CN102062747A - 基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法，属于钢管混凝土构件钢管壁剥离状况的监测领域，具体方法为：在钢管外壁上粘贴多个压电陶瓷传感器，在钢管混凝土内部埋入智能骨料，通过高频信号激励智能骨料，由高频信号采集系统采集钢管壁上传感器的输出信号并将该信号数据传至计算机分析系统；然后进行小波包分析，得出所定义的各传感器的能量指标：并选取所监测面最不易产生剥离损伤位置的能量指标代表无剥离损伤处的能量水平；最后定义一个损伤指标，对钢管壁各个传感器所在位置的粘结状态进行评估。本发明实现了钢管壁粘结状况的快速监测、能精确地找到损伤位置，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。

Description

基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法

技术领域

本发明涉及钢管混凝土构件钢管壁剥离状况的监测方法，进一步是指基于压电陶瓷技术与小波包分析的监测混凝土与钢管壁粘结情况的监测方法。

背景技术

钢管混凝土作为结构的主要承重体系，其中混凝土与钢管壁的剥离可削弱构件的受力性能。

目前，进行钢管混凝土剥离检测的方法有光纤法和超声波法。然而光纤抗剪能力差，传感测试系统价格昂贵，而超声波检测需要耦合介质使声能透入被测物，对操作人员的技术水平有较高要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法，该监测方法可对钢管混凝土的剥离实施高灵敏度、快速的主动监测。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法，其特点是，包括基于智能骨料和压电陶瓷测量的监测系统的建立和钢管混凝土构件钢管壁剥离的监测和评价方法；

所述基于智能骨料和压电陶瓷测量的监测系统的建立步骤为：

在钢管混凝土构件可能出现界面剥离损伤和不可能出现剥离损伤的对应钢管外壁上均粘贴多个作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，在钢管混凝土内部不同高度处埋入作为驱动器的压电陶瓷埋入型智能骨料，然后由任意信号函数发生器产生的信号激励智能骨料，所述传感器与高频信号采集系统相连，由高频信号采集系统将数据传至计算机分析系统；

所述钢管混凝土壁剥离监测方法为：

首先通过对所有传感器的电压信号分别单独进行三层小波包分析，于是每一个传感器的时域测量信号V_k可以表示为：

$V_k=v_{k,1}+v_{k,2}+L+v_{k,i}+L+v_{k,2^N-1}+v_{k,2^N},(i=1,\mathrm{\Λ},2^N),(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(1\right)$

式(1)中v_k，i是小波包分解后的时域信号，k是压电陶瓷传感器的编号，K是钢管混凝土柱某一监测面上的压电陶瓷传感器的总数量，i是频段编号，其中v_k，i又可表示为

v_k，i＝[v_k，i，1 v_k，i，2 L v_k，i，j L v_k，i，M-1 v_k，i，M]，(j＝1，Λ，M) (2)

式(2)中M是时域信号的采集数据点的个数，其中第k个压电陶瓷传感器的能量指标

可表示为：

${\stackrel{\‾}{E}}_k=\left[\begin{array}{ccccccc}{e}_{k,1}& e_{k,2}& L& e_{k,i}& L& e_{k,2^N-1}& e_{k,2^N}\end{array}\right],(i=1,\mathrm{\Λ},2^N),(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(3\right)$

式(3)中e_k，i是小波分解后第i频段的能量，其中e_k，i可定义成：

$e_{k,i}=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{k,i,j}^2,(i=1,\mathrm{\Λ},2^N),(k=1,\mathrm{\Λ},k)---\left(4\right)$

压电陶瓷k的信号能量指标E_k定义为：

$E_k=\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{k,i},(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(5\right)$

然后选取所监测面最不易产生剥离损伤位置的压电陶瓷传感器测到的信号的能量指标代表无剥离处的信号能量；

最后建立的如下损伤指标DI_k：

${\mathrm{DI}}_k=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{(e_{k,i}-e_i^h)}^2}{\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(e_i^h\right)}^2}},(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(6\right)$

其中式(6)的

是无剥离的信号能量指标；

基于剥离位置对应的压电陶瓷传感器测到的信号的能量指标和压电陶瓷传感器在无剥离损伤位置测得的信号能量指标，可以得出每一个压电陶瓷出的损伤指标，进而得出各个压电陶瓷传感器所在位置的钢管混凝土构件钢管壁的粘结状态。

本发明监测系统的建立具体分为以下几个步骤：

1、钢管混凝土构件的钢管表面粘贴压电陶瓷片作为传感器，将压电陶瓷埋入型智能骨料埋入钢管混凝土柱内作为驱动器。

2、利用任意函数发生器对智能骨料进行激励，当传输距离较远时可采用高压放大器将激励信号放大，使钢管混凝土内部产生应力波，通过应力波对外壁粘贴的压电陶瓷作用，使压电陶瓷产生电压信号。

