一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法技术

本发明专利技术提出一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，包括信号发射面、信号发射阵列、信号接收面和信号接收阵列；信号发射阵列包括信号发生器和压电信号发射阵列，发射阵列包括在信号发射面按发射阵形并联的压电智能骨料单元，信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接；信号接收阵列包括波形分析器和压电信号接收阵列，压电信号接收阵列包括在信号发射面按接收阵形并联的压电智能骨料单元，波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接；信号发射面与接收面平行；发射阵形与接收阵形相同；本发明专利技术针对大体积或管状混凝土结构设计，能以较低的成本、较高的监测效率实现基于压电智能骨料技术的混凝土结构监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及混凝土结构监测领域，尤其是一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法。
技术介绍
随着我国社会经济的不断发展，各种大型复杂工程结构不断涌现，土木工程结构健康监测技术逐渐成为学术界的研究热点。传统的土木工程结构无损健康监测方法有声发射法与超声波法。声发射也称为应力波发射，结构在受力过程中会释放出能量，一些结构破坏过程都伴随着声能的释放，换能器可将接收到的声信号转换成电信号进行分析，通过监测和记录这种声波便可得到结构中缺陷和损伤的发生及发展状况，并确定他们所在位置。声发射法需要进行连续监测，易受环境噪音干扰。超声波方法是一种主动监测方法，利用超声波探头发射与接收超声波，对进行监测的位置进行扫描，检测虽然简单方便，但是精确度不高，尤其对于结构复杂或体积较大的混凝土结构的检测结果不够精准。近十几年来，智能材料结构在工程领域中的成功应用，为实现真正意义上的结构健康监测提供了有效的途径。伴随着基于智能结构的思想发展起来的现场实时在线健康监测技术成果日益突出，使得基于压电智能材料对大体积或管状混凝土结构的健康监测成为可能。为此，研发一种高效、便捷的针对大体积或管状混凝土结构健康监测的新方法是十分必要的。由于混凝土结构中，应力波传播较为复杂，给接收端的分析带来困难，虽可用计算中心来进行复杂计算，但这给监测工作带来很大不便，不利于快速监测，如果能对特定的常用结构来设计发射端和接收端，将能大大提升利用压电陶瓷监测混凝土结构的工作效率。公开号CN102937646的专利中提出一种用于混凝土结构的健康监测系统，采用了压电陶瓷技术，但该方案中，接收端、发射端的结构缺乏优化，实际应用中很容易使得应力波路径、分析和收发作业复杂化，使得该方案中应力波分析需采用远端数据中心来进行，降低了工作效率，而且大大提升了监测成本。
技术实现思路
本专利技术提出一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，针对大体积或管状混凝土结构设计，能以较低的成本、较高的监测效率实现基于压电智能骨料技术的混凝土结构监测。本专利技术采用以下技术方案。一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，用于大体积或管状混凝土结构健康监测，所述传感器阵列包括信号发射面、信号发射阵列、信号接收面和信号接收阵列。所述信号发射阵列包括信号发生器和压电信号发射阵列，所述压电信号发射阵列包括在信号发射面上按发射阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接。所述信号接收阵列包括波形分析器和压电信号接收阵列，所述压电信号接收阵列包括在信号发射面上按接收阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接。所述信号发射面与所述信号接收面平行；所述发射阵形与接收阵形的形状相同且大小相同。所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射应力波。所述压电信号发射阵列的信号发射端由埋有压电陶瓷片的压电智能骨料单元并联形成，所述压电信号接收阵列的信号接收端由埋有压电陶瓷片的压电智能骨料单元并联形成。所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的轴向方向一致。所述压电信号发射阵列中的信号发射端的压电陶瓷片以PZT-4成型，所述压电信号接收阵列中的信号接收端的压电陶瓷片以PZT-4成型。所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射高频应力波。所述信号发生器包括可发射波形信号的函数发生器和用于放大信号的压电陶瓷驱动电源。所述信号发生器与压电信号发射阵列以总支屏蔽导线电性连接，所述波形分析器与压电信号接收阵列以总支屏蔽导线电性连接。所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号发射阵列，压电信号发射阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与信号发生器相连。所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号接收阵列，压电信号接收阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与波形分析器相连。所述压电智能骨料单元均包括钢模和设于钢模内的饼状压电陶瓷片，钢模设有导线孔，屏蔽导线通过钢模导线孔与饼状压电陶瓷片相连固定，进而将压电智能骨料单元并联，作为压电信号发射阵列的信号发射端或压电信号接收阵列的信号接收端，钢模内设有环氧树脂层用于保护内部压电陶瓷片。