CN103018329B - 基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统及方法，包括上位机、控制电路、紧密粘贴于待监测结构上的压电超声发射元件、压电超声接收元件和机敏网格；压电超声接收元件通过以网格方式分布的机敏线和信号线与控制电路相连，压电超声发射元件和控制电路相连。本发明采用压电超声阵列和机敏网格来实现对结构损伤全方位的立体监测，在控制电路作用下，选择距离裂缝位置最佳的压电超声发射元件和接收元件检测裂缝深度；通过检测压电超声接收元件电信号的变化，检测结构应力变化；通过检测机敏线的通断来获取裂缝的出现、位置、宽度、长度、形状以及扩展等信息。最后将所有的信息通过控制电路传送到上位机中，以三维图像的形式呈现出来，更为直观的了解结构状态。

Description

基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统及方法

技术领域

本发明涉及结构裂缝监测领域，特别涉及一种用于结构损伤监测的压电超声-机敏网格系统及方法。

背景技术

目前，大部分大型混凝土结构其病害发展、性能退化及结构失效均源于裂缝等损伤的发生和发展，因此，结构损伤问题是混凝土结构健康和安全研究最重要的内容。及时发现、掌握混凝土损伤情况，就能及时把握结构状态，采取有效措施（如灌浆、加固等），降低养护要求，延长结构使用寿命，避免因损坏、垮塌给生命和财产带来损失。但是，常见的点式和分布式等传感方法难以实现裂缝损伤传感，如：目前常见的结构健康和安全传感方法主要有以应变、挠度传感为主的点式传感方法及以光纤和同轴电缆传感器为主的分布式传感方法；前者主要通过传感结构的宏观响应（频率，挠度等）分析结构状态。由于混凝土材料的特殊刚性材质及桥梁的大尺度性质，即使局部裂缝已经引起严重钢筋锈蚀、结构内部应力重组、甚至结构失效，大型混凝土结构宏观表现可能仍然不明显，因此在裂缝状态传感上收效甚微。而后者或者由于脆弱材质（分布式光纤），或者需要埋入结构内部（同轴电缆）等原因，也难以实际应用于结构裂缝传感。

另外，由2004年张奔牛等人提出的模拟皮肤神经系统的机敏网仿生传感方法：使用延展性远强于光纤材料的漆包铜线同时作为传感和通信材料，在结构表面上形成拟神经系统的网络状坐标；使用在同一端集成的信号发送/接收器电路作为漆包线通断判断。一旦结构上出现裂缝，粘贴其上的漆包线就会相应断裂，通过检测漆包线的通断情况就可获知裂缝状态。虽然，机敏网方法能够实现表面结构裂缝损伤传感，但不能实现裂缝内部损伤和结构应力场分析。该方法实现了对混凝土结构表面裂缝发生、发展、位置、长度、宽度、形状等关键量的精确长期在线传感。并应用于重庆綦江太平庄大桥、土坎乌江大桥（连续刚构梁桥）和马桑溪长江大桥（斜拉桥）等多座桥梁。虽然如此，机敏网仿生传感方法仍然不能够获得结构变形场、裂缝内部深度和范围等非表观信息。而这些信息对于掌握结构损伤发生前病害诱因及病害发生后损坏程度具有重要价值。

因此急需一种能实现对结构损伤进行全方位监测的系统和方法。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现对结构损伤进行全方位监测的系统和方法。

本发明的目的之一是提出一种基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统；本发明的目的之二是提出一种基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，包括上位机、控制电路、紧密粘贴于待监测结构上的压电超声阵列和机敏线网格；所述压电超声阵列包括压电超声发射单元和压电超声接收单元；

所述压电超声接收单元中的各压电超声接收元件与机敏线相连，所述机敏线由绝缘金属线组成，每一根线都设置相应编号，通过检测机敏线上是否有超声接收元件产生的电信号，判断机敏线是否断裂，从而获取裂缝的出现、位置、长度、形状以及扩展信息；所述机敏网格由以网状方式分布的机敏线构成；所述机敏线与控制电路相连；

所述压电超声发射单元由压电超发射元件组成，所述各压电超发射元件直接与控制电路中相连，当机敏网格确定了裂缝位置后，控制电路选择距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件测量裂缝深度。

进一步，所述压电超声接收单元中设置有编号的压电超声接收元件分布于机敏网格的网节点上，所述压电超声发射单元中设置有编号的压电超声发射元件分布于机敏网格四周，所述压电超声发射元件的编号与接收元件编号相对应。

