专利名称：一种建筑工程结构裂纹状态监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及建筑工程结构裂纹状态检测技术领域，尤其涉及一种建筑工程结构裂纹状态监测系统。
背景技术：
对于建筑工程结构来说，特别是大型建筑工程结构，应该采用何种有效的手段去监测其运营中内部的裂纹状态，以评估其是否安全运营，是一个世界性的科技难题，也是一个迫切要求解决的现实问题。目前国际上发展的涡流仪、磁测试、X射线法试验、声发射、磁分子和磁漏、冲击反射和回弹锤、微波吸收以及中子射线照相等技术，属于有源检测技术，检测时，系统本身发射测试信号，信号作用于被测结构并在结构中传输，当遇到裂纹等被测结构内部缺陷时发生反射，通过分析这种反射信号判断被测结构内部的裂纹状态。但由于信号受到被测结构介质的吸收和散射的影响，强度衰减，传输距离受到影响，因而上述技术只能检测发生在接近检测点附近的结构的裂纹状况，一般在以检测点为中心半径0. 2m，厚0. Im的范围内；且现有的检测为静态检测，即在某特定时刻的一次性检测，而不是连续跟踪的动态检测，即监测，不能达到安全防护的效果。采用光纤测试技术，可用于动态监测，而且测试范围大，但由于组成光纤的材料一般脆性大，在测试中不能进行大应变的测量，同时光纤测试系统结构复杂，系统成本高，因此光纤测试技术的实际应用也受到很大的限制。近年，铁电陶瓷，如锆钛酸铅1 (TixZr1J O3 (记作PZT)作为传感材料由于具有结构简单、响应速度快、频响范围宽、优良的近似线性的本构关系以及成本较低的特点而受到重视。但因其自身存在质地脆，应变量小，易损坏的力学问题不宜在工程中应用。目前，已研制出将NiTi形状记忆合金(记作NiTiSMA)以薄膜的形式沉积在PZT基体上下表面而制备出双面沉积MTiSMA薄膜的PZT复合材料，这种复合材料具有较好的综合力学性能，而且保持了 PZT的优越的力-电传感特性，如能将双面沉积MTiSMA薄膜的PZT复合材料用于无源检测装置，应用到建筑工程结构裂纹状态检测，将会成为克服现有有源、无源检测装置缺陷的较理想的力-电转换信号探头。
实用新型内容本实用新型的目的是提供出一种结构简单、成本低的建筑工程结构裂纹状态监测系统，提高探头材料综合力学性能，实现在较大检测范围对建筑工程结构的裂纹状态连续动态跟踪监测，提高对建筑工程结构安全防护的效果。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是—种建筑工程结构裂纹状态监测系统，其特征在于包括由两侧端部分别带有连接引线的双面沉积MTiSMA薄膜的PZT复合材料片构成的探头、用于荷电信号放大并转换为探头电压信号的荷电放大器、滤除环境噪音的低通滤波器、完成探头电压信号A/D转换的数据采集卡以及由内置应变-频率关系曲线绘制程序、数据库的计算机及其外部设备构成的计算机系统，所述探头的引线连至荷电放大器的信号输入端，荷电放大器的信号输出端连接低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的信号输出端连接数据采集卡的数据输入端， 数据采集卡的数据输出端连接计算机的数据输入端。所述探头的厚度为0. 1-0. 3mm、底面积为lO-lOOmm2。所述外部设备包括显示器、键盘及打印机。本实用新型的有益效果是应用本实用新型提供的的建筑工程结构裂纹监测系统，直接将双面沉积MTiSMA薄膜的PZT复合材料片用作探头，根据对反映双面沉积 NiTiSMA薄膜的PZT复合材料的力-电转换特性的应变-频率关系曲线特征峰结构特征的分析，动态地评判建筑结构内部的裂纹状态，一方面双面沉积MTiSMA薄膜的PZT复合材料通过NiTiSMA和PZT的优势互补，不仅具有优越的综合力学性能，而且更有利于发挥PZT的力-电转换特性；可以克服环境信号的干扰，而且信号分析简单明确；用于无源检测装置， 无须发射测试信号，避免了因信号衰减影响测试范围，使用时，只须将由双面沉积MTiSMA 薄膜的PZT复合材料片贴附在建筑工程结构表面，引线连至监测系统，即可实现较大区域范围的大型建筑工程结构的裂纹状态的连续动态跟踪监测，监测范围可达到以探头底面中心为原点直径!，厚0. ^!的区域范围，显著高于现有技术中的以探头底面中心为原点直径 0.&1，厚0. Im的区域范围。提高对建筑工程结构安全防护的效果。监测系统结构相比光纤系统简单，且成本低，宜于推广。
