CN103472095A - 一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置，包括波形发生器（1）、驱动器（2）、传感器（3）、信号接收设备（4）、数字滤波器（5）、数字示波器（6）和模糊推理系统（7）；波形发生器（1）发出信号后依次经过驱动器（2）、传感器（3）、信号接收设备（4）、数字滤波器（5）、数字示波器（6）和模糊推理系统（7）。本发明在对混凝土结构抗压强度与应力波振幅相关关系分析的基础上，研究了利用压电陶瓷机敏模块实现混凝土抗压强度间接监测的原理、方法，论证了本发明的可行性和有效性，对于基于压电陶瓷材料的水工混凝土结构强度监测具有重要意义。

Description

一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种监测水工混凝土强度指标的测试装置和方法，具体涉及到一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置及方法。

背景技术

挡水建筑物在承受上游巨大水压力的同时，还要承受着诸如地震、气候骤变、混凝土收缩破坏、老化、腐蚀等的破坏。大体积水工混凝土结构在浇筑过程中会产生大量的水化热，随着时间的推移，混凝土内部的温度会逐渐降低至一个相对稳定的值，在此期间，混凝土强度一直处于变化中，若温度控制不当极易导致裂缝的产生和发展。对于水工混凝土强度指标的监控，急切需要新材料及新技术的引入，达到实时、高效及准确的监测及控制。

压电陶瓷在土木、航天、建筑以及材料科学方面具有广泛的应用，范围涵盖与电学相关的传感器领域到与力学相关的结构、振动领域，应用前景广阔，并且压电陶瓷传感器具有频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗少、成本低等优点，由其构成的结构监测系统能够灵敏的感应监测到结构损伤的存在和强度的变化情况。压电陶瓷材料用于大体积水工混凝土结构监测和诊断，具有成本低廉、响应快、能耗低、灵敏度高等许多优点，但水工混凝土结构多体型庞大、施工过程复杂、服役时间长，而压电陶瓷片自身材质较脆、对外界环境反应极为敏感，直接埋设于被监测主体结构中，极易造成压电陶瓷片的损坏。因此，将压电陶瓷应用到大体积水工混凝土结构中，对水工混凝土强度指标的测试仍是一个空白。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可保证结构监测的有效性和长期性的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置及方法。

技术方案：本发明所述的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置，包括波形发生器、驱动器、传感器、信号接收设备、数字滤波器、数字示波器和模糊推理系统；波形发生器发出信号后依次经过驱动器、传感器、信号接收设备、数字滤波器、数字示波器和模糊推理系统；

所述驱动器和传感器均为压电陶瓷机敏模块（CPSM，Concrete PZT SmartModule），所述驱动器和所述传感器分别埋入在待测水工混凝土试件的两端；

所述压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片、硫化硅橡胶层、信号线和外包混凝土，所述硫化硅橡胶层包覆在所述压电陶瓷片的外围，包覆有硫化硅橡胶层的压电陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信号线的一端焊接在压电陶瓷片上，另一端穿过外包混凝土与其他元器件连接。

借助本发明装置，通过在水工混凝土试块中安放压电陶瓷机敏模块对作为驱动器和传感器，采用波动法，收集混凝土试块在浇筑过程中的应力波振幅，应用模糊推理方法分析构建了混凝土试块强度与应力波幅值的数学关系模型，从而实现混凝土强度的间接监测。本发明装置除了混凝土压电陶瓷机敏模块之外，通常需要配备信号生成设备和信号采集设备等，其与混凝土压电陶瓷机敏模块构成一套结构监测系统，制作混凝土压电陶瓷机敏模块时不可避免的出现漏电现象，接收到的信号中可能混有交流电的频率，故将传感器连接数字滤波器；经过滤波器的信号通过示波器可以测量出收到的应力波的幅值，以此用于混凝土强度监测。