进一步，所述机敏线包括数个直径不同的绝缘金属线，作用于裂缝宽度的检测。

进一步，还包括与压电超声接收元件相连的专用信号线，所述专用信号线与控制电路相连，用于直接向控制电路传输由待监测结构应力变化而导致压电超声接收元件产生的电信号，获取待检测结构表面应力变化的信息。

进一步，所述控制电路包括信号放大电路、微控制器、A/D采样电路、多路选择器、存储器和超声波发射电路；

所述信号放大电路，用于对压电超声接收元件产生的微弱电信号进行放大，以便信号的后续的处理；所述的微控制器，用于对整个控制电路的逻辑控制；所述A/D采样电路，用于将压电超声接收元件产生的模拟电信号转换为数字信号，以便用于数字电路处理；所述多路选择器，用于微控制器单独选通每一个压电超声发射元件、压电超声接收元件以及机敏线中的每一根绝缘金属线；所述的存储器，用于控制电路中对处理后的信号进行简单的存储；所述超声波发射电路，用于产生一个与压电超声发射元件相匹配的超声波信号。

进一步，还包括上位机，所述控制电路与上位机连接，所述上位机为计算机，用于接收控制电路发送的数据，并将数据进行处理，以动画的形式显示出裂缝的三维图像。

进一步，所述机敏线包括4个直径不同的绝缘金属线。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法，包括以下步骤：

S1：根据压电超声阵列和机敏网格建立相应的网络坐标系；

S2：通过网格中的专用信号线采集压电超声接收元件上产生的电信号，根据电信号变化判断结构应力的变化；

S3：通过判断机敏网格中的机敏线是否有电信号，从而判断机敏线是否断裂；

S4：如果否，则返回步骤S2；

S5：如果是，则通过断裂机敏线的编号和相关算法，确定裂缝的出现时间、位置、长度、宽度、形状以及扩展信息，并通过控制电路选择距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件，检测裂缝的深度。

进一步，还包括以下步骤：

S6：将所有的信息通过控制电路传送到上位机中，通过三维图像显示出应力的变化、裂缝信息，从而实现结构损伤信息的全方位监控。

进一步，所述结构裂缝状态参数包括裂缝损伤出现时间、位置、长度、宽度、深度、形状和结构应力变化；

所述裂缝损伤出现时间通过检测机敏线上是否有电信号来实现；所述裂缝损伤位置、形状和长度是通过检测机敏网格中断裂的机敏线编号来获取；所述裂缝损伤的宽度由不同直径的机敏线来确定；所述裂缝的扩展由长期的监测实现；所述裂缝损伤的深度由距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件来实现；所述结构应力的变化，通过检测压电超声接收元件上变化的电信号来实现。

本发明的优点在于：本发明采用压电超声阵列和机敏网格结合实现对结构损伤全方位的立体监测，在控制电路的作用下选择距离裂缝位置最佳的一个压电超声发射元件和接收元件来检测裂缝的深度。通过检测机敏网格的机敏线上电信号的通断检测裂缝出现时间、长度、位置以及形状。通过判断断裂机敏线的直径，实现宽度的测量。通过长期的监测对比来观察裂缝的扩展。通过检测压电超声接收元件上产生的电信号的变化，来实现结构应力的变化的检测。最后将所有的信息通过控制电路传送到上位机电脑中，通过三维图像显示出应力的变化、裂缝信息，从而实现结构损伤信息的全方位监控。同时将监测的数据发送到上位机电脑中，以三维图像的形式呈现出来，更为直观的了解结构状态。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为裂缝立体监测方法示意图；

图2为压电超声发射元件部分电路示意图；

图3为压电超声接收元件部分电路示意图；

图4为机敏网格示意图；

图5为三维图像显示示意图；

图6为基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法流程图。

图中，机敏线和信号线汇总1、压电超声发射元件2、压电超声接收元件3、信号线4、机敏线5、应力变化程度6、裂缝长度宽度形状等信息7、裂缝深度8。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为裂缝立体监测方法示意图，图2为压电超声发射元件部分示意图，图3为压电超声接收元件部分电路示意图，图4为机敏线网格示意图，图5为三维图像显示示意图，图6为基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法流程图，图中，机敏线和信号线汇总1、压电超声发射元件2、压电超声接收元件3、信号线4、机敏线5、应力变化程度6、裂缝长度宽度形状等信息7、裂缝深度8；如图所示：本发明提供的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，包括上位机、控制电路、紧密粘贴于待监测结构上的压电超声阵列和机敏线网格；所述压电超声阵列包括压电超声发射单元和压电超声接收单元；

