本發(fā)明屬于土木工程無損檢測，具體涉及一種新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在工程中較常見，其中預(yù)應(yīng)力的健康狀態(tài)備受關(guān)注，主要包含損傷的檢測和預(yù)應(yīng)力大小的測量。

2、針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的孔道內(nèi)部缺陷監(jiān)測，公開號為cn118169246a的中國發(fā)明專利技術(shù)利用點接觸超聲探頭，同時將錨固區(qū)從外到內(nèi)分區(qū)，利用反射波異常幅值判斷錨固區(qū)拉索斷絲和腐蝕損傷，但并未進行損傷定位。公開號為cn106855539a中國專利申請技術(shù)根據(jù)回波時間和群速度確定脫粘區(qū)域長度，但未實現(xiàn)定位。在實際中，預(yù)應(yīng)力筋可能會同時存在灌漿空洞與銹蝕，如何聯(lián)合監(jiān)測兩者損傷的程度，是個難題，目前也未見相關(guān)研究。

3、此外，目前的檢測方法主要對預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力和損傷進行單獨檢測，無法做到同步檢測，且對于預(yù)應(yīng)力筋絕對應(yīng)力的測量，電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器具有較高精度；對于預(yù)應(yīng)力筋損傷檢測，超聲導(dǎo)波法具有較高精度。

4、因此，我們需要發(fā)展針對新建體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的檢測速度快、工作性能好的集應(yīng)力和損傷檢測雙功能為一體的傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述，本發(fā)明提供了一種新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置及方法，可解決結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力檢測精度不足、損傷檢測困難的問題，實現(xiàn)了電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器和磁致伸縮傳感器的統(tǒng)一，使其具有應(yīng)力檢測和損傷檢測的雙功能，提高了檢測效率。

2、一種新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置，包括預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一體式監(jiān)測傳感器，該一體式監(jiān)測傳感器以套筒的形式包裹在預(yù)應(yīng)力筋外圍且沿預(yù)應(yīng)力筋長度方向陣列布置，能夠同時實現(xiàn)電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器和磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的功能。

3、進一步地，所述一體式監(jiān)測傳感器包括套設(shè)在預(yù)應(yīng)力筋上的線圈骨架、內(nèi)層線圈、外層線圈以及磁電轉(zhuǎn)換元件，其中內(nèi)層線圈和外層線圈均繞制于線圈骨架上，所述磁電轉(zhuǎn)換元件套設(shè)在線圈骨架上且處于內(nèi)層線圈與外層線圈之間。

4、進一步地，所述磁電轉(zhuǎn)換元件作為電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器的部分，用于在直流脈沖作用下采集預(yù)應(yīng)力筋的磁特征信號；所述外層線圈作為電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器的勵磁線圈，同時也是磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的偏置磁化線圈；所述內(nèi)層線圈作為磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的部分用以激勵和接收超聲導(dǎo)波。

5、進一步地，所述一體式監(jiān)測傳感器為圓套筒狀，內(nèi)外層線圈均為螺線管線圈，并采用純銅漆包線繞制在線圈骨架上，且事先針對檢測時需要的超聲導(dǎo)波頻率和檢測信號幅值設(shè)計線圈的匝數(shù)與層數(shù)。

6、進一步地，所述預(yù)應(yīng)力與損傷聯(lián)合監(jiān)測裝置還包括有上位機，其用于對各一體式監(jiān)測傳感器內(nèi)層線圈接收到的超聲導(dǎo)波的信號特征進行分析，從而對預(yù)應(yīng)力筋損傷進行定位定量監(jiān)測；同時根據(jù)各一體式監(jiān)測傳感器磁電轉(zhuǎn)換元件采集到的磁特征信號以及預(yù)應(yīng)力大小與磁特征信號之間的關(guān)系，計算出待測預(yù)應(yīng)力筋不同位置處的預(yù)應(yīng)力水平。

7、上述新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法：在僅對一體式監(jiān)測傳感器中的外層線圈施加一次直流脈沖下，使一體式監(jiān)測傳感器同時實現(xiàn)電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器和磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的功能，具體地：首先對外層線圈施加直流脈沖，當一體式監(jiān)測傳感器作為電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器時，使用磁電轉(zhuǎn)換元件采集待測預(yù)應(yīng)力筋的磁特征信號，進而根據(jù)預(yù)應(yīng)力大小與磁特征信號的關(guān)系曲線計算出待測預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力水平；在通直流脈沖期間內(nèi)，對內(nèi)層線圈施加猝發(fā)交流信號，使一體式監(jiān)測傳感器作為磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器，即內(nèi)層線圈利用磁致伸縮效應(yīng)在待測預(yù)應(yīng)力筋中激勵出超聲導(dǎo)波，通過對比不同傳感器之間的透射波信號以及無損情況下的對應(yīng)信號，實現(xiàn)對待測預(yù)應(yīng)力筋損傷的定位定量監(jiān)測。

