本發(fā)明涉及混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)無損健康監(jiān)測(cè)方法有聲發(fā)射法與超聲波法。聲發(fā)射也稱為應(yīng)力波發(fā)射，結(jié)構(gòu)在受力過程中會(huì)釋放出能量，一些結(jié)構(gòu)破壞過程都伴隨著聲能的釋放，換能器可將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行分析，通過監(jiān)測(cè)和記錄這種聲波便可得到結(jié)構(gòu)中缺陷和損傷的發(fā)生及發(fā)展?fàn)顩r，并確定他們所在位置。聲發(fā)射法需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，易受環(huán)境噪音干擾。超聲波方法是一種主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，利用超聲波探頭發(fā)射與接收超聲波，對(duì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的位置進(jìn)行掃描，檢測(cè)雖然簡(jiǎn)單方便，但是精確度不高，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或體積較大的混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果不夠精準(zhǔn)。

近十幾年來，智能材料結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了有效的途徑。伴隨著基于智能結(jié)構(gòu)的思想發(fā)展起來的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成果日益突出，使得基于壓電智能材料對(duì)大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)成為可能。為此，研發(fā)一種高效、便捷的針對(duì)大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新方法是十分必要的。

由于混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力波傳播較為復(fù)雜，給接收端的分析帶來困難，雖可用計(jì)算中心來進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，但這給監(jiān)測(cè)工作帶來很大不便，不利于快速監(jiān)測(cè)，如果能對(duì)特定的常用結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)發(fā)射端和接收端，將能大大提升利用壓電陶瓷監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的工作效率。

公開號(hào)CN102937646的專利中提出一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了壓電陶瓷技術(shù)，但該方案中，接收端、發(fā)射端的結(jié)構(gòu)缺乏優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用中很容易使得應(yīng)力波路徑、分析和收發(fā)作業(yè)復(fù)雜化，使得該方案中應(yīng)力波分析需采用遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心來進(jìn)行，降低了工作效率，而且大大提升了監(jiān)測(cè)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法，針對(duì)大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能以較低的成本、較高的監(jiān)測(cè)效率實(shí)現(xiàn)基于壓電智能骨料技術(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法，用于大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，所述傳感器陣列包括信號(hào)發(fā)射面、信號(hào)發(fā)射陣列、信號(hào)接收面和信號(hào)接收陣列。

所述信號(hào)發(fā)射陣列包括信號(hào)發(fā)生器和壓電信號(hào)發(fā)射陣列，所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列包括在信號(hào)發(fā)射面上按發(fā)射陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述信號(hào)發(fā)生器與壓電信號(hào)發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號(hào)接收陣列包括波形分析器和壓電信號(hào)接收陣列，所述壓電信號(hào)接收陣列包括在信號(hào)發(fā)射面上按接收陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述波形分析器與壓電信號(hào)接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號(hào)發(fā)射面與所述信號(hào)接收面平行；所述發(fā)射陣形與接收陣形的形狀相同且大小相同。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列經(jīng)被監(jiān)測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號(hào)接收陣列發(fā)射應(yīng)力波。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列的信號(hào)發(fā)射端由埋有壓電陶瓷片的壓電智能骨料單元并聯(lián)形成，所述壓電信號(hào)接收陣列的信號(hào)接收端由埋有壓電陶瓷片的壓電智能骨料單元并聯(lián)形成。

所述壓電陶瓷片的極化方向與壓電陶瓷片的軸向方向一致。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列中的信號(hào)發(fā)射端的壓電陶瓷片以PZT-4成型，所述壓電信號(hào)接收陣列中的信號(hào)接收端的壓電陶瓷片以PZT-4成型。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列經(jīng)被監(jiān)測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號(hào)接收陣列發(fā)射高頻應(yīng)力波。

所述信號(hào)發(fā)生器包括可發(fā)射波形信號(hào)的函數(shù)發(fā)生器和用于放大信號(hào)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。

所述信號(hào)發(fā)生器與壓電信號(hào)發(fā)射陣列以總支屏蔽導(dǎo)線電性連接，所述波形分析器與壓電信號(hào)接收陣列以總支屏蔽導(dǎo)線電性連接。

