混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法技术

本发明专利技术提出了混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，包括可植入式自发自收传感模块的设计制作过程和基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法。本发明专利技术的可植入式的集成传感模块提供另一种新型的传感器与结构之间的耦合方式，可以保证传感器在结构服役期间长期稳定的工作，使用时便于管理，损坏时易于更换；自发自收的传感模块，内嵌的压电传感阵列可以在结构中安装较少的传感模块，又可以充分捕捉结构的损伤信息，减少安装时的工作量，而且可以更加精确的对结构中的损伤进行定位成像，对结构的状态进行评估。行评估。行评估。

【技术实现步骤摘要】
混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法


[0001]本专利技术属于工程结构损伤检测与监测领域。

技术介绍

[0002]钢筋混凝土结构在其服役期间由于环境的长期作用和外部载荷的作用，会给结构带来损伤而影响结构的性能。对结构的损伤进行探测和评估是一项较为困难但亟需解决的任务。
[0003]基于应力波传播的损伤检测方法可以通过信号处理方法获取由于损伤引发的散射信号，对散射信号进行分析，进而得到损伤的位置和条件等信息来评估结构的状态，可以通过改变信号的频率来改变探测信号的波长以实现对不同尺寸的损伤进行检测。在钢筋混凝土结构中基于应力波的传播检测方法需要寻找一种适当的传感器与结构之间的耦合方式以满足传感器可以长期稳定的工作来监测结构的状态条件，同时传感器在使用的过程还应当便于管理和维护更新。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提出混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法。
[0005]技术方案如下：
[0006]混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，包括：
[0007]步骤1可植入式自发自收传感模块的设计制作过程；
[0008]步骤2基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法。
[0009]所述步骤1中可植入式自发自收传感模块的设计制作过程，包括以下步骤：
[0010]步骤1.1：将选定好的柱状压电陶瓷传感器11采用环氧树脂封装，然后与导线屏蔽管14相连，两个柱状压电陶瓷传感器沿高度方向放置，中间添加一层屏蔽层13；
[0011]步骤1.2：柱状压电陶瓷传感11的正负极用导线相连，然后穿过导线屏蔽管14，与多孔航空插头15相连；利用高强低收缩的灌浆料16封装为传感模块1；
[0012]步骤1.3：浇筑时将多孔航空插头固定在模块界面的正上方，模块制作完成之后，通过航空插头与外部的设备相连，来控制传感器驱动和接收应力波信号。
[0013]所述步骤2中损伤定位成像方法，其过程包括以下步骤：
[0014]步骤2.1：根据待测结构2的实际情况布置传感模块1，然后将传感模块1通过多孔航空插头15与外部设备依次连接，使用设备包括：多通道信号发生器与采集器3，信号放大器4，信号显示器5与电脑6；
[0015]步骤2.2：首先利用触发指令发出激励信号，通过波形显示器检查信号是否正常，若是信号发生畸变，应重新检查线路连接，重新调试使用设备；
[0016]步骤2.3：待使用设备正常工作后，首先采集获取各条路径的基准信号y
hi
(t)，其中，i＝1,2,
…
,N，N表示传感路径数量，所述基准信号指的是在无损伤状态的信号；然后在
结构损伤状态下获取各条路径的损伤信号y
di
(t)；
[0017]步骤2.4：在检测区域中，当传感器配置满足近场条件时，以可植入式传感模块的中心为原点建立极坐标系，S2.1～S2.4表示模块中传感单元的位置，其中S2.1作为驱动，S2.1坐标位置为L0(R0,θ0))，S2.2～S2.4作为接收，假设损伤位置的坐标为L(R,θ)，激励信号采用汉宁窗调制的五峰波，用y0表示，其中心频率用f0表示，则在基准状态下的信号表示为：
[0018][0019]其中，Y0(ω)表示激励信号y0的傅里叶变换表达式，j表示虚数单位，f表示频率；r
i
表示激励传感器与接收传感器之间的距离，y
Di
(t)表示直达波信号，y
Bi
(t)表示边界反射信号，v表示波的传播速度；在损伤状态时，损伤视为二次波源，其信号表示为：
[0020][0021]其中，y
Si
(t)表示损伤散射信号，R0表示激励传感器与损伤之间的距离，R
i
表示接收传感器与损伤之间的距离；
[0022]利用基线相减的方法，损伤散射信号表示为：
[0023][0024]其中，(4)式改写为：
[0025][0026]其中，R表示在可植入传感模块中选取的参考传感器与损伤之间的距离，n表示可植入传感模块中传感器阵元的个数；
[0027]由(5)式看出在近场条件时，转向矢量表示为：
[0028][0029]将信号的协方差矩阵构造为：