8、進一步地，當待測預(yù)應(yīng)力筋存在銹蝕損傷時且損傷處位于兩個相鄰一體式監(jiān)測傳感器a和b之間，一體式監(jiān)測傳感器a的內(nèi)層線圈發(fā)出的部分超聲導(dǎo)波能量在損傷處發(fā)生反射，從而減小從損傷處透射的超聲導(dǎo)波能量，銹蝕越嚴重，透射的超聲導(dǎo)波能量越小，結(jié)合反射波信號到達時間以及待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋銹蝕損傷進行定位監(jiān)測；同時利用一體式監(jiān)測傳感器b的內(nèi)層線圈接收獲取透射波信號的峰值，并與無損情況下的透射波信號峰值進行比較獲得銹蝕程度系數(shù)，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋銹蝕損傷進行定量監(jiān)測。

9、進一步地，當待測預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生灌漿空洞時且空洞處位于兩個相鄰一體式監(jiān)測傳感器a和b之間，一體式監(jiān)測傳感器a內(nèi)層線圈發(fā)出的超聲導(dǎo)波會在空洞產(chǎn)生的界面發(fā)生反射，結(jié)合反射波信號到達時間以及待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋灌漿空洞進行定位監(jiān)測；同時空洞會減小散射到周圍混凝土中的超聲導(dǎo)波能量，增加透射至一體式監(jiān)測傳感器b的超聲導(dǎo)波能量，利用一體式監(jiān)測傳感器b內(nèi)層線圈接收獲取透射波信號的峰值，并與無損情況下的透射波信號峰值進行比較獲得灌漿密實程度系數(shù)，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋灌漿密實度進行定量監(jiān)測。

10、進一步地，在產(chǎn)生灌漿空洞的區(qū)域，待測預(yù)應(yīng)力筋處于非錨固狀態(tài)，會增加超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，通過一體式監(jiān)測傳感器b內(nèi)層線圈收到透射波信號的到達時間t1，結(jié)合錨固與自由狀態(tài)下待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋灌漿空洞長度進行監(jiān)測，具體計算表達式如下：

11、t1＝la/va+lfm/vf，l＝la+lfm

12、其中：lfm為灌漿空洞長度，la為空洞損傷情況下待測預(yù)應(yīng)力筋錨固段的長度，l為一體式監(jiān)測傳感器a和b之間的長度，va為錨固狀態(tài)下待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞群速度，vf為自由狀態(tài)下待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞群速度。

13、基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

14、1.本發(fā)明提出的一體式監(jiān)測傳感器可同時監(jiān)測預(yù)應(yīng)力水平和銹蝕、灌漿空洞損傷，解決了目前領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)難題。

15、2.本發(fā)明提出的一體式監(jiān)測傳感器可在僅施加一次直流脈沖的時間內(nèi)，同時實現(xiàn)電磁彈傳感器和辭職伸縮傳感器的雙功能，檢測時間大大縮短，同時降低傳感器能耗。

16、3.本發(fā)明通過預(yù)埋的方式，將傳感器預(yù)埋至預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，傳感器位置固定，無需反復(fù)移動，可實現(xiàn)長期監(jiān)測。

17、4.本發(fā)明通過陣列布置傳感器的方式，可檢測預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)部位于預(yù)應(yīng)力筋不同位置處的預(yù)應(yīng)力水平，進而反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體的預(yù)應(yīng)力服役狀態(tài)。

18、5.本發(fā)明通過陣列布置傳感器的方式，解決了超聲導(dǎo)波在錨固構(gòu)件中能量衰減快，檢測距離有限的問題。

19、6.本發(fā)明監(jiān)測方法流程簡單，操作方便，成本較低，可應(yīng)用于不同規(guī)格的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，適用性強，有利于推廣應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置，其特征在于：包括預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一體式監(jiān)測傳感器，該一體式監(jiān)測傳感器以套筒的形式包裹在預(yù)應(yīng)力筋外圍且沿預(yù)應(yīng)力筋長度方向陣列布置，能夠同時實現(xiàn)電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器和磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的功能。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置，其特征在于：所述一體式監(jiān)測傳感器包括套設(shè)在預(yù)應(yīng)力筋上的線圈骨架、內(nèi)層線圈、外層線圈以及磁電轉(zhuǎn)換元件，其中內(nèi)層線圈和外層線圈均繞制于線圈骨架上，所述磁電轉(zhuǎn)換元件套設(shè)在線圈骨架上且處于內(nèi)層線圈與外層線圈之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置，其特征在于：所述磁電轉(zhuǎn)換元件作為電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器的部分，用于在直流脈沖作用下采集預(yù)應(yīng)力筋的磁特征信號；所述外層線圈作為電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器的勵磁線圈，同時也是磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的偏置磁化線圈；所述內(nèi)層線圈作為磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的部分用以激勵和接收超聲導(dǎo)波。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置，其特征在于：所述一體式監(jiān)測傳感器為圓套筒狀，內(nèi)外層線圈均為螺線管線圈，并采用純銅漆包線繞制在線圈骨架上，且事先針對檢測時需要的超聲導(dǎo)波頻率和檢測信號幅值設(shè)計線圈的匝數(shù)與層數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置，其特征在于：該聯(lián)合監(jiān)測裝置還包括有上位機，其用于對各一體式監(jiān)測傳感器內(nèi)層線圈接收到的超聲導(dǎo)波的信號特征進行分析，從而對預(yù)應(yīng)力筋損傷進行定位定量監(jiān)測；同時根據(jù)各一體式監(jiān)測傳感器磁電轉(zhuǎn)換元件采集到的磁特征信號以及預(yù)應(yīng)力大小與磁特征信號之間的關(guān)系，計算出待測預(yù)應(yīng)力筋不同位置處的預(yù)應(yīng)力水平。