所述信號(hào)發(fā)生器與壓電信號(hào)發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接時(shí)，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號(hào)發(fā)射陣列，壓電信號(hào)發(fā)射陣列內(nèi)的一個(gè)壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與信號(hào)發(fā)生器相連。

所述波形分析器與壓電信號(hào)接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接時(shí)，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號(hào)接收陣列，壓電信號(hào)接收陣列內(nèi)的一個(gè)壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與波形分析器相連。

所述壓電智能骨料單元均包括鋼模和設(shè)于鋼模內(nèi)的餅狀壓電陶瓷片，鋼模設(shè)有導(dǎo)線孔，屏蔽導(dǎo)線通過鋼模導(dǎo)線孔與餅狀壓電陶瓷片相連固定，進(jìn)而將壓電智能骨料單元并聯(lián)，作為壓電信號(hào)發(fā)射陣列的信號(hào)發(fā)射端或壓電信號(hào)接收陣列的信號(hào)接收端，鋼模內(nèi)設(shè)有環(huán)氧樹脂層用于保護(hù)內(nèi)部壓電陶瓷片。

本發(fā)明中，所述傳感器陣列包括信號(hào)發(fā)射面、信號(hào)發(fā)射陣列、信號(hào)接收面和信號(hào)接收陣列；所述信號(hào)發(fā)射陣列包括信號(hào)發(fā)生器和壓電信號(hào)發(fā)射陣列，所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列包括在信號(hào)發(fā)射面上按發(fā)射陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述信號(hào)發(fā)生器與壓電信號(hào)發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接；所述信號(hào)接收陣列包括波形分析器和壓電信號(hào)接收陣列，所述壓電信號(hào)接收陣列包括在信號(hào)發(fā)射面上按接收陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元，所述波形分析器與壓電信號(hào)接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接；所述信號(hào)發(fā)射面與所述信號(hào)接收面平行；所述發(fā)射陣形與接收陣形的形狀相同且大小相同；所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列經(jīng)被監(jiān)測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號(hào)接收陣列發(fā)射高頻應(yīng)力波；該設(shè)計(jì)針對(duì)大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化，由于大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)中，高頻波的傳播指向性很強(qiáng)，因此本發(fā)明采用相互對(duì)應(yīng)的壓電信號(hào)發(fā)射陣列和壓電信號(hào)接收陣列，使得陣列內(nèi)的發(fā)射端和接收端易于對(duì)應(yīng)，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)力波信號(hào)的分析工作，在本案中，僅用簡(jiǎn)易的波形分析器即可完成應(yīng)力波信號(hào)的分析，大大降低了監(jiān)測(cè)成本，也提升了監(jiān)測(cè)效率。

本發(fā)明中，所述信號(hào)發(fā)生器與壓電信號(hào)發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接；所述波形分析器與壓電信號(hào)接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接；該設(shè)計(jì)可以保證在個(gè)別支路發(fā)生損傷時(shí)，整體監(jiān)測(cè)不受影響，大幅度改善了傳統(tǒng)連續(xù)一體式壓電陶瓷易發(fā)生局部脆性破壞，而導(dǎo)致傳感器整體失效的弊端。同時(shí)，陣列內(nèi)的壓電智能骨料單元通過并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)在總支路的單個(gè)接電點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)各支路單元，對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)的干擾小，布置方式靈活，監(jiān)測(cè)范圍大，可隨不同使用工況自由布局，節(jié)約設(shè)備成本。

本發(fā)明中，所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列中的信號(hào)發(fā)射端的壓電陶瓷片以PZT-4成型，所述壓電信號(hào)接收陣列中的信號(hào)接收端的壓電陶瓷片以PZT-4成型；該設(shè)計(jì)中，PZT-4是中功率發(fā)射、接收兩用型壓電陶瓷，能使得本發(fā)明的所有壓電智能骨料單元均能采用同樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于批量生產(chǎn)，而且發(fā)射端和接收端易于匹配。