所述压电超声接收单元中的各压电超声接收元件与机敏线相连，所述机敏线由绝缘金属线组成，每一根线都设置相应编号，通过检测机敏线上是否有超声接收元件产生的电信号，判断机敏线是否断裂，从而获取裂缝的出现、位置、长度、形状以及扩展信息；所述机敏网格由以网状方式分布的机敏线构成；所述机敏线与控制电路相连；

所述压电超声发射单元由压电超发射元件组成，所述各压电超发射元件直接与控制电路中相连，当机敏网格确定了裂缝位置后，控制电路选择距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件测量裂缝深度。

所述压电超声接收单元中设置有编号的压电超声接收元件分布于机敏网格的网节点上，所述压电超声发射单元中设置有编号的压电超声发射元件分布于机敏网格四周，所述压电超声发射元件的编号与接收元件编号相对应。

所述机敏线包括数个直径不同的绝缘金属线，作用于裂缝宽度的检测。

还包括与压电超声接收元件相连的专用信号线，所述专用信号线与控制电路相连，用于直接向控制电路传输由待监测结构应力变化而导致压电超声接收元件产生的电信号，获取待检测结构表面应力变化的信息

本实施例中每一个压电超声接收元件正负极都连接有4根直径不同的绝缘金属线，这4根线为机敏线，然后将每一个压电超声接收元件的机敏线按照一定的方向布置，就形成一个网格的体系，其中每一根机敏线都有相应的编号，再与控制电路相连。由于结构表面应力的变化，就会导致压电超声接收元件有电信号产生，控制电路通过多路选择器依次选通每一根机敏线，检测机敏线上是否有电信号，如果没有电信号则说明此机敏线已断裂，通过查看断裂的时间，就可以确定出裂缝时间，统计断裂机敏线的位置；然后确定裂缝的位置、长度、形状、扩展情况；由于不同直径的绝缘金属线具有不同的极限拉应变，因此通过判断断裂机敏线的直径，就可以得知裂缝的宽度。

所述控制电路包括信号放大电路、微控制器、A/D采样电路、多路选择器、存储器和超声波发射电路；

所述信号放大电路，用于对压电超声接收元件产生的微弱电信号进行放大，以便信号的后续的处理；所述的微控制器，用于对整个控制电路的逻辑控制；所述A/D采样电路，用于将压电超声接收元件产生的模拟电信号转换为数字信号，以便用于数字电路处理；所述多路选择器，用于微控制器单独选通每一个压电超声发射元件、压电超声接收元件以及机敏线中的每一根绝缘金属线；所述的存储器，用于控制电路中对处理后的信号进行简单的存储；所述超声波发射电路，用于产生一个与压电超声发射元件相匹配的超声波信号。

还包括上位机，所述控制电路与上位机连接，所述上位机为计算机，用于接收控制电路发送的数据，并将数据进行处理，以动画的形式显示出裂缝的三维图像。

所述机敏线包括4个直径不同的绝缘金属线。

本发明实施例还提供了一种基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法，包括以下步骤：

S1：根据压电超声阵列和机敏网格建立相应的网络坐标系；

S2：通过网格中的专用信号线采集压电超声接收元件上产生的电信号，根据电信号变化判断结构应力的变化；

S3：通过判断机敏网格中的机敏线是否有电信号，从而判断机敏线是否断裂；

S4：如果否，则返回步骤S2；

S5：如果是，则通过断裂机敏线的编号和相关算法，确定裂缝的出现时间、位置、长度、宽度、形状以及扩展信息，并通过控制电路选择距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件，检测裂缝的深度。

S6：将所有的信息通过控制电路传送到上位机中，通过三维图像显示出应力的变化、裂缝信息，从而实现结构损伤信息的全方位监控。

所述裂缝损伤出现时间通过检测机敏线上是否有电信号来实现；

所述裂缝损伤位置、形状和长度是通过检测机敏网格中断裂的机敏线编号来获取；

所述裂缝损伤的宽度由不同直径的机敏线来确定；

所述裂缝的扩展由长期的监测实现；

所述裂缝损伤的深度由距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件来实现；所述结构应力的变化，通过检测压电超声接收元件上变化的电信号来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，其特征在于：包括上位机、控制电路、紧密粘贴于待监测结构上的压电超声阵列和机敏网格；所述压电超声阵列包括压电超声发射单元和压电超声接收单元；

