一种钢筋混凝土结构健康监测系统

1.土木工程结构健康监测领域。


背景技术：

2.快速检测和精准诊断钢筋混凝土结构内部损伤一直是土木工程领域的难题。研发与混凝土结构兼容、适用于复杂非线性环境的新型智能传感设备和监测系统，对处于服役期的土木工程结构内部损伤进行健康监测和诊断已成为未来发展的重要方向。
3.压电陶瓷传感器在结构健康监测中应用广泛，该可植入式传感模块是由压电陶瓷球壳和高强保护材料构成。
4.最接近现有技术之一：外贴式压电片。布设于结构表面，为系统采集和感应到的结构信息很局限，传感器与混凝土材料不融合。
5.最接近现有技术之二：嵌入式智能骨料。采用高强材料包裹、保护压电片，完全预埋于混凝土结构中，构建监测系统后一旦传感单元发生故障，易损难更换，导致整个监测系统失效甚至瘫痪。
6.在土木工程结构健康监测领域现有的传感器存在与混凝土不融合、易损难更换等问题，以及缺乏能长期稳定运转的智能监测系统。


技术实现要素：

7.本发明目的在于克服现有技术不足，公开一种智能监测系统，应用于钢筋混凝土结构。
8.技术方案
9.一种由植入式压电传感模块构建的钢筋混凝土结构健康监测系统，其特征在于，包括众多模块预先植入墙体中，分布于不同的剪力墙待测区域中，众多模块可以作为系统的信号接受单元，也可以作为系统的信息发生单元；各个模块同时与结构外部的多功能压电信号检测与分析系统、信号调制放大器相连接，如此构建监测系统。系统工作流程：通过多功能压电信号检测与分析系统产生检测信号，该信号经调制放大器放大后，施加于压电传感模块a(发射信号模块)作为混凝土结构探伤的输入信号。信号在剪力墙等待测结构中多向传输，则在损伤位置处发生散射和反射，并将携带损伤信息继续在结构中中传输，通过压电传感模块b(接收信号模块)接收这些携带损伤信息的信号后传输给多功能压电信号检测与分析系统，所述多功能压电信号检测与分析系统对该输出信号与输出的探测信息进行前后对比分析，最终确定损伤的位置和损伤的程度。
附图说明
10.图1：“球棍式”压电传感单元图
11.图2：压电球壳空间阵列图
12.图3：压电传感模块组装图
13.图4：植入式压电传感模块示意图
14.图5：压电传感模块与监测系统连接图
15.图6：监测系统场景示意图
16.图7：本发明监测系统工作原理示意图
17.数字标记：1
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环氧树脂胶，2—压电球壳，3—铜管，4—导线，5—灌浆料基质，6—金属把手，7—航空公插头，8—端板，9—压电传感模块，10—航空母插头，11—监测显示系统，12—bnc接口，13—墙体，14—损伤裂缝，15—预留洞口
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明技术方案做进一步说明。
19.首先，本发明将医学领域植入式医疗电子设备概念引入到土木工程领域，并结合第三代智能骨料可三维工作的性能优势，研发可在梁、板、墙等混凝土结构中可植入的压电传感模块，同时与外部电子设备共同构成长期智能监测系统。本发明借鉴生物医学中电子设备可植入式的思路，公开一种与混凝土材料融合、结构统一、生命周期兼容的可植入式传感模块，与外部设备共同组成能实现在钢筋混凝土结构中长期稳定工作的智能监测系统，以便于将来实现对钢筋混凝土结构内部损伤的智慧诊断和三维成像深层次应用。