图1是本实用新型的结构框图。图2是双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片探头在工程建筑结构上粘接示意图。图3是采用本实用新型对建筑工程结构裂纹状态监测的方法的流程图。图如是实施例1建筑钢筋混凝土梁无裂纹状态测得的应变-频率关系曲线。图4b是实施例1探头工作第70天时的反映其力-电转换特性的应变-频率关系曲线。图fe是实施例2建筑钢筋混凝土梁无裂纹状态测得的应变-频率关系曲线。图恥是实施例2探头工作第130天时的反映其力-电转换特性的应变-频率关系曲线。图中1探头，11 NiTiSMA薄膜，12 PZT基体，2荷电放大器，3低通滤波器，4数据采集卡，5计算机系统，51显示器，52键盘，53打印机，54计算机，61梁面，62支柱。
以下结合附图和实施例对本实用新型详细说明。
具体实施方式
实施例1本实用新型提供出一种建筑工程结构裂纹状态监测系统。图1示出了上述监测系统的结构框图；其特征在于包括由两侧端部分别带有连接引线13的双面沉积NiTiSMA薄膜 11的PZT12复合材料片构成的探头1、用于荷电信号放大并转换为探头电压信号的荷电放大器2、滤除环境噪音的低通滤波器3、完成探头电压信号A/D转换的数据采集卡4、以及由内置应变-频率关系曲线绘制程序、数据库的计算机M及其外部设备构成的计算机系统5， 外部设备包括显示器51、键盘52及打印机53。上述探头1的引线13连至荷电放大器2的信号输入端，荷电放大器2的信号输出端连接低通滤波器3的信号输入端，低通滤波器3的信号输出端连接数据采集卡4的数据输入端，数据采集卡4的数据输出端连接计算机M的数据输入端。上述荷电放大器采用了市售SD-15B型电荷放大器；低通滤波器采用切比雪夫低通滤波器，其通带最大衰减2db， 阻带最大衰减为60dB;数据采集卡采用了 AMPCI-9110数据采集卡，计算机采用了联想启天 W730E计算机，应变-频率关系曲线绘制程序是采用Visual B 6. 0编制的常规分析绘图软件。下面，具体阐述采用本实用新型提供的建筑工程结构裂纹状态监测系统对建筑工程结构裂纹状态进行监测的操作过程。图3示出了采用本实用新型对建筑工程结构裂纹状态监测的方法的流程图。如图2所示，本实施例中，建筑工程结构是由两支柱62支撑梁面61构成的建筑钢筋混凝土梁，梁面61尺寸为长2. 6m，宽2. lm，厚0. Sm。本例中探头1采用一长方形的双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片，该复合材料是在PZT基体12上下表面以薄膜形式沉积NiTi形状记忆合金(NiTiSMA)而制备出双面沉积NiTiSMA薄膜11的PZT复合材料， 其尺寸为底面积=长IOmmX宽5mm= 50mm2、厚度0.3mm。在实际应用中，探头1的形状可为方形、圆形、椭圆形或其他任何规则或不规则的多边形。参见图1 图3，系统设置及具体操作步骤如下(1).首先将由两侧端部分别带有连接引线13的双面沉积NiTiSMA薄膜11的PZT 复合材料片构成的探头1固定贴附在被检测的建筑钢筋混凝土梁梁面61的下表面中心，通过粘接贴附即可，使其直接感受建筑结构内部在环境载荷力作用下由裂纹状态变化产生的应力信号，并通过自身的力-电转换特性转换为荷电信号。双面沉积MTiSMA薄膜的PZT 复合材料属于自发电式和机电转换式的传感材料，该材料受力后，通过自身的力-电转换特性转换为荷电信号，然后，将荷电信号传输到荷电放大器2，荷电放大器的功能是将输入的荷电信号转换为可处理的成比例输出电压信号，用作分析系统的输入变量，此时荷电信号经放大并转换为探头电压信号，再输入到低通滤波器3，经低通滤波将频率> IOOOHz的环境噪音去除，再将探头电压信号输入到数据采集卡4，数据采集卡的作用是将探头电压模拟信号转换为数字信号，即完成A/D转换，并将信号存入计算机系统5的数据库中，通过执行应变-频率关系曲线绘制程序，对存储的数据进行分析并绘制出对应某一时间的反映探头的力-电转换特性的应变-频率关系曲线，同时通过显示器51显示或通过打印机53打印输出。该关系曲线直接反映出建筑结构内部的裂纹状态变化情况。(2).以用步骤(1)的探头和方法测得的建筑工程结构在完好无裂纹状态的应变-频率关系曲线为基准曲线，将随时由步骤(1)中获得的所述应变-频率关系曲线与基准曲线进行比较，根据应变-频率关系曲线结构特征的相对变化，判断建筑工程结构内部的裂纹状态若特征峰位置移动且数量增多，说明建筑工程结构内部存在裂纹；如果特征峰位置、数量无变化，则说明在建筑结构内无裂纹。图如是对建筑钢筋混凝土梁在刚投入使用结构完好无裂纹状态测得的应变-频率关系曲线，图中，在频率2. 42566Hz、11. 98652Hz位置分别有特征峰，特征峰为表征建筑钢筋混凝土梁内部结构裂纹状态的曲线峰。当梁结构中出现裂纹时，应变-频率关系曲线上的特征峰存在状态(数量与位置)对应产生变化。图4b示出，在探头工作70天时，对建筑钢筋混凝土梁梁面61测得的应变-频率关系曲线。由此图可以看出，应变-频率关系曲线上的特征峰的数量与位置相对于图如产生了变化在频率2. 