本發(fā)明中，所述壓電智能骨料單元均包括鋼模和設(shè)于鋼模內(nèi)的餅狀壓電陶瓷片，鋼模設(shè)有導(dǎo)線孔，屏蔽導(dǎo)線通過鋼模導(dǎo)線孔與餅狀壓電陶瓷片相連固定，進(jìn)而將壓電智能骨料單元并聯(lián)，作為壓電信號(hào)發(fā)射陣列的信號(hào)發(fā)射端或壓電信號(hào)接收陣列的信號(hào)接收端，鋼模內(nèi)設(shè)有環(huán)氧樹脂層用于保護(hù)內(nèi)部壓電陶瓷片；所述信號(hào)發(fā)生器與壓電信號(hào)發(fā)射陣列間以并聯(lián)方式電性連接時(shí)，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號(hào)發(fā)射陣列，壓電信號(hào)發(fā)射陣列內(nèi)的一個(gè)壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與信號(hào)發(fā)生器相連；所述波形分析器與壓電信號(hào)接收陣列間以并聯(lián)方式電性連接時(shí)，所述壓電智能骨料單元先以屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號(hào)接收陣列，壓電信號(hào)接收陣列內(nèi)的一個(gè)壓電智能骨料單元再通過總支屏蔽導(dǎo)線與波形分析器相連；該設(shè)計(jì)在提高傳感器整體強(qiáng)度的同時(shí)，能保證在個(gè)別支路發(fā)生損傷時(shí)，整體監(jiān)測(cè)不受影響，大幅度改善了傳統(tǒng)連續(xù)一體式壓電陶瓷易發(fā)生局部脆性破壞，而導(dǎo)致傳感器整體失效的弊端；同時(shí)，各壓電智能骨料單元通過并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)總支路單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，對(duì)原結(jié)構(gòu)干擾小，布置方式靈活，監(jiān)測(cè)范圍大，可隨不同使用工況自由布局，節(jié)約設(shè)備成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

附圖1是本發(fā)明應(yīng)用于管狀混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)的示意圖；

附圖2是本發(fā)明的壓電智能骨料單元的示意圖；

附圖3是本發(fā)明的并聯(lián)點(diǎn)處的壓電智能骨料單元的示意圖；

圖中：1-管狀混凝土；2-信號(hào)發(fā)射面；3-信號(hào)接收面；4-壓電信號(hào)發(fā)射陣列；5-壓電信號(hào)接收陣列；6-信號(hào)發(fā)生器；7-波形分析器；8-屏蔽導(dǎo)線；9-總支屏蔽導(dǎo)線；10-壓電陶瓷片；11-鋼模；12-環(huán)氧樹脂層；13-壓電智能骨料單元。

具體實(shí)施方式

如圖1-3所示，一種用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的壓電智能骨料傳感器陣列及使用方法，用于大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，所述傳感器陣列包括信號(hào)發(fā)射面2、信號(hào)發(fā)射陣列、信號(hào)接收面3和信號(hào)接收陣列。

所述信號(hào)發(fā)射陣列包括信號(hào)發(fā)生器6和壓電信號(hào)發(fā)射陣列4，所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列4包括在信號(hào)發(fā)射面2上按發(fā)射陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元13，所述信號(hào)發(fā)生器6與壓電信號(hào)發(fā)射陣列4間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號(hào)接收陣列包括波形分析器7和壓電信號(hào)接收陣列5，所述壓電信號(hào)接收陣列5包括在信號(hào)發(fā)射面3上按接收陣形并聯(lián)排列的壓電智能骨料單元13，所述波形分析器7與壓電信號(hào)接收陣列5間以并聯(lián)方式電性連接。

所述信號(hào)發(fā)射面2與所述信號(hào)接收面3平行；所述發(fā)射陣形與接收陣形的形狀相同且大小相同。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列4經(jīng)被監(jiān)測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號(hào)接收陣列5發(fā)射應(yīng)力波。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列4的信號(hào)發(fā)射端由埋有壓電陶瓷片10的壓電智能骨料單元13并聯(lián)形成，所述壓電信號(hào)接收陣列5的信號(hào)接收端由埋有壓電陶瓷片10的壓電智能骨料單元13并聯(lián)形成。