20.如图3、图4所示，所述可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感模块，该模块包括若干“球棍式”压电传感单元、灌浆料基质(5)和航空公插头(7)，其中：若干传感单元(举例6组单元，如图2所示)在三维空间上均匀对称分布，灌浆料(5)作为基质将若干“球棍式”压电传感单元浇筑封装成一方形模块，若干“球棍式”压电传感单元的金属铜管(3)中的导线(4)汇集并连接至航空公插头(7)；通过航空公插头(7)可以实现可植入式传感模块(9)接入外部系统。技术方案还可以包括端板(8)，安装于方形模块接合面；所述方形模块包括5个嵌入面，一个接合面，通过接合面与端板(8)固结；传感模块(9)植入墙体中，可以通过航空公插头(7)与外部监测系统相连。技术方案还可以包括金属把手(6)，安装于端板(8)外侧，方便施工时操作。端板(8)可以选择塑料板，其上安装金属把手(6)和航空公插头(7)，可以理解为模块对外部设备的接口。传感模块(9)通过植入式的方式插入混凝土结构中，灌浆料作为模块保护层，灌浆料的强度高(抗压强度≥80gpa)，密实性好，与实际混凝土材料性能相似，界面相融，能起到保护压电球壳(2)的作用。上述与混凝土材料融合、结构统一、生命周期兼容的可植入式传感模块，从根本上解决土木工程结构健康监测领域传感器与混凝土材料不融合、易损难更换等问题。
21.第二，为实现上述可植入式传感模块，本发明需要研发一种能用于混凝土结构的最新的智能骨料(第三代智能骨料)，能向空间均匀激发或者感应能量信号的传感单元，由压电球壳、环氧树脂胶和高强保护材料构成。本发明中第三代智能骨料采用压电球壳替代传统只能在一维方向工作的压电片(即第一代、第二代)，同时采用超高性能混凝土作为保护层。相较于前两代智能骨料，该骨料可向空间均匀激发能量信号，以及从空间各个方向接收获得信息，在三维方向工作，大幅提高智能骨料的实用性。所述一种可向空间均匀激发或者感应能量信号的传感单元，为所述可植入式传感模块的基本组成部分。进一步的，众多的可植入式传感模块应用时可以成对的插入墙体，同时兼具传感和激发两种应用功能。
22.如图1所示，一种可植入钢筋混凝土结构的压电陶瓷传感单元，包括压电球壳(2)、
金属铜管(3)、导线(4)、保护层(1)，压电球壳(2)采用压电陶瓷(pzt)球壳；压电球壳(2)与金属铜管(3)一端相连，导线(4)穿过金属铜管(3)与压电球壳(2)相连，保护层(1)包裹在压电球壳(2)最外层，共同构成“球棍式”压电传感单元；所述保护层(1)，选择要求：交界面处胶体与原材料相适配。举例而非限定，压电球壳外表面用环氧树脂ab胶封裹，ab胶硬化后强度高(抗拉强度≥13kg/cm2,抗压强度≥17kg/cm2)，弹性模量大(22～35gpa)，从而既保护压电球壳防水绝缘，又保证构建的嵌入的压电传感单元，与土木结构领域的灌浆料和混凝土的声阻抗更匹配，从而增强透射波，减少反射信号。上述技术方案一种传感单元，为嵌入土木结构(墙、梁、柱、楼板等)的压电传感单元，具有应力波探伤功能。它既可以作为主动探测装置向结构中发射应力波探测混凝土损伤，又可以作为被动接收装置接收结构动力响应信号，监测结构多种动力参数的变化。
23.第三，构建监测系统。众多模块预先植入墙体中，分布于不同的剪力墙待测区域中，众多模块可以作为系统的信号接受单元，也可以作为系统的信息发生单元；各个模块同时与结构外部的多功能压电信号检测与分析系统、信号调制放大器相连接，如此构建监测系统。系统工作流程(如图6、图7所示)：
24.通过多功能压电信号检测与分析系统产生检测信号，该信号经调制放大器放大后，施加于压电传感模块a(发射信号模块)作为混凝土结构探伤的输入信号。信号在剪力墙11等待测结构中多向传输，则在损伤位置处发生散射和反射，并将携带损伤信息继续在结构中中传输，通过压电传感模块b(接收信号模块)接收这些携带损伤信息的信号后传输给多功能压电信号检测与分析系统，所述多功能压电信号检测与分析系统对该输出信号与输出的探测信息进行前后对比分析，最终确定损伤的位置和损伤的程度。所述多功能压电信号检测与分析系统用于对探测信息的分析，为本领域已有系统，例如选择sc