42566Hz、11. 98652Hz位置不存在特征峰，而在其他位置则出现多个特征峰，如3. 74874Hz、12. 19128Hz及22. 05141Hz 位置，即应变-频率关系曲线的特征峰的位置发生移动，且数量增加，曲线结构明显有别于无裂纹状态的曲线结构。分析结论图4b表示建筑钢筋混凝土梁内有裂纹。经对梁体结构采用超声波法测试并结合实际勘察，在梁面61以探头底面中心为原点的直径1. 8-2m、厚0. 32-0. 4m区域的2个位置出现裂纹。实施例2，本实施例与实施例1的系统、监测方法、工作原理均相同.不同点在于建筑钢筋混凝土梁的梁面61尺寸为长2. 8m,宽2. 2m,厚0. 8m。探头1采用的长方形双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片的尺寸为底面积 =长 IOmmX 宽 IOmm = 100mm2、厚度 0. 1mm。图fe是对建筑钢筋混凝土梁在刚投入使用结构完好无裂纹状态测得的应变-频率关系曲线，图中，在频率1. 44909Hz,5. 04032Hz、ll. 75025Hz、12. 38029Hz位置分别有特征峰。图恥示出了在探头工作130天时对建筑钢筋混凝土梁梁面61测得的应变-频率关系曲线，由此图可以看出，应变-频率关系曲线上的特征峰的数量与位置相对于图如产生了变化在频率1. 44909Hz,5. 04032Hz、11. 75025Hz、12. 38029Hz位置不存在特征峰，而在其他位置出现多个特征峰，如在频率3. 29196Hz,5. 76487Hz、12. 64806Hz,13. 38836Hz、 28. 58808Hz位置，即应变-频率关系曲线的特征峰的位置发生移动，且数量增加，曲线结构明显有别于无裂纹状态的曲线结构。分析结论图恥表示建筑钢筋混凝土梁内有裂纹。经对梁体结构采用超声波法测试并结合实际勘察，在梁面61以探头底面中心为原点的直径1. 7-1. 9m、厚0. 2-0. 3m区域的1个位置，及以探头底面中心为原点的直径 1. 2-1. 4m、厚0. 35-0. 39m区域的2个位置出现裂纹。综上所述，应用本实用新型提供的的建筑工程结构裂纹状态监测系统，可实现较大区域范围的大型建筑工程结构的裂纹状态的连续动态跟踪监测，监测范围可达到以探头底面中心为原点直径an，厚ο. ^!的区域范围，显著高于现有技术中的以探头底面中心为原点直径0. 2m，厚0. Im的区域范围。提高对建筑工程结构安全防护的效果。监测系统结构相比光纤系统简单，且成本低，宜于推广。以上内容并非对本实用新型的结构及其构件形状及材料作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种建筑工程结构裂纹状态监测系统，其特征在于包括由两侧端部分别带有连接引线的双面沉积MTiSMA薄膜的PZT复合材料片构成的探头、用于荷电信号放大并转换为探头电压信号的荷电放大器、滤除环境噪音的低通滤波器、完成探头电压信号A/D转换的数据采集卡以及由内置数据库的计算机及其外部设备构成的计算机系统，所述探头的引线连至荷电放大器的信号输入端，荷电放大器的信号输出端连接低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的信号输出端连接数据采集卡的数据输入端，数据采集卡的数据输出端连接计算机的数据输入端。
2.根据权利要求1所述的一种建筑工程结构裂纹状态监测系统，其特征在于所述探头的厚度为0. 1-0. 3mm、底面积为10-100mm2。
3.根据权利要求1或2所述的一种建筑工程结构裂纹状态监测系统，其特征在于所述外部设备包括显示器、键盘及打印机。
专利摘要本实用新型涉及一种建筑工程结构裂纹状态监测系统，其特征是包括由两侧端部分别带有连接引线的双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片构成的探头、用于荷电信号放大并转换为探头电压信号的荷电放大器、滤除环境噪音的低通滤波器、完成探头电压信号A/D转换的数据采集卡及内置应变-频率关系曲线绘制程序、数据库的计算机及外部设备构成的计算机系统，探头引线连至荷电放大器信号输入端，荷电放大器信号输出端连接低通滤波器信号输入端，低通滤波器的信号输出端连接数据采集卡的数据输入端，数据采集卡的数据输出端连接计算机的数据输入端。本实用新型的优点是探头综合力学性能高，检测范围增大，连续动态跟踪检测，结构简单成本低。
文档编号G01N27/00GK202216930SQ20112027259
公开日2012年5月9日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者高晓云 申请人:天津城市建设学院