一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置制造方法
【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强度监测装置，包括波形发生器（1）、驱动器（2）、传感器（3）、信号接收设备（4）、数字滤波器（5）、数字示波器（6）和模糊推理系统（7）；波形发生器（1）发出信号后依次经过驱动器（2）、传感器（3）、信号接收设备（4）、数字滤波器（5）、数字示波器（6）和模糊推理系统（7）。本实用新型在对混凝土结构抗压强度与应力波振幅相关关系分析的基础上，研究了利用压电陶瓷机敏模块实现混凝土抗压强度间接监测的原理、方法，论证了本实用新型的可行性和有效性，对于基于压电陶瓷材料的水工混凝土结构强度监测具有重要意义。
【专利说明】一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种监测水工混凝土强度指标的测试装置，具体涉及到一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置。
【背景技术】
[0002]挡水建筑物在承受上游巨大水压力的同时，还要承受着诸如地震、气候骤变、混凝土收缩破坏、老化、腐蚀等的破坏。大体积水工混凝土结构在浇筑过程中会产生大量的水化热，随着时间的推移，混凝土内部的温度会逐渐降低至一个相对稳定的值，在此期间，混凝土强度一直处于变化中，若温度控制不当极易导致裂缝的产生和发展。对于水工混凝土强度指标的监控，急切需要新材料及新技术的引入，达到实时、高效及准确的监测及控制。
[0003]压电陶瓷在土木、航天、建筑以及材料科学方面具有广泛的应用，范围涵盖与电学相关的传感器领域到与力学相关的结构、振动领域，应用前景广阔，并且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。压电陶瓷材料用于大体积水工混凝土结构监测和诊断，具有成本低廉、响应快、能耗低、灵敏度高等许多优点，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。因此，将压电陶瓷应用到大体积水工混凝土结构中，对水工混凝土强度指标的测试仍是一个空白。
实用新型内容
[0004]发明目的:本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可保证结构监测的有效性和长期性的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置。
[0005]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强度监测装置，包括波形发生器、驱动器、传感器、信号接收设备、数字滤波器、数字示波器和模糊推理系统；波形发生器发出信号后依次经过驱动器、传感器、信号接收设备、数字滤波器、数字示波器和模糊推理系统；
[0006]所述驱动器和传感器均为压电陶瓷机敏模块(CPSM，Concrete PZT SmartModule)，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的两端；
[0007]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。
[0008]借助本实用新型装置，通过在水工混凝土试块中安放压电陶瓷机敏模块对作为驱动器和传感器，采用波动法，收集混凝土试块在浇筑过程中的应力波振幅，应用模糊推理方法分析构建了混凝土试块强度与应力波幅值的数学关系模型，从而实现混凝土强度的间接监测。本实用新型装置除了混凝土压电陶瓷机敏模块之外，通常需要配备信号生成设备和信号采集设备等，其与混凝土压电陶瓷机敏模块构成一套结构监测系统，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监测。
[0009]制备机敏模块时，对于压电陶瓷片的外包混凝土来讲，其仅起到一个传递应力的作用，而非承力的主体，故在制作过程中无需加入粗集料和钢筋等材料，所述外包混凝土由水、细集料的水泥砂浆进行浇筑，这样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；对于压电陶瓷片需综合考虑其容易破坏的性质、压电陶瓷机敏模块接收和发射信号的应用性质等多种因素，并且，还要去除其表面的氧化膜，以保证压电陶瓷机敏模块具有良好的电荷传输功能；对于信号线，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，并且单组分硫化硅橡胶质地柔软，防水性好，且能够较好的避免压电陶瓷片埋入混凝土中可能出现的应力集中现象，基于上述两个方面的因素在压电陶瓷片外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶以达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片的效果，具体见附图3所示；应力、位移从压电陶瓷片向外层混凝土传递过程中沿极化方向上呈圆形等势面，故将压电陶瓷机敏模块的体型确定为圆柱形；压电陶瓷机敏模块放在水泥混凝土标准养护箱里养护28天后，压电陶瓷机敏模块中压电陶瓷片外包混凝土达到一定强度后，即可用于后续水工混凝土结构的强度和损伤监测。
[0010]基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置进行水工混凝土强度监测的方法，包括如下步骤:
[0011](1)建立混凝土水化过程中应力波振幅变化与强度的映射关系；混凝土为水泥、水、细砂掺合料，在硬化或水化的过程中其强度会随着时间的延长而逐渐变大，在浇筑起始阶段的强度增长最快，28`天后混凝土的强度开始趋于稳定，基于28天的混凝土强度f。'设计混凝土结构。应力波在混凝土中的传播沿极化方向可以看作一维纵向传播，具体见附图
4 ;微小单兀的波动方程可表不为/?:^.?/ζ +/?ρ^ρ?/ζ = 0，式中:σ为轴向应力；u为轴向
ozor
位移；A为微小单元截面积；P为混凝土密度；表征微小单元的应力差;Ap^~ck
ozor
表征微小区间的惯性力。忽略应变速度的影响，设E为混凝土弹性模量，ε为轴向应变，由
2 1 、2
虎克定律可得σ = Εε = -Ε—，由上述两公式可得2 ^ 2 ( cb = ^/0 )，式中:u为单兀
OZOZ Ch ( t,卜
位移出为介质材料的弹性模量；P是介质材料的密度。一定时间段内简谐波的能量可以表示为p = EA2%Ci式中:Ρ为简谐波的能量，Α为简谐波的振幅，ω为角频率；上式可以表示为
【权利要求】
1.一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置，其特征在于:包括波形发生器(I)、驱动器(2)、传感器(3)、信号接收设备(4)、数字滤波器(5)、数字示波器(6)和模糊推理系统(7);波形发生器(I)发出信号后依次经过驱动器(2)、传感器(3)、信号接收设备(4)、数字滤波器(5)、数字示波器(6)和模糊推理系统(7)； 所述驱动器(2)和传感器(3)均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器(2)和所述传感器(3)分别埋入在待测水工混凝土试件(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所述的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置，其特征在于:所述压电陶瓷机敏模块为圆柱形。
【文档编号】G01N27/00GK203519530SQ201320561604
【公开日】2014年4月2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, 田始光, 沈寿亮 申请人:河海大学