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hy
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pzt
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2.0型号的成熟系统。监测系统还可以包括监测显示系统11，用于显示数据和监测结果，可植入式传感模块(9)通过bnc接口12接入外部系统，可植入式传感模块(9)插入墙体11中预留洞口15中，用于探测和捕捉损伤裂缝14。
25.本发明的关键点和保护点
26.本发明提出一种可用于对钢筋混凝土结构内部损伤诊断的植入式压电传感模块及监测系统，它的创新点在于“可植入式”，既能插入到结构内部，使传感器与混凝土结构相融合，长期稳定工作，又能安全拔出，便于定期更换维修。它具有以下几个关键点：
27.(1)模块与混凝土结构相融合。灌浆料作为模块的基质，一方面它自密实、高强度，防止压电陶瓷球脆性破坏；另一方面它与工程中混凝土材料相似，声阻抗匹配，应力波在交界面处的反射弱、透射强，相较于传统的传感器能探测的范围更远。
28.(2)模块可以“插拔”工作。可插拔式的设计便于模块在长期监测使用中更换维修，解决了目前传感器不能更替的问题。
29.(3)模块以阵列形式植入结构。阵列布设可以增强激励信号，同时，应力波在空间中更加分散，利于探测不同位置的缺陷以及实现损伤成像。
30.(4)压电小球的位置固定。浇筑混凝土时需将小球定位，常用的拉线法不能完全将小球固定。该发明提出“定位屏蔽”一体式的双功能设计方法，用铜管固定小球，同时屏蔽噪声。
31.(5)压电传感模块与外部设备可构建多通道数据采集模式。
32.实施例
33.为解决土木工程结构健康监测领域传感器与混凝土不融合、易损难更换，缺乏能在钢筋混凝土结构中长期稳定运转的智能监测系统等问题，本发明研发一种可用于对钢筋混凝土结构内部损伤诊断的植入式压电传感模块及监测系统。该植入式模块由压电陶瓷(pzt)球壳、金属铜管、灌浆料、端板、金属把手、航空插头组成。压电球壳与铜管相连，构成“球棍式”压电传感单元，6组单元在空间上对称分布，灌浆料作为基质浇筑封装成一方形模块，保护压电传感单元。将两对或以上的传感模块植入钢筋混凝土结构中，同时与外部的电子设备相连接，利用主动传感方式，一个模块激发探测信号，其他模块接收响应信号，通过对响应信号中由裂缝缺陷造成的损伤散射信号进行提取和分析，为将来对钢筋混凝土结构损伤成像提供数据源。
34.本发明实施例优点
35.(1)模块中嵌入的压电传感单元具有应力波探伤功能。它既可以作为主动探测装置向结构中发射应力波探测混凝土损伤，又可以接收结构动力响应信号，监测结构多种动力参数的变化。
36.(2)该模块具有智慧诊断、损伤成像功能。该模块中六个小球排成阵列同时工作，通过波的叠加方式，能激发出穿透性更强的应力波，减少信号在波场中的衰减，扩大在混凝土中的监测范围。为将来实现钢筋混凝土结构的损伤成像提供数据源。
37.(3)该模块可以通过植入式的形式与混凝土材料表面融合。传感器模块具有良好的机电耦合性能，同时，具备定期更换维修的功能，更具较强的工程应用性。
38.(4)6个压电小球列阵为空间体，具有三维方向的工作能力。
39.(5)灌浆料自密实、高强度，作为模块基质，起到保护压电球壳的作用。
40.(6)交界面处胶体与原材料相适配。压电球壳外表面用环氧树脂ab胶封裹，ab胶硬化后强度高，弹性模量大，与灌浆料和混凝土的声阻抗更匹配，从而增强透射波，减少反射信号。
41.(7)由此构建的智能传感系统具有与混凝土结构相融合，监测方式简便，能长期稳定运转等优点。