专利名称：压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统及监测和安装方法
技术领域：
本发明涉及一种压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统及监测和安装方法。
背景技术：
大部分大型混凝土结构其病害发展、性能退化及结构失效均源于裂缝的 发生和发展，因此，裂缝问题是混凝土结构健康和安全研究最重要的内容。 及时发现、掌握混凝土裂缝情况，就能及时把握结构状态，采取有效措施(如 灌浆、加固等)，降低养护要求，延长结构使用寿命，避免因损坏、垮塌给 生命和财产带来损失。
目前，针对混凝土结构裂缝的有效监测方法十分有限。国内外的专家学
者提出的方法主要有a.利用蛇形分布式光时域反射计监测结构裂缝；b.利用 外层绕装螺旋形导电层的同轴电缆制作的电时域反射计预埋在混凝土接近表 面处来实现对横向裂缝的大致位置、大小的监测；c.利用光频域反射计监测 结构裂缝；d.利用多线分布式光时域反射计监测结构裂缝的方法；e.利用基于 光纤的裂缝传感网络，通过感知裂缝与光纤传感网络相交来确定裂缝的宽度、 位置和方向；但这些研究方法在大型混凝土结构上使用都需要集成大量密集 压电元件、连接线及其监测电路于待监测结构表面，要实现大型混凝土结构 的裂缝监测尚存在很大的工艺难度，应用起来困难重重。
本申请人曾经提出过一种应用于实际桥梁裂缝监测的机敏网裂缝监测方 法，模拟生物体肌肤对创伤的感应机理，用漆包铜线布设成网格状粘贴于桥 梁结构表面，通过中间处理器监测漆包线通断的方式，可对结构表面裂缝的 发生与发展进行有效监测。但该种仿生监测方法尚不能精确判断结构内部变形场量、裂缝内部深度和范围等非表观信息，因此难以判断裂缝出现前潜在 承载能力、危险状态预判断及裂缝出现后其深度和结构应力释放等状态。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了 一种压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统及监 测方法，不但能够实现对结构裂缝表面状况的监测，同时还能通过压电元件的 压电信号判断出结构内部应力场量，由此得到裂缝出现前潜在承栽能力、危险 状态预判断及裂缝出现后其深度和结构应力释放等状态的分析结果，实现对结 构裂缝由内到外全方位的立体监测。
本发明的目的之一是提供一种压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统，包 括由多条相互绝缘的机敏线交叉组成的仿生监测单元，所述仿生监测单元紧密 粘贴于待监测结构上构成平面坐标系的才几敏神经网络，还包括信号处理装置，
所述机敏线接入信号处理装置的多路选择单元形成回路；所述每条才几敏线上至 少连接有一个压电传感器元件，多个压电传感器元件组成紧密布置于待监测结 构表面的压电传感阵列；
进一步，所述机敏线由两根以上直径不同且表面绝缘的导线组成，所有导 线的一端聚集形成信号输入总线，另一端聚集形成信号输出总线，所述信号输 入总线与信号输出总线分别连接于信号处理装置的与之对应的多路选择单元；
进一步，所述才几敏线上设置有专用于传输压电传感器元件的压电信号的压 电导线，所述压电导线与压电传感器元件相连后再与信号处理装置的相应端口 相连形成信号回路；
进一步，还包括上位处理机，所述信号处理装置的信号输出端与上位处理 机的通信端口相耳关；
进一步，还包括总线保护装置，所述信号输入总线和信号输出总线设置在 总线保护装置内部实现密封。
本发明的目的之二是提供一种压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的监
6测方法，包括以下步骤
1 )在计算机中根据仿生监测单元和压电阵列建立相应的网络坐标系；