3、利用高频数据采集系统采集传感器信号。

任意信号函数发生器对智能骨料进行激励在混凝土内部产生应力波后，由高频数据采集系统，采集粘贴有在钢管混凝土构件外壁的压电陶瓷传感器的电压信号。

本发明所述监测方法的技术原理：当压电材料受到外力作用时，在其表面会产生电荷，这种现象称为正压电效应；相反，当在压电材料上施加电场时，其会发生形变，这种现象称为逆压电效应。任意函数发生器用以激励植入钢管混凝土内部的驱动器--压电陶瓷埋入型智能骨料，智能骨料受到激励后产生由混凝土内部传播到钢管壁的应力波。粘贴在钢管外壁的压电陶瓷传感器受到应力波影响，由逆压电效应产生电荷。通过分析压电陶瓷传感器所采集的信号来判断钢管混凝土剥离情况。钢管内壁与混凝土之间的剥离阻碍了应力波的传播，因此剥离位置对应的压电陶瓷传感器测到的信号幅值和能量低于无损伤处压电陶瓷传感器信号的幅值和能量，从而准确确定损伤位置。

基于压电陶瓷的监测方法为钢管混凝土构件钢管剥离情况的实时监测提供了新的方法。PZT压电陶瓷具有压电效应，由于应力或应变的影响，能在晶体内产生电极化现象；但在压电晶体上施加电场时，则会产生应力或应变。利用PZT压电陶瓷的压电效应可将其制作成为传感器和驱动器实现对钢管混凝土剥离的监测。

与现有技术相比，本发明可以实现快速监测、能精确快速地找到剥离损伤位置，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

图1为本发明所述监测系统的组成；其中图1(a)是监测系统的结构原理图；图1(b)是监测系统的流程图；

图2为本发明所述压电陶瓷埋入型智能骨料结构示意图；

图3为本发明所述压电陶瓷传感器的在钢管混凝土钢管壁的粘结方法示意图；

图4为本发明对钢管混凝土界面剥离情况进行监测的原理示意图；

图5为本发明一种实施例所述钢管外壁压电陶瓷传感器的布置示意图，其中虚线所示范围内为模拟损伤区域；

图6为本发明对一种实施例中钢管混凝土界面剥离情况进行监测的检测信号图；其中图6(a)为有剥离损伤与无剥离损伤处压电陶瓷测量信号比较图；图6(b)剥离损伤处压电陶瓷测量信号图；图6(c)无剥离损伤处压电陶瓷测量信号图；

图7为本发明监测方法所得的识别结果，其中Z1，Z2和Z3分别表示的是钢管混凝土柱中预埋在不同高度处的三个智能骨料作为激励时的损伤识别结果。

在图中：

1-钢管；  2，21，22，23，24，25，26，27，28，29-压电陶瓷传感器；

3-智能骨料；  4，40-压电陶瓷片；  5，50-导线；

6-导电胶；    7-铜片；            8-钢管混凝土；

10-任意信号函数发生器；  11-高频信号采集系统

12-高压放大器。

具体实施方式实例

如图1(a)所示，在一个400mm×400mm×1200mm方形钢管混凝土8柱内预埋智能骨料3，如图5所示，养护后在钢管1一外壁上安装9个压电陶瓷传感器21，22，23，24，25，26，27，28，29。为检验该方法的有效性，钢管混凝土浇筑前预先在图5所示虚线区域黏贴一块薄泡沫板用以模拟损伤。因此传感器23，24，25，26，27在损伤区域内，21，22，28，29在无损伤区域。

如图2所示，所述智能骨料3包括压电陶瓷片4，与压电陶瓷片4相连的导线5，混凝土块；所述压电陶瓷片4和导线5连接后涂有防水层，然后一起被埋入该混凝土块内。

所述压电陶瓷传感器2的安装位置预先设有绝缘层，所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，该绝缘层厚度为0.08-0.12mm，优选为0.1mm。如图3所示，该压电陶瓷传感器2的结构为，一压电陶瓷片40的一极和一铜片7的一极通过导电胶6相连，压电陶瓷片40的另一极通过与导线5相连，一铜片7的另一极与另一导线50相连。

本实施例中监测方法的具体操作步骤为：

a、首先确定压电陶瓷传感器2的编号规则，按此规则将钢管混凝土壁上所有压电陶瓷传感器2的编号，该编号在后续步骤中将用于生成损伤指标。如图5所示，在本实施例中按从左至右，从上至下的顺序编号。

b、由任意函数信号发生器10的信号发生频率为500Hz-10KHz，扫频时间为5s的扫频信号激励智能骨料3，如图1(b)和图4所示，利用高频数据采集系统11将智能骨料3激励时记录压电陶瓷传感器2的信号。

c、选择一最不易产生剥离损伤位置的压电陶瓷传感器2信号为参考。本实施例中选择压电陶瓷传感器21的信号为无剥离损伤处的信号。

d、利用式下式计算各个压电陶瓷传感器2的损伤指标，如图6(a)，6(b)，6(c)所示，通过比较各个压电陶瓷传感器2所得的损伤指标大小从而得出钢管混凝土8某一面的界面粘结情况。通过图7可知剥离损伤存在于压电陶瓷传感器23，24，25，26，27的区域内，且与实际情况吻合。

