基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测系统及方法与流程

本发明涉及混凝土结构健康监测，特别涉及一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测系统及方法。

背景技术：

1、现有的混凝土结构设计与建造的研究已经比较成熟，而对于延长结构寿命提升结构耐久性方面，结构健康监测技术的研究仍有很大的发展空间发展。目前对混凝土结构损坏的研究中，裂缝成为了混凝土结构最常见的破坏因素，受外界环境和外荷载作用影响，混凝土结构中的微裂纹会逐渐发展成威胁结构安全和工作性能的宏观裂缝，因而在结构健康监测技术领域中，裂缝监测对提升工程结构耐久性与安全性至关重要。

2、传统结构裂缝检测方法为目测或借用直尺、游标卡尺和裂缝测宽仪检测，存在很大局限性且精准度不高。目前结构裂缝监测方法的研究向图像、应变传感、声波发射等方向发展，而应变传感方向最常见的有电阻式、光纤光栅式等方式，对于电阻式传感元件而言，金属电阻式应变片最为常见，但量程有限、易损坏的特性使其在监测裂缝开裂很快失效，无法满足现有的裂缝监测功能。

技术实现思路

1、为了解决目前裂缝测量技术在实时性和精准度均存在明显不足的技术问题，本发明提供一种能够实时对裂缝进行识别、分析测量与预警的基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测系统及方法。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

3、一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测系统，包括柔性应变传感元件、电信号采集仪和电信号解析模块。

4、所述的柔性应变传感元件设置于待测结构处以监测结构的应变变形与裂缝。

5、所述的电信号解析模块通过电信号采集仪来与柔性应变传感元件通信连接，并根据待测结构从连续应变到裂缝出现及扩展过程中的工作特征及输出信号变化规律，分析输入的电信号并判别结构应变扩展程度及是否存在裂缝。

6、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测系统，所述的柔性应变传感元件通过以下步骤制备：

7、将石墨烯质量分数为2～10％的石墨烯-水性聚氨酯导电复合材料混合干燥后得到0.15～0.55mm厚度的薄片，并裁切出边长为100mm×10mm的薄片，然后将铜箔电极通过导电银胶固定在薄片应变方向的两端，进行封装后得到柔性应变传感元件。其中柔性应变传感元件封装后的形状与待测结构的形状相匹配。柔性应变传感元件粘贴于待测结构的表面或预埋于待测结构内。

8、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测系统，所述的电信号解析模块包括参数输入单元、应变-裂缝监测单元和信号输出单元。

9、所述的参数输入单元用于输入基本参数和阈值控制参数。

10、所述的应变-裂缝监测单元用于对待测结构进行应变监测、裂缝捕捉和裂缝宽度监测。

11、所述的信号输出单元用于输出应变-裂缝监测单元所传输的应变信息、开裂时刻和裂缝宽度监测信息至上位机。

12、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测系统，所述的应变-裂缝监测单元进行应变监测，是在结构开裂前，根据柔性应变传感元件随待测结构应变而产生响应电信号来计算并得到应变信息ε：

13、

14、其中，r0、k为柔性应变传感元件的初始电阻和灵敏系数，δr为监测过程中当前电阻与初始电阻的差值。

15、所述的应变-裂缝监测单元进行裂缝捕捉，是当应变速率发生突变时，即某一信号采集时间步长内应变速率同时大于前后两个采集时间步长的应变速率，或者短期内应变变化大于预设阈值，则将突变按顺序依次记录为第i＝1,2,…,n次开裂并进行预警，同时记录第i次突变瞬间应变εi、电信号ri和突变前后的电信号ri-与ri+，并根据下式计算得到裂缝初始开裂宽度lwi：

16、

17、其中l0为柔性应变传感元件的初始长度。

18、所述的应变-裂缝监测单元进行裂缝宽度监测，是利用柔性应变传感元件的总应变ε计算得到的总长度l减去未开裂段应变所对应长度lm，从而得到裂缝区域的总长度lw，然后再减去裂缝区初始宽度lwi，得到裂缝宽度wi和第i次开裂后到下次开裂前对应时刻的裂缝开展宽度xi：

19、w1＝0

20、

21、第i次开裂后对应时刻总裂缝宽度w：

22、w＝xi+wi

23、其中t为待测结构应力松弛系数。

24、当输出的总裂缝宽度w大于预设的最大裂缝阈值wmax时，发出最大裂缝宽度预警。

25、一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测方法，包括以下步骤：

26、步骤1，测定柔性传感元件的几何参数、灵敏系数、结构应力松弛系数和初始电阻，并设定裂缝宽度阈值。

27、步骤2，将柔性传感元件设置于待测结构处，柔性传感元件两端的电极顺应变方向设置，以采集待测结构发生的应变。

28、步骤3，根据柔性传感元件因待测结构应变而生成并发送的电信号，处理得到待测结构的应变信息。

29、步骤4，从电信号中捕捉待测结构裂缝开裂信号，并对每次裂缝开裂瞬间进行标记，发出裂缝开裂预警。

30、步骤5，输出总裂缝宽度信号，当达到裂缝宽度阈值时发出极限裂缝宽度预警。

31、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测方法，所述的步骤1中，柔性应变传感元件是通过以下步骤制备：

32、将石墨烯质量分数为2～10％的石墨烯-水性聚氨酯导电复合材料混合干燥后得到0.15～0.55mm厚度的薄片，并裁切出边长为100mm×10mm的薄片，然后将铜箔电极通过导电银胶固定在薄片应变方向的两端，进行封装后得到柔性应变传感元件。其中柔性应变传感元件封装后的形状与待测结构的形状相匹配。

33、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测方法，所述的步骤2中，将柔性传感元件设置于待测结构处，是柔性应变传感元件粘贴于待测结构的表面或预埋于待测结构内。

34、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测方法，所述的步骤3包括：

35、在结构开裂前，根据柔性应变传感元件随待测结构应变而产生响应电信号来计算并得到应变信息ε：

36、

37、其中，r0、k为柔性应变传感元件的初始电阻和灵敏系数，δr为监测过程中当前电阻与初始电阻的差值。

38、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测方法，所述的步骤4包括：

39、当应变速率发生突变时，即某一信号采集时间步长内应变速率同时大于前后两个采集时间步长的应变速率，或者短期内应变变化大于预设阈值，则将突变按顺序依次记录为第i＝1,2,…,n次开裂并进行预警，同时记录第i次突变瞬间应变εi、电信号ri和突变前后的电信号ri-与ri+，并根据下式计算得到裂缝初始开裂宽度lwi：

40、

41、其中l0为柔性应变传感元件的初始长度。

42、所述的一种基于大量程应变传感元件的结构裂缝识别监测方法，所述的步骤5包括：

43、第i次开裂后对应时刻总裂缝宽度w：

44、w＝xi+wi

45、其中t为待测结构应力松弛系数。

46、当输出的总裂缝宽度w大于预设的最大裂缝阈值wmax时，发出最大裂缝宽度预警。

47、本发明的技术效果在于，本发明借助纳米高分子导电复合材料的研究，通过制备大量程、易塑形、不易损坏的柔性应变传感元件，并利用柔性传感器量程大的特点，实现从应变到裂缝的连续监测，通过采集结构开裂瞬间的能量释放及结构应变松弛产生的突变信号进行裂缝识别。解析传感元件输出的测距范围内裂缝扩展及结构应变的连续信号特征，实现对裂缝宽度的连续监测。为工程结构提供一种更准确、可靠和实用的实时裂纹监测和表征方法。