2) 通过计算机的信号处理装置检测、接收和处理由各个压电传感器元件发 出的压电信号以及经机敏线传输进来的检测信号，判断所有机敏线是否导通， 如果存在断线，进入步骤3);如果导通正常，则将接收到的各压电信号与正常 值进行比较，判断是否存在变化，如果变化程度在正常范围内，则返回检测的 初始状态；如果变化程度不在正常范围内，通过压电阵列测量的表面应力场数 据和计算机自带数据库及相应数据分析算法，通过反演得到相关基础信息，所 述基础信息至少包括结构内部应力场和结构承载能力数据；记录下相关基础信 息和;险测时间后，进入下一个4全测周期；
3) 如果存在断线，通过网络坐标系记录断线的网络坐标位置和断线时间； 计算机通过断裂的机敏线得到结构裂缝的表面状态信息，根据结构裂缝的表面 状态信息，在坐标系中计算出裂缝的位置和形状，并结合由压电阵列测量的表 面应力场数据和计算机自带数据库及相应数据分析算法，测算出结构内部应力 场，再在已知结构裂缝的表面状态信息和内部应力场的情况下计算出结构裂缝 的内部状态参数，所述结构裂缝的内部状态参数至少包括裂缝的深度和延伸面 积。
进一步，还包括步骤4)和步骤5):
4) 根据断裂的积4文线的直径和裂缝宽度的对应关系，得到裂缝的宽度信息， 并将裂缝信息存储进计算机；根据新增的断裂机敏线的位置和数量，计算已有 裂缝的发展状况和新增裂缝的发生状况；
5) 将测得的裂缝宽度、长度和结构裂缝的内部状态参^t与前次测得的相关 数据进行比较，如果长度、宽度和内部状态参数值呈扩大趋势，则在坐标系中 计算出其发展趋势。
进一步，针对所测得的相关参数信息，还可实现自动报警，所述计算机连 接有报警装置，在步骤2)中，通过相关基础信息判断待监测结构是否存在裂缝可能，如果存在则通过报警装置发出报警信号，如果不存在裂缝可能，记录下
相关基础信息和检测时间后，进入下一个检测周期；
在步骤5)中，计算机内部存储有状态阀值，所述状态岡值至少包括长度阀 值和宽度阀值，将裂缝表面裂缝信息与状态阀值进行比较，如果裂缝信息超过 状态阀值则通过报警装置发出报警信号。
进一步，所述检测信号的信号源取自压电传感器元件发出的压电信号或外 部信号发生设备输入的外部信号，当信号取自压电传感器时，只需要将机敏线
种连接的好处在于不需要添加额外的信号发生设备，减少了设备投资；如果选 择外部信号发生设备，则只需将信号输入总线与外部信号发生设备的信号输出 端相连接皆可，这种连接的好处在于用于断裂检测的信号源较为稳定。
本发明的目的之三是提供了一种压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的 安装方法，包括以下步^^:
1) 将由机敏线组成仿生监测单元和压电传感器元件通过压敏胶粘贴在基体 膜上，所述基体膜采用不粘环氧树脂的膜体；
2) 通过用丙酮稀释的环氧树脂胶，使粘贴有仿生监测单元和压电传感器元 件的基体膜表面紧贴粘连在打磨平整的待监测结构的表面；
3) 待压敏胶被丙酮溶解，所述仿生监测单元和压电传感器元件与待监测结 构的表面牢固粘接，去掉基体膜。
本发明的有益效果是本发明的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统在 由多条相互绝缘的机敏线交叉组成的仿生监测单元的基础上，增加了压电传感 元件组成的压电阵列，不但能够通过机敏线监测出结构表面裂缝的准确判断， 而且能够通过压电元件的压电信号判断出结构内部应力场量，由此得到裂缝出 现前潜在承载能力、危险状态预判断及裂缝出现后其深度和结构应力释放等状 态的分析结果；同时本发明中的压电传感元件既可以作为结构应力和应变的传感元件，也可以作为机敏网的信号源，从而避免了传统方法由于需要将信号输
入每根传感线导致的接入和输出线路众多、制作工艺比较复杂的缺陷；本发明 能够实现对工程结构的全方位的、立体的损伤检测，是使用可靠、效率高、成 本低、结果准确的监测系统。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进 行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言 将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其 他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本 发明作进一步的详细描述，其中 图1为本发明结构示意图； 图2为图1在A处的放大示意图； 图3为压电传感元件的电信号连接回路示意图； 图4为本发明的监测方法流程示意图。