所述壓電陶瓷片10的極化方向與壓電陶瓷片10的軸向方向一致。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列4中的信號(hào)發(fā)射端的壓電陶瓷片10以PZT-4成型，所述壓電信號(hào)接收陣列5中的信號(hào)接收端的壓電陶瓷片10以PZT-4成型。

所述壓電信號(hào)發(fā)射陣列4經(jīng)被監(jiān)測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)向壓電信號(hào)接收陣列5發(fā)射高頻應(yīng)力波。

所述信號(hào)發(fā)生器6包括可發(fā)射波形信號(hào)的函數(shù)發(fā)生器和用于放大信號(hào)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。

所述信號(hào)發(fā)生器6與壓電信號(hào)發(fā)射陣列4以總支屏蔽導(dǎo)線9電性連接，所述波形分析器7與壓電信號(hào)接收陣列5以總支屏蔽導(dǎo)線9電性連接。

所述壓電智能骨料單元均包括鋼模11和設(shè)于鋼模內(nèi)的餅狀壓電陶瓷片10，鋼模11設(shè)有導(dǎo)線孔，屏蔽導(dǎo)線8通過鋼模導(dǎo)線孔與餅狀壓電陶瓷片10相連固定，進(jìn)而將壓電智能骨料單元13并聯(lián)，作為壓電信號(hào)發(fā)射陣列4的信號(hào)發(fā)射端或壓電信號(hào)接收陣列5的信號(hào)接收端，鋼模11內(nèi)設(shè)有環(huán)氧樹脂層12用于保護(hù)內(nèi)部壓電陶瓷片10。

所述信號(hào)發(fā)生器6與壓電信號(hào)發(fā)射陣列4間以并聯(lián)方式電性連接時(shí)，所述壓電智能骨料單元13先以屏蔽導(dǎo)線8并聯(lián)為壓電信號(hào)發(fā)射陣列4，壓電信號(hào)發(fā)射陣列4內(nèi)的一個(gè)壓電智能骨料單元13再通過總支屏蔽導(dǎo)線9與信號(hào)發(fā)生器6相連。

所述波形分析器7與壓電信號(hào)接收陣列5間以并聯(lián)方式電性連接時(shí)，所述壓電智能骨料單13元先以屏蔽導(dǎo)線8并聯(lián)為壓電信號(hào)接收陣列5，壓電信號(hào)接收陣列5內(nèi)的一個(gè)壓電智能骨料單元13再通過總支屏蔽導(dǎo)線9與波形分析器7相連。

實(shí)施例：

先將四個(gè)壓電智能骨料單元通過屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)為壓電信號(hào)發(fā)射陣列，然后將壓電信號(hào)發(fā)射陣列埋入管狀混凝土結(jié)構(gòu)同一截面內(nèi)，最后通過一條總支屏蔽導(dǎo)線連接混凝土構(gòu)件外部信號(hào)發(fā)生器。

管狀混凝土結(jié)構(gòu)另一截面內(nèi)設(shè)有由四個(gè)壓電智能骨料單元通過屏蔽導(dǎo)線并聯(lián)成的壓電信號(hào)接收陣列，壓電信號(hào)接收陣列內(nèi)壓電智能骨料單元排列陣形與壓電信號(hào)發(fā)射陣列相同，也就是壓電信號(hào)發(fā)射陣列的各發(fā)射端與壓電信號(hào)接收陣列的各接收端一一對(duì)應(yīng)。

監(jiān)測(cè)時(shí), 信號(hào)發(fā)生器中的函數(shù)發(fā)生器發(fā)射波形，通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源放大后，經(jīng)外接總支屏蔽導(dǎo)線傳入布置于混凝土內(nèi)部的壓電信號(hào)發(fā)射陣列，激勵(lì)壓電信號(hào)發(fā)射陣列各壓電智能骨料單元同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力波，作為發(fā)射信號(hào)；壓電信號(hào)接收陣列各壓電智能骨料單元以相同方式并聯(lián)作為信號(hào)接收器，外接波形分析器（數(shù)字示波器）接收信號(hào)，使用者將示波器所顯示的接收信號(hào)進(jìn)行采集分析，計(jì)算出發(fā)射波與接收波之間的能量變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積或管狀混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的使用性能。