本专利技术中，所述传感器阵列包括信号发射面、信号发射阵列、信号接收面和信号接收阵列；所述信号发射阵列包括信号发生器和压电信号发射阵列，所述压电信号发射阵列包括在信号发射面上按发射阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接；所述信号接收阵列包括波形分析器和压电信号接收阵列，所述压电信号接收阵列包括在信号发射面上按接收阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接；所述信号发射面与所述信号接收面平行；所述发射阵形与接收阵形的形状相同且大小相同；所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射高频应力波；该设计针对大体积或管状混凝土结构健康监测进行优化，由于大体积或管状混凝土结构中，高频波的传播指向性很强，因此本专利技术采用相互对应的压电信号发射阵列和压电信号接收阵列，使得阵列内的发射端和接收端易于对应，大大简化了应力波信号的分析工作，在本案中，仅用简易的波形分析器即可完成应力波信号的分析，大大降低了监测成本，也提升了监测效率。本专利技术中，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接；所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接；该设计可以保证在个别支路发生损伤时，整体监测不受影响，大幅度改善了传统连续一体式压电陶瓷易发生局部脆性破坏，而导致传感器整体失效的弊端。同时，阵列内的压电智能骨料单元通过并联可实现在总支路的单个接电点同时驱动各支路单元，对原混凝土结构的干扰小，布置方式灵活，监测范围大，可随不同使用工况自由布局，节约设备成本。本专利技术中，所述压电信号发射阵列中的信号发射端的压电陶瓷片以PZT-4成型，所述压电信号接收阵列中的信号接收端的压电陶瓷片以PZT-4成型；该设计中，PZT-4是中功率发射、接收两用型压电陶瓷，能使得本专利技术的所有压电智能骨料单元均能采用同样结构设计，便于批量生产，而且发射端和接收端易于匹配。本专利技术中，所述压电智能骨料单元均包括钢模和设于钢模内的饼状压电陶瓷片，钢模设有导线孔，屏蔽导线通过钢模导线孔与饼状压电陶瓷片相连固定，进而将压电智能骨料单元并联，作为压电信号发射阵列的信号发射端或压电信号接收阵列的信号接收端，钢模内设有环氧树脂层用于保护内部压电陶瓷片；所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号发射阵列，压电信号发射阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与信号发生器相连；所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接时，所述压电智能骨料单元先以屏蔽导线并联为压电信号接收阵列，压电信号接收阵列内的一个压电智能骨料单元再通过总支屏蔽导线与波形分析器相连；该设计在提高传感器整体强度的同时，能保证在个别支路发生损伤时，整体监测不受影响，大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，用于大体积或管状混凝土结构健康监测，其特征在于：所述压电智能骨料传感器阵列包括信号发射面、信号发射阵列、信号接收面和信号接收阵列；所述信号发射阵列包括信号发生器和压电信号发射阵列，所述压电信号发射阵列包括在信号发射面上按发射阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接；所述信号接收阵列包括波形分析器和压电信号接收阵列，所述压电信号接收阵列包括在信号发射面上按接收阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接；所述信号发射面与所述信号接收面平行；所述发射阵形与接收阵形的形状相同且大小相同；所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射应力波。

【技术特征摘要】
1.一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，用于大体积或管状混凝土结构健康监测，其特征在于：所述压电智能骨料传感器阵列包括信号发射面、信号发射阵列、信号接收面和信号接收阵列；所述信号发射阵列包括信号发生器和压电信号发射阵列，所述压电信号发射阵列包括在信号发射面上按发射阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述信号发生器与压电信号发射阵列间以并联方式电性连接；所述信号接收阵列包括波形分析器和压电信号接收阵列，所述压电信号接收阵列包括在信号发射面上按接收阵形并联排列的压电智能骨料单元，所述波形分析器与压电信号接收阵列间以并联方式电性连接；所述信号发射面与所述信号接收面平行；所述发射阵形与接收阵形的形状相同且大小相同；所述压电信号发射阵列经被监测的混凝土结构向压电信号接收阵列发射应力波。2.根据权利要求1所述的一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，其特征在于：所述压电信号发射阵列的信号发射端由埋有压电陶瓷片的压电智能骨料单元并联形成，所述压电信号接收阵列的信号接收端由埋有压电陶瓷片的压电智能骨料单元并联形成。3.根据权利要求2所述的一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，其特征在于：所述压电陶瓷片的极化方向与压电陶瓷片的轴向方向一致。4.根据权利要求2所述的一种用于结构监测的压电智能骨料传感器阵列及使用方法，其特征在于：所述压电信号发射阵列中的信号发射端的压电陶瓷片以PZ...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜绍飞，佟思逸，张浩，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35