具体实施例方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解， 优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
l-机敏线；2-信号处理装置；3-压电传感器元件；4-压电导线；5-信号输入 总线；6-信号输出总线；7-上位处理机；8-总线保护装置。
如图1所示，本发明的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统包括由多条 相互绝缘的机敏线1交叉组成的仿生监测单元，仿生监测单元紧密粘贴于待监 测结构上构成平面坐标系的机敏神经网络，还包括信号处理装置2，机敏线l接 入信号处理装置2的多路选择单元形成回路；每条机敏线1上连接有一个压电 传感器元件3,所有压电传感器元件3组成紧密布置于待监测结构上的压电传感
9阵列，本实施例中，压电传感器元件3的布置根据待监测结构的具体情况来进 行设计， 一般设置在待监测结构承受应力较大，容易发生形变和裂缝的区域。
如图2所示，机敏线1由四根直径不同且表面绝缘的导线组成，其中，导
线a、 b、 c在一般情况下，能够因为裂缝的张拉作用而产生断裂，根据断裂导线 的直径与裂缝宽度的对应关系，可以测出裂缝的宽度，即导线a、 b、 c在裂缝出 现前，只是作为检测信号的传输导线，而在裂缝出现后，断裂的导线a、 b或c 可以揭示裂缝发生、发展、位置、长度、宽度、形状等表面裂缝信息；而压电 导线4是作为专用的压电信号传输导线使用，其强度和韧性均大大优于导线a、 b、 c,能够保证在监测过程中，压电信号的采集不会中断；本实施例中，检测 信号的信号源直接取压电传感器元件3，在同一机敏线1中的全部导线与压电传 感器元件3均连接，导线的一端聚集形成信号输入总线5，另一端聚集形成信号 输出总线6，信号输入总线5与信号输出总线6分别连接于信号处理装置2的与 之对应的多路选择单元。
信号输入总线5和信号输出总线6设置在总线保护装置8内部实现相对密 封，总线保护装置8可以设计成罩状或条状，用以保护总线与外界环境不接触， 且将总线与混凝土结构隔离，保证裂缝出现后总线不会被绷断。
信号处理装置2的信号输出端与上位处理机7的通信端口相联，机敏线断 裂的信息和压电元器件产生电信号的变化被信号处理装置2监测到后，通过系 统总线将信息送入远端的上位处理才几7,利用相应软件可以在电脑屏幕上直观地 虚拟出结构表面裂缝情况以及反演出的结构内部裂缝状况。
图3所示为本发明的压电传感器元件的信号连接回路，压电传感器元件在 受到结构应力作用时其会产生电信号，因此压电传感器元件既可以作为结构应 力和应变的传感元件，也可以作为才几敏网的信号源。多个压电传感器元件构成 的压电阵列可以实现对结构区域应力场的传感。
如图4所示，本发明提出的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的监测 方法，包括以下步骤1 )在计算机中根据仿生监测单元和压电阵列建立相应的网络坐标系；
2) 通过计算机的信号处理装置检测、接收和处理由各个压电传感器元件发 出的压电信号以及经机敏线传输进来的检测信号，判断所有机敏线是否导通， 如果存在断线，进入步骤3);如果导通正常，则将接受的各压电信号与正常值 进行比较，判断是否存在变化，如果变化程度在正常范围内，则返回检测的初 始状态；如果变化程度不在正常范围内，通过压电阵列测量的表面应力场数据 和计算机自带数据库及相应数据分析算法，通过反演得到相关基础信息，所述 基础信息至少包括结构内部应力场和结构承载能力数据；记录下相关基础信息 和检测时间后，进入下一个4企测周期；
3) 通过网络坐标系记录断线的网络坐标位置和断线时间；计算机通过断裂 的机敏线得到结构裂缝的表面状态信息，根据结构裂缝的表面状态信息，在坐 标系中计算出裂缝的位置和形状，并结合由压电阵列测量的表面应力场数据和 计算机自带数据库及相应数据分析算法，测算出结构内部应力场，再在已知结 构裂缝的表面状态信息和内部应力场的情况下计算出结构裂缝的内部状态参 数，所述结构裂缝的内部状态参数至少包括裂缝的深度和延伸面积；