${\mathrm{DI}}_k=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{(e_{k,i}-e_i^h)}^2}{\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(e_i^h\right)}^2}},(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(6\right)$

其中式(6)的

是无剥离损伤处测量信号的能量指标。

Claims (6)

1.一种基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法，其特征是，包括基于智能骨料和压电陶瓷测量的监测系统的建立和钢管混凝土构件钢管壁剥离的监测和评价方法；

所述基于智能骨料和压电陶瓷测量的监测系统的建立步骤为：

在钢管混凝土构件可能出现界面剥离损伤和不可能出现剥离损伤的对应钢管(1)外壁上均粘贴多个作为压电陶瓷传感器(2)的压电陶瓷片，在钢管混凝土(8)内部不同高度处埋入作为驱动器的压电陶瓷埋入型智能骨料(3)，然后由任意信号函数发生器(10)产生的信号激励智能骨料(3)，所述压电陶瓷传感器(2)与高频信号采集系统(11)相连，由高频信号采集系统(11)将数据传至计算机分析系统；

所述钢管混凝土壁剥离监测方法为：

首先通过对所有压电陶瓷传感器(2)的电压信号分别单独进行三层小波包分析，于是每一个压电陶瓷传感器(2)的时域测量信号V_k可以表示为：

$V_k=v_{k,1}+v_{k,2}+L+v_{k,i}+L+v_{k,2^N-1}+v_{k,2^N},(i=1,\mathrm{\Λ},2^N),(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(1\right)$

式(1)中v_k，i是小波包分解后的时域信号，k是压电陶瓷传感器的编号，K是钢管混凝土柱某一监测面上的压电陶瓷传感器的总数量，i是频段编号，其中v_k，i又可表示为

v_k，i＝[v_k，i，1 v_k，i，2 L v_k，i，j L v_k，i，M-1 v_k，i，M]，(j＝1，Λ，M)  (2)

式(2)中M是时域信号的采集数据点的个数，其中第k个压电陶瓷传感器的能量指标

可表示为：

${\stackrel{\‾}{E}}_k=\left[\begin{array}{ccccccc}{e}_{k,1}& e_{k,2}& L& e_{k,i}& L& e_{k,2^N-1}& e_{k,2^N}\end{array}\right],(i=1,\mathrm{\Λ},2^N),(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(3\right)$

式(3)中e_k，i是小波分解后第i频段的能量，其中e_k，i可定义成：

$e_{k,i}=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{k,i,j}^2,(i=1,\mathrm{\Λ},2^N),(k=1,\mathrm{\Λ},k)---\left(4\right)$

压电陶瓷k的信号能量指标E_k定义为：

$E_k=\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{k,i},(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(5\right)$

然后选取所监测面最不易产生剥离损伤位置的压电陶瓷传感器(2)测到的信号的能量指标代表无剥离处的信号能量；

最后建立的如下损伤指标DI_k：

${\mathrm{DI}}_k=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{(e_{k,i}-e_i^h)}^2}{\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(e_i^h\right)}^2}},(k=1,\mathrm{\Λ},K)---\left(6\right)$

其中式(6)的

是无剥离的信号能量指标；

基于剥离位置对应的压电陶瓷传感器(2)测到的信号的能量指标和压电陶瓷传感器(2)在无剥离损伤位置测得的信号能量指标，可以得出每一个压电陶瓷出的损伤指标，进而得出各个压电陶瓷传感器(2)所在位置的钢管混凝土构件钢管壁的粘结状态。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述任意信号函数发生器(10)与智能骨料(3)之间设有可将激励信号放大的高压放大器(12)。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述智能骨料(3)包括压电陶瓷片(4)，与压电陶瓷片(4)相连的导线(5)，混凝土块；所述压电陶瓷片(4)和导线(5)连接后涂有防水层，然后埋入该混凝土块中间。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述压电陶瓷传感器(2)的安装位置预先设有绝缘层，该压电陶瓷传感器(2)的结构为，一压电陶瓷片(40)的一极和一铜片(7)的一极通过导电胶(6)相连，压电陶瓷片(40)的另一极通过与导线(5)相连，一铜片(7)的另一极与另一导线(50)相连。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述任意信号函数发生器(10)产生的信号的频率为500Hz-10KHz。

6.根据权利要求4所述的监测方法，其特征是，所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，该绝缘层厚度控制在0.08-0.12mm范围内。

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