一种自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测装置，涉及土木结构加固监测技术。本装置是：复合在自感知碳纤维布上的成对压电材料传感器分别与NI信号采集卡连接，NI信号采集卡与评定系统连接，获得监测加固结构损伤和病害的能力；复合在自感知碳纤维布上的多芯光纤与多芯光纤耦合器相连，多芯光纤耦合器、光开关、分布式光纤布里渊传感系统和评定系统依次连接，获得监测土木结构应力变化、弯曲变化和温度变化的能力。本实用新型专利技术在加固土木结构的同时，长期提供加固结构的服役状态，有效提高监测效率，施工便捷，成本低廉；广泛适用于混凝土建筑物及桥梁的梁、柱、面板加固与监测，隧道、港湾设施、烟囱、仓库、厂房的加固与监测。

A Self-sensing Carbon Fiber Reinforcement and Multi-parameter Synchronized Monitoring Device

The utility model discloses a structure reinforcement and multi-parameter synchronous monitoring device based on self-sensing carbon fiber cloth, which relates to the monitoring technology of civil structure reinforcement. The device is composed of a pair of piezoelectric sensors on self-sensing carbon fiber cloth connected with NI signal acquisition card, a NI signal acquisition card connected with the evaluation system to obtain the ability to monitor the damage and disease of the reinforced structure, a multi-core optical fiber on self-sensing carbon fiber cloth connected with a multi-core optical fiber coupler, a multi-core optical fiber coupler, an optical switch and a distributed optical fiber Brillouin transmission. Sensor system and evaluation system are connected in turn to acquire the ability to monitor the stress, bending and temperature changes of civil structures. The utility model provides the service state of the reinforced structure for a long time while reinforcing the civil structure, effectively improves the monitoring efficiency, is convenient to construct and has low cost; it is widely applicable to the reinforcement and monitoring of beams, columns and slabs of concrete buildings and bridges, the reinforcement and monitoring of tunnels, harbour facilities, chimneys, warehouses and factory buildings.