4 )根据断裂的机敏线的直径和裂缝宽度的对应关系，得到裂缝的宽度信息， 并将裂缝信息存储进计算机；根据新增的断裂机敏线的位置和数量，计算已有 裂缝的发展状况和新增裂缝的发生状况；
5)将测得的裂缝宽度、长度和结构裂缝的内部状态参数与前次测得的相关 数据进行比较，如果长度和宽度值扩大，则在坐标系中计算出其发展趋势。
本发明的监测方法针对所测得的相关参数信息，还可实现自动报警，计算 机连接有报警装置，在步骤2)中，通过相关基础信息判断待监测结构是否存在 裂缝可能，如果存在则通过报警装置发出报警信号，如果不存在裂缝可能，记 录下相关基础信息和检测时间后，进入下一个检测周期；
在步骤5)中，计算机内部存储有状态阀值，所述状态阀值至少包括长度阀 值和宽度阀值，将裂缝表面裂缝信息与状态阀值进行比较，如果裂缝信息超过
ii状态阀值则通过报警装置发出报警信号。
本发明的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的安装方法，包括以下步
骤
1 )将由机敏线组成仿生监测单元和压电传感器元件通过压敏胶粘贴在基体 膜上，本实施例中，基体膜采用不粘环氧树脂的塑料膜体；
2) 通过用丙酮稀释的环氧树脂胶，使粘贴有仿生监测单元和压电传感器元 件的基体膜表面紧贴粘连在打磨平整的待监测结构的表面；
3) 待压敏胶被丙酮溶解，所述仿生监测单元和压电传感器元件与待监测结 构的表面牢固粘接，去掉基体膜。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽 管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理 解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案 的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统，包括由多条相互绝缘的机敏线(1)交叉组成的仿生监测单元，所述仿生监测单元紧密粘贴于待监测结构上构成平面坐标系的机敏神经网络，其特征在于还包括信号处理装置(2)，所述机敏线(1)接入信号处理装置(2)的多路选择单元形成回路；所述每条机敏线(1)上至少连接有一个压电传感器元件(3)，多个压电传感器元件(3)组成紧密布置于待监测结构上的压电传感阵列。
2. 根据权利要求1所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统，其特征在 于所述机敏线(1)由两根以上直径不同且表面绝缘的导线组成，所有导线的 一端聚集形成信号输入总线(5)，另一端聚集形成信号输出总线(6),所述信 号输入总线(5)与信号输出总线(6)分别连接于信号处理装置(2)的与之对 应的多路选择单元。
3. 根据权利要求2所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统，其特征在 于所述机敏线(1)上设置有专用于传输压电传感器元件(3)的压电信号的 压电导线(4),所述压电导线(4)与压电传感器元件(3)相连后再与信号处 理装置(2)的相应端口相连形成信号回路。
4. 根据权利要求3所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统，其特征在 于还包括上位处理机(7)，所述信号处理装置(2)的信号输出端与上位处理 机(7)的通信端口相联。
5. 根据权利要求4所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统，其特征在 于还包括总线保护装置(8),所述信号输入总线(5)和信号输出总线(6) 设置在总线保护装置(8)内部实现密封。
