压电陶瓷片的压电常数即可计算出相应风雨荷载的大小，最终可以得到整个作用在传感器封装体上面的应力场。因此，本发明相比其它监测方法，可靠稳定，成本低，灵敏度高，易于实施，适合大规模广泛使用。
【附图说明】
[0022]图1为本发明中传感器封装体的结构示意图；
[0023]图2为本发明结构表面风雨荷载的监测方法的工作原理图；
[0024]结合附图，作以下说明:
[0025]1一一信号采集系统2—一传感器封装体
[0026]21 包封材料 22 压电陶瓷传感器
【具体实施方式】
[0027]为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
[0028]如图1所示，一种结构表面风雨荷载的监测系统，包括信号采集系统1和传感器封装体2，所述传感器封装体粘贴于被测结构外表面；所述传感器封装体包括包封材料21和通过准齐平无应力封装方法设于所述包封材料内的排布成阵列的若干个压电陶瓷传感器22，所述压电陶瓷传感器与所述信号采集系统相连接；所述压电陶瓷传感器能够产生对应其上风雨荷载作用力的电荷脉冲信号，并传输给所述信号采集系统；所述信号采集系统能够根据接收到的各压电陶瓷传感器的电荷脉冲信号，分析处理得到作用在传感器封装体表面上的应力场。这样，通过将若干个压电陶瓷传感器排布成阵列通过准齐平无应力封装方法包封在包封材料内形成传感器封装体，可以解决压电陶瓷传感器的压电陶瓷片质脆，防水性差的问题，且压电陶瓷传感器相对现有技术中MEMS元件具有成本较低的显著优势。通过将传感器封装体使用环氧树脂粘贴在被测结构表面，可以利用压电陶瓷传感器对结构表面的风雨荷载进行实时监测；通过信号采集系统连接各个压电陶瓷传感器，可以采集压电陶瓷传感器上由于风雨荷载作用力产生的电荷脉冲信号，然后，根据接收到的各压电陶瓷传感器的电荷脉冲