6.一種如權(quán)利要求1～5任一權(quán)利要求所述新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征在于：在僅對一體式監(jiān)測傳感器中的外層線圈施加一次直流脈沖下，使一體式監(jiān)測傳感器同時實現(xiàn)電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器和磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的功能，具體地：首先對外層線圈施加直流脈沖，當一體式監(jiān)測傳感器作為電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器時，使用磁電轉(zhuǎn)換元件采集待測預(yù)應(yīng)力筋的磁特征信號，進而根據(jù)預(yù)應(yīng)力大小與磁特征信號的關(guān)系曲線計算出待測預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力水平；在通直流脈沖期間內(nèi)，對內(nèi)層線圈施加猝發(fā)交流信號，使一體式監(jiān)測傳感器作為磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器，即內(nèi)層線圈利用磁致伸縮效應(yīng)在待測預(yù)應(yīng)力筋中激勵出超聲導(dǎo)波，通過對比不同傳感器之間的透射波信號以及無損情況下的對應(yīng)信號，實現(xiàn)對待測預(yù)應(yīng)力筋損傷的定位定量監(jiān)測。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的監(jiān)測方法，其特征在于：當待測預(yù)應(yīng)力筋存在銹蝕損傷時且損傷處位于兩個相鄰一體式監(jiān)測傳感器a和b之間，一體式監(jiān)測傳感器a的內(nèi)層線圈發(fā)出的部分超聲導(dǎo)波能量在損傷處發(fā)生反射，從而減小從損傷處透射的超聲導(dǎo)波能量，銹蝕越嚴重，透射的超聲導(dǎo)波能量越小，結(jié)合反射波信號到達時間以及待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋銹蝕損傷進行定位監(jiān)測；同時利用一體式監(jiān)測傳感器b的內(nèi)層線圈接收獲取透射波信號的峰值，并與無損情況下的透射波信號峰值進行比較獲得銹蝕程度系數(shù)，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋銹蝕損傷進行定量監(jiān)測。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的監(jiān)測方法，其特征在于：當待測預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生灌漿空洞時且空洞處位于兩個相鄰一體式監(jiān)測傳感器a和b之間，一體式監(jiān)測傳感器a內(nèi)層線圈發(fā)出的超聲導(dǎo)波會在空洞產(chǎn)生的界面發(fā)生反射，結(jié)合反射波信號到達時間以及待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋灌漿空洞進行定位監(jiān)測；同時空洞會減小散射到周圍混凝土中的超聲導(dǎo)波能量，增加透射至一體式監(jiān)測傳感器b的超聲導(dǎo)波能量，利用一體式監(jiān)測傳感器b內(nèi)層線圈接收獲取透射波信號的峰值，并與無損情況下的透射波信號峰值進行比較獲得灌漿密實程度系數(shù)，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋灌漿密實度進行定量監(jiān)測。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)測方法，其特征在于：在產(chǎn)生灌漿空洞的區(qū)域，待測預(yù)應(yīng)力筋處于非錨固狀態(tài)，會增加超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，通過一體式監(jiān)測傳感器b內(nèi)層線圈收到透射波信號的到達時間t1，結(jié)合錨固與自由狀態(tài)下待測預(yù)應(yīng)力筋中超聲導(dǎo)波傳遞的群速度，從而對待測預(yù)應(yīng)力筋灌漿空洞長度進行監(jiān)測，具體計算表達式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種新建結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力與孔道缺陷一體化監(jiān)測裝置及方法，裝置包括預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一體式監(jiān)測傳感器，該一體式監(jiān)測傳感器以套筒的形式包裹在預(yù)應(yīng)力筋外圍且沿預(yù)應(yīng)力筋長度方向陣列布置，能夠同時實現(xiàn)電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器和磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的功能；傳感器中的外層線圈可同時作為電磁彈式絕對應(yīng)力傳感器的勵磁線圈和磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器的偏置磁化線圈，磁電轉(zhuǎn)換元件用于采集待測預(yù)應(yīng)力筋的磁特征信號，內(nèi)層線圈用于激勵和接收超聲導(dǎo)波，可對比不同傳感器之間的反射、透射信號，實現(xiàn)損傷定位與定量。本發(fā)明可同時測量構(gòu)件內(nèi)部多種損傷、應(yīng)力等信息，具有操作方便、長期監(jiān)測、監(jiān)測精度高等特點。

技術(shù)研發(fā)人員：段元鋒,陳俊維,魏巍,章紅梅
受保護的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6