6. —种权利要求1所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的监测方 法，其特征在于包括以下步骤1)在计算机中根据仿生监测单元和压电阵列建立相应的网络坐标系；2) 通过计算机的信号处理装置检测、接收和处理由各个压电传感器元件发 出的压电信号以及经才几敏线传输进来的检测信号，判断所有积4丈线是否导通，如果存在断线，进入步骤3);如果导通正常，则将接收到的各压电信号与正常 值进行比较，判断是否存在变化，如果变化程度在正常范围内，则返回检测的 初始状态；如果变化程度不在正常范围内，通过压电阵列测量的表面应力场数 据和计算机自带数据库及相应数据分析算法，通过反演得到相关基础信息，所述基础信息至少包括结构内部应力场和结构承载能力数据；记录下相关基础信 息和4全测时间后，进入下一个检测周期；3) 如果存在断线，通过网络坐标系记录断线的网络坐标位置和断线时间； 计算机通过断裂的机敏线得到结构裂缝的表面状态信息，根据结构裂缝的表面 状态信息，在坐标系中计算出裂缝的位置和形状，并结合由压电阵列测量的表 面应力场数据和计算机自带数据库及相应数据分析算法，测算出结构内部应力 场，再在已知结构裂缝的表面状态信息和内部应力场的情况下计算出结构裂缝 的内部状态参数，所迷结构裂缝的内部状态参数至少包括裂缝的深度和延伸面 积。
7. 如权利要求6所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的监测方法， 其特征在于还包括步骤4)和步骤5)4) 根据断裂的机敏线的直径和裂缝宽度的对应关系，得到裂缝的宽度信息， 并将裂缝信息存储进计算机；根据新增的断裂机敏线的位置和数量，计算已有 裂缝的发展状况和新增裂缝的发生状况；5) 将测得的裂缝宽度、长度和结构裂缝的内部状态参数与前次测得的相关 数据进行比较，如果长度、宽度和内部状态参数值呈扩大趋势，则在坐标系中 计算出其发展趋势。
8. 如权利要求7所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的监测方法， 其特征在于针对所测得的相关参数信息，还可实现自动报警，所述计算机连 接有报警装置，在步骤2)中，通过相关J^出信息判断待监测结构是否存在裂缝可能，如果存在则通过报警装置发出报警信号，如果不存在裂缝可能，记录下相关基础信息和检测时间后，进入下一个检测周期；在步骤5)中，计算机内部存储有状态阀值，所述状态阀值至少包括长度阀 值和宽度阀值，将裂缝表面裂缝信息与状态阀值进行比较，如果裂缝信息超过 状态阀值则通过报警装置发出报警信号。
9. 如权利要求6所述的压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的监测方法， 其特征在于所述检测信号的信号源取自压电传感器元件发出的压电信号或外 部信号输入设备输入的外部信号。
10. —种压电阵列融合沖几敏网结构裂缝监测系统的安装方法，其特征在于 包括以下步骤[1) 将由机敏线组成仿生监测单元和压电传感器元件通过压敏胶粘贴在基体 膜上，所述基体膜采用不粘环氧树脂的膜体；[2) 通过用丙酮稀释的环氧树脂胶，使粘贴有仿生监测单元和压电传感器元 件的基体膜表面紧贴粘连在打磨平整的待监测结构的表面；[3) 待压敏胶被丙酮溶解，所述仿生监测单元和压电传感器元件与待监测结 构的表面牢固粘接，去掉基体膜。
全文摘要
本发明公开了一种压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统，在由多条相互绝缘的机敏线交叉组成的仿生监测单元的基础上，增加了压电传感元件组成的压电阵列，不但能够通过机敏线监测出结构表面裂缝的准确判断，而且能够通过压电元件的压电信号判断出结构内部应力场量，由此得到裂缝出现前潜在承载能力、危险状态预判断及裂缝出现后其深度和结构应力释放等状态的分析结果，本系统能够实现对工程结构的全方位的、立体的损伤检测，是使用可靠、效率高、成本低、结果准确的监测系统；同时，本发明还公开了一种压电阵列融合机敏网结构裂缝监测系统的监测方法和安装方法。
文档编号G01B7/004GK101561430SQ20091010393
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者周志祥, 张奔牛 申请人:重庆交通大学