[0030]C
near
‑
field
＝E[Y
S
(t)Y
R
(t)
H
]ꢀꢀꢀ
(7)
[0031]其中，Y
S
(t)＝[h{y
S1
(t)},h{y
S2
(t)},
…
,h{y
SN
(t)}]T
,Y
R
(t)＝[h{y
R1
(t)},h{y
R2
(t)},
…
,h{y
RN
(t)}]T
,h{
·
}表示希尔伯特变换；信号y
Ri
(t)＝y
Si
(t)+n
i
(t)，n
i
(t)表示噪声信号，上标H表示复共轭转置；
[0032]通过特征值分解方法对信号的协方差矩阵进行分解：
[0033][0034]其中，U＝[μ1,μ2,
…
,μ
N
]，∑表示对角矩阵，其对角线上的值按特征值的大小降序排列；U
S
＝[μ1]，表示由最大特征值对应的特征向量构成的信号子空间，U
N
＝[μ2,
…
,μ
N
]，表示由剩余(N
‑
1)个特征值对应的特征向量构成的噪声子空间；
[0035]根据信号子空间和噪声子空间的正交性，即A(R,θ)
H U
N
＝0，其中，A(R,θ)表示转向矢量的矩阵表达为：A(R,θ)＝[a
near
‑
field1
(R,θ),a
near
‑
field2
(R,θ),
…
,a
near
‑
fieldN
(R,θ)]T
，则
二维空间谱函数P
near
‑
fieldMUSIC
(R,θ)的表达式构造为：
[0036][0037]通过改变参数R和θ的值，对检测或监测区域的每个位置进行搜索，绘出空间谱图像，对结构中的损伤进行成像。
[0038]进一步地，传感器模块包括八个传感器单元，驱动信号由一个传感单元发出，应力波在待测结构上传播，其他七个传感单元接收信号，捕捉结构的损伤信息。
[0039]进一步地，为了传感器阵列能够获取足够的损伤信息，柱状压电陶瓷传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，包括：步骤1可植入式自发自收传感模块的设计制作过程；步骤2基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法。2.如权利要求1所述的混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，所述步骤1中可植入式自发自收传感模块的设计制作过程，包括以下步骤：步骤1.1：将选定好的柱状压电陶瓷传感器(11)采用环氧树脂封装，然后与导线屏蔽管(14)相连，两个柱状压电陶瓷传感器沿高度方向放置，中间添加一层屏蔽层(13)；步骤1.2：柱状压电陶瓷传感(11)的正负极用导线相连，然后穿过导线屏蔽管(14)，与多孔航空插头(15)相连；利用高强低收缩的灌浆料(16)封装为传感模块(1)；步骤1.3：浇筑时将多孔航空插头固定在模块界面的正上方，模块制作完成之后，通过航空插头与外部的设备相连，来控制传感器驱动和接收应力波信号。3.如权利要求1所述的混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，所述步骤2中损伤定位成像方法，其过程包括以下步骤：步骤2.1：根据待测结构(2)的实际情况布置传感模块(1)，然后将传感模块(1)通过多孔航空插头(15)与外部设备依次连接，使用设备包括：多通道信号发生器与采集器(3)，信号放大器(4)，信号显示器(5)与电脑(6)；步骤2.2：首先利用触发指令发出激励信号，通过波形显示器检查信号是否正常，若是信号发生畸变，应重新检查线路连接，重新调试使用设备；步骤2.3：待使用设备正常工作后，首先采集获取各条路径的基准信号y
hi
(t)，其中，i＝1,2,
…
,N，N表示传感路径数量，所述基准信号指的是在无损伤状态的信号；然后在结构损伤状态下获取各条路径的损伤信号y
di
(t)；步骤2.4：在检测区域中，当传感器配置满足近场条件时，以可植入式传感模块的中心为原点建立极坐标系，S2.1～S2.4表示模块中传感单元的位置，其中S2.1作为驱动，S2.1坐标位置为L0(R0,θ0))，S2.2～S2.4作为接收，假设损伤位置的坐标为L(R,θ)，激励信号采用汉宁窗调制的五峰波，用y0表示，其中心频率用f0表示，则在基准状态下的信号表示为：其中，Y0(ω)表示激励信号y0的傅里叶变换表达式，j表示虚数单位，f表示频率；r
i
表示激励传感器与接收传感器之间的距离，y
Di
(t)表示直达波信号，y
Bi
(t)表示边界反射信号，v表示波的传播速度；在损伤状态时，损伤视为二次波源，其信号表示为：其中，y
Si
(t)表示损伤散射信号，R0表示激励传感器与损伤之间的距离，R
i
表示接收传感器与损伤之间的距离；利用基线相减的方法，损伤散射信号表示为：其中，(4)式改写为：
其中，R表示在可植入传感模块中选取的参考传感器与损伤之间的距离，n表示可植入传感模块中传感器阵元的个数；由(5)式看出在近场条件时，转向矢量表示为：将信号的协...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔庆钊，张明辉，周德源，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：