所述压电超声接收单元中的各压电超声接收元件与机敏线相连，所述机敏线由绝缘金属线组成，每一根线都设置相应编号，通过检测机敏线上是否有超声接收元件产生的电信号，判断机敏线是否断裂，从而获取裂缝的出现、位置、长度、形状以及扩展信息；所述机敏网格由以网状方式分布的机敏线构成；所述机敏线与控制电路相连；

所述压电超声发射单元由压电超发射元件组成，所述各压电超发射元件直接与控制电路中相连，当机敏网格确定了裂缝位置后，控制电路选择距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件测量裂缝深度；

所述压电超声接收单元中设置有编号的压电超声接收元件分布于机敏网格的网节点上，所述压电超声发射单元中设置有编号的压电超声发射元件分布于机敏网格四周，所述压电超声发射元件的编号与接收元件编号相对应。

2.根据权利要求1所述的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，其特征在于：所述机敏线包括数个直径不同的绝缘金属线，作用于裂缝宽度的检测。

3.根据权利要求1所述的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，其特征在于：还包括与压电超声接收元件相连的专用信号线，所述专用信号线与控制电路相连，用于直接向控制电路传输由待监测结构应力变化而导致压电超声接收元件产生的电信号，获取待检测结构表面应力变化的信息。

4.根据权利要求1所述的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，其特征在于：所述控制电路包括信号放大电路、微控制器、A/D采样电路、多路选择器、存储器和超声波发射电路；

所述信号放大电路，用于对压电超声接收元件产生的微弱电信号进行放大，以便信号的后续的处理；所述的微控制器，用于对整个控制电路的逻辑控制；所述A/D采样电路，用于将压电超声接收元件产生的模拟电信号转换为数字信号，以便用于数字电路处理；所述多路选择器，用于微控制器单独选通每一个压电超声发射元件、压电超声接收元件以及机敏线中的每一根绝缘金属线；所述的存储器，用于控制电路中对处理后的信号进行简单的存储；所述超声波发射电路，用于产生一个与压电超声发射元件相匹配的超声波信号。

5.根据权利要求1所述的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，其特征在于：还包括上位机，所述控制电路与上位机连接，所述上位机为计算机，用于接收控制电路发送的数据，并将数据进行处理，以动画的形式显示出裂缝的三维图像。

6.根据权利要求1所述的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测系统，其特征在于：所述机敏线包括4种直径不同的绝缘金属线。

7.基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据压电超声阵列和机敏网格建立相应的网络坐标系；

S2：通过网格中的专用信号线采集压电超声接收元件上产生的电信号，根据电信号变化判断结构应力的变化；

S3：通过判断机敏网格中的机敏线是否有电信号，从而判断机敏线是否断裂；

S4：如果否，则返回步骤S2；

S5：如果是，则通过断裂机敏线的编号和相关算法，确定裂缝的出现时间、位置、长度、宽度、形状以及扩展信息，并通过控制电路选择距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件，检测裂缝的深度；

所述压电超声阵列包括压电超声发射单元和压电超声接收单元，所述压电超声接收单元中设置有编号的压电超声接收元件分布于机敏网格的网节点上，所述压电超声发射单元中设置有编号的压电超声发射元件分布于机敏网格四周，所述压电超声发射元件的编号与接收元件编号相对应。

8.根据权利要求7所述的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法，其特征在于：还包括以下步骤：

S6：将所有的信息通过控制电路传送到上位机中，通过三维图像显示出应力的变化、裂缝信息，从而实现结构损伤信息的全方位监控。

9.根据权利要求7所述的基于压电超声-机敏网格的结构损伤监测方法，其特征在于：所述结构裂缝状态参数包括裂缝损伤出现时间、位置、长度、宽度、深度、形状、扩展和结构应力变化；

所述裂缝损伤出现时间通过检测机敏线上是否有电信号来实现；所述裂缝损伤位置、形状和长度是通过检测机敏网格中断裂的机敏线编号来获取；所述裂缝损伤的宽度由不同直径的机敏线来确定；所述裂缝的扩展由长期的监测实现；所述裂缝损伤的深度由距离裂缝位置最佳的一对压电超声发射元件和接收元件来实现；所述结构应力的变化，通过检测压电超声接收元件上变化的电信号来实现。