【技术实现步骤摘要】
一种自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测装置
本技术涉及土木结构加固监测技术，尤其涉及一种基于自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测装置。
技术介绍
虽然土木结构在设计阶段就被要求在正常使用条件下、在预定使用时间内严格满足设计所赋予的功能需求，但是处于自然环境中的土木结构在服役过程中会不断受到各种不确定因素的影响，比如地震、火灾和台风等偶然荷载，土木结构地基的不均匀沉降及屋面荷载超载等。这些情况的发生严重威胁了结构的安全性、适用性和耐久性。此外，许多需要改变建筑用途的和已经接近或达到设计使用年限的土木结构也迫切需要进行维修加固。针对这些情形，碳纤维增强材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP）因其轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、对结构影响小等优点在工程加固领域被广泛采用。与此同时，对土木结构的健康状况进行实时监测，及时发现和评估其损伤的位置、类型和程度，预测其承载能力和剩余寿命，提供设计维护方案的依据，对提高土木结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极大意义。压电材料机电特性优良、体积小、重量轻、造价低、响应快、灵敏度高、使用寿命长，其压电效应可用于土木结构局部关键点的损伤检测；多芯光纤体积小，不会影响土木结构本身的特点，可以在恶劣的自然条件下正常工作，具有较大的传感范围，测量多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，可解调出大型土木结构内的应力、弯曲以及温度等的变化。如果同时利用压电材料和光纤传感器的特点，点面结合，可及时全面地判断出加固结构局部碳纤维布脱落、空隙等缺陷，以及加固主体内部孔洞、裂纹等损伤类型，实时掌握整体结构的应力、应变、温度和结构振动等内部状态，从而全面掌握土木结构的健康状况。
技术实现思路
本技术的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测装置。具体地说，本技术在实现结构加固的同时，利用集成在碳纤维材料上的压电材料和光导纤维的配合，通过分析位置相对的两个压电传感器之间压电应力导波传播性能，识别出土木结构损伤的发生，同时通过分析多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，解调出土木结构服役力学环境，进一步判断出土木结构损伤具体类型。该技术能够准确迅速地提供土木结构全面立体的健康信息，为加固结构的长期安全服役提供保障。该技术可以拓展碳纤维布的功能，并减少铺设传感器的冗杂工序。为了解决上述技术问题，本技术所采用的技术方案是：一、自感知碳纤维布包括工作对象——土木结构；设置有第1、2压电材料传感器，多芯光纤和碳纤维布；第1、2压电材料传感器通过环氧树脂粘结集成在碳纤维布上，或者编织在碳纤维布内并通过环氧树脂粘结固定，多芯光纤13被编织在碳纤维布内；自感知碳纤维布通过环氧树脂浸渍胶粘结在土木结构上进行加固，并使第1、2压电材料传感器分别位于土木结构监测点两侧相对位置，使多芯光纤位于土木结构受力敏感方向。二、自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测装置（简称装置）包括自感知碳纤维布、NI信号采集卡、多芯光纤耦合器、光开关、分布式光布里渊传感系统和评定系统；其连接关系是：复合在自感知碳纤维布上的第1、2压电材料传感器分别通过线缆与NI信号采集卡连接，NI信号采集卡与评定系统连接，获得识别土木结构损伤的能力；复合在自感知碳纤维布上的多芯光纤与多芯光纤耦合器相连，多芯光纤耦合器、光开关、分布式光纤布里渊传感系统和评定系统依次连接，获得监测土木结构应力变化、弯曲变化和温度变化的能力。三、自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测方法（简称方法）本方法包括以下步骤：①将自感知碳纤维布通过环氧树脂浸渍胶粘结在土木结构表面进行加固，并使成对的压电材料传感器分别位于被加固土木结构监测点两侧相对位置，两个压电材料传感器分别作为监测装置的信号驱动器和信号接收器；②将成对的压电材料传感器分别通过线缆连接到NI信号采集卡，NI信号采集卡与评定系相连，将多芯光纤与多芯光纤耦合器相连，多芯光纤耦合器、光开关、分布式光纤布里渊传感系统及评定系统依次相连；③评定系统通过线缆控制NI信号采集卡产生一定频段的激励电压信号，并通过NI信号采集卡输出到作为信号驱动器的压电材料传感器，压电材料传感器发生机械振动，产生压电应力波，并在土木结构内部及表面传播；应力波响应信号被土木结构另一侧表面的压电材料传感器接收并转化为电压信号，经线缆传输到NI信号采集卡的输入端，NI信号采集卡将接收到的电压信号转化为数字信号，并传输到评定系统；④自感知碳纤维布投入使用初期，对应力波响应信号及其衰减规律进行首次采集，在评定系统内定义土木结构健康状态下所测得的应力波响应信号为基准信号；通过监测土木结构后续服役不同时期的应力波响应信号，由评定系统将其与土木结构健康状态下的应力波响应信号对比分析来识别土木结构损伤的发生，评估土木结构的损伤程度；⑤利用光开关切换，分布式光纤布里渊传感系统测量多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，通过评定系统解调出土木结构的应力变化、弯曲变化和温度变化，并由此进一步判断出损伤的具体类型。与现有技术相比，本技术具有下列优点和积极效果：①现有的碳纤维布只能实现对土木结构的加固，而不具有监测功能；本技术将压电材料传感器和传感光纤维复合在碳纤维布内成为自感知碳纤维布，拓展了碳纤维布的功能。②碳纤维布和压电材料传感器以及多芯光纤的复合材料，只需要一次施工即可实现加固和监测的目标，操作简单易行，有效降低施工成本。③单纯使用压电材料传感器只能对结构损伤的发生进行监测，单纯使用多芯光纤只能对结构力学环境进行监测，配合使用可更全面掌握加固结构服役状态，进一步判断出损伤的种类，给设计维修方案提供依据。④本技术填补现有土木结构加固和监测复合技术的空缺，该装置具有加固性能良好，能长期在线地监测加固结构表面及内部损伤，实时掌握结构的弯曲、应变以及环境温度等优点。总之，本技术在加固土木结构的同时，长期提供加固结构的服役状态，有效提高监测效率，施工便捷，成本低廉；广泛适用于混凝土建筑物及桥梁的梁、柱、面板加固与监测，隧道、港湾设施、烟囱、仓库、厂房的加固与监测。附图说明图1为自感知碳纤维布的结构示意图；图2为本装置的结构方框图；图3为本方法的监测流程图。图中：10—自感知碳纤维布，11—第1压电材料传感器，12—第2压电材料传感器，13—多芯光纤，14—碳纤维布，15—土木结构；20—NI信号采集卡；30—多芯光纤耦合器；40—光开关；50—分布式光纤布里渊传感系统；60—评定系统。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明：一、自感知碳纤维布101、总体如图1，自感知碳纤维布10包括工作对象——土木结构15；设置有第1、2压电材料传感器11、12，多芯光纤13和碳纤维布14；第1、2压电材料传感器11、12通过环氧树脂粘结集成在碳纤维布14上，或者编织在碳纤维布14内并通过环氧树脂粘结固定，多芯光纤13被编织在碳纤维布14内；自感知碳纤维布10通过环氧树脂浸渍胶粘结在土木结构15上进行加固，并使第1、2压电材料传感器11、12分别位于土木结构15监测点两侧相对位置，使多芯光纤13位于土木结构15受力敏感方向。2、功能部件1）第1、2压电材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自感知碳纤维布（10），包括工作对象——土木结构（15）；其特征在于：设置有第1、2压电材料传感器（11、12），多芯光纤（13）和碳纤维布（14）；第1、2压电材料传感器（11、12）通过环氧树脂粘结集成在碳纤维布（14）上，或者编织在碳纤维布（14）内并通过环氧树脂粘结固定，多芯光纤（13）被编织在碳纤维布（14）内；自感知碳纤维布（10）通过环氧树脂浸渍胶粘结在土木结构（15）上进行加固，并使第1、2压电材料传感器（11、12）分别位于土木结构（15）监测点两侧相对位置，使多芯光纤（13）位于土木结构（15）受力敏感方向。

【技术特征摘要】
1.一种自感知碳纤维布（10），包括工作对象——土木结构（15）；其特征在于：设置有第1、2压电材料传感器（11、12），多芯光纤（13）和碳纤维布（14）；第1、2压电材料传感器（11、12）通过环氧树脂粘结集成在碳纤维布（14）上，或者编织在碳纤维布（14）内并通过环氧树脂粘结固定，多芯光纤（13）被编织在碳纤维布（14）内；自感知碳纤维布（10）通过环氧树脂浸渍胶粘结在土木结构（15）上进行加固，并使第1、2压电材料传感器（11、12）分别位于土木结构（15）监测点两侧相对位置，使多芯光纤（13）位于土木结构（15）受力敏感方向。2.一种基于自感知碳纤维布的结构加固和多参量同步监测装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯谦，梁亚斌，蔡思佳，王浩，
申请(专利权)人：武汉地震工程研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：湖北,42