制备机敏模块时，对于压电陶瓷片的外包混凝土来讲，其仅起到一个传递应力的作用，而非承力的主体，故在制作过程中无需加入粗集料和钢筋等材料，所述外包混凝土由水、细集料的水泥砂浆进行浇筑，这样可减少粗集料及钢筋和其他性质分布不均匀的配料在压电陶瓷片上产生的局部应力集中；对于压电陶瓷片需综合考虑其容易破坏的性质、压电陶瓷机敏模块接收和发射信号的应用性质等多种因素，并且，还要去除其表面的氧化膜，以保证压电陶瓷机敏模块具有良好的电荷传输功能；对于信号线，待表面干燥后焊接导线，焊接点尽量保证足够小，以保证表面所涂防水层足够薄，焊接完成再用酒精清洗；考虑到压电陶瓷片自身材质较脆，而外包混凝土又是一种复杂的多物相复合材料，若不作任何处理就将压电陶瓷片直接埋入混凝土模块中，在混凝土凝结过程中，混凝土体积会逐渐缩小而产生收缩应力，导致埋入其中的压电陶瓷片上形成应力集中，损伤压电陶瓷片，并且单组分硫化硅橡胶质地柔软，防水性好，且能够较好的避免压电陶瓷片埋入混凝土中可能出现的应力集中现象,基于上述两个方面的因素在压电陶瓷片外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶以达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片的效果，具体见附图3所示；应力、位移从压电陶瓷片向外层混凝土传递过程中沿极化方向上呈圆形等势面，故将压电陶瓷机敏模块的体型确定为圆柱形；压电陶瓷机敏模块放在水泥混凝土标准养护箱里养护28天后，压电陶瓷机敏模块中压电陶瓷片外包混凝土达到一定强度后，即可用于后续水工混凝土结构的强度监测。

本发明基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置进行水工混凝土强度监测的方法，包括如下步骤：

（1）建立混凝土水化过程中应力波振幅变化与强度的映射关系；混凝土为水泥、水、细砂掺合料，在硬化或水化的过程中其强度会随着时间的延长而逐渐变大，在浇筑起始阶段的强度增长最快，28天后混凝土的强度开始趋于稳定，基于28天的混凝土强度f′_c设计混凝土结构。应力波在混凝土中的传播沿极化方向可以看作一维纵向传播，具体见附图4；微小单元的波动方程可表示为

式中：σ为轴向应力；u为轴向位移；A为微小单元截面积；ρ为混凝土密度；表征微小单元的应力差；表征微小区间的惯性力。忽略应变速度的影响，设E为混凝土弹性模量，ε为轴向应变，由虎克定律可得 $\mathrm{\σ}=\mathrm{E\ϵ}=-E\frac{\∂u}{\∂z},$ 由上述两公式可得 $\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂z}^2}=\frac{1}{c_b^2}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}(c_b^2=E/\mathrm{\ρ}),$ 式中：u为单元位移；E为介质材料的弹性模量；ρ是介质材料的密度。一定时间段内简谐波的能量可以表示为

式中：p为简谐波的能量，A为简谐波的振幅，ω为角频率；上式可以表示为由该式可以看出，简谐波的振幅受介质弹性模量的影响。在混凝土硬化过程中，随着时间的推移，混凝土的刚度会逐渐增大，而弹性模量E又是混凝土刚度的反映，混凝土刚度的增加必然引起简谐波振幅的降低。因此，通过监测介质中弹性波的振幅可以间接获知混凝土在水化阶段的强度发展情况。

（2）由应力波振幅变化与强度的映射关系构建模糊推理系统平台；模糊推理系统是建立在模糊集合论、模糊规则和模糊推理等基础上的计算框分析工具，从功能上来看，模糊推理系统主要由模糊化、模糊规则库、模糊推理方法及去模糊化几部分组成，具体见附图5。其中，对于模糊化来讲，精确值输入模糊推理系统时，一般要将其模糊化成给定论域上的模糊集合，为了利用模糊推理系统，依据前期混凝土应力波振幅推测后期应力波幅值，采用高斯隶属函数法进行模糊化处理。设x^*为精确值，为转换后的模糊集合，高斯隶属函数法表示为：

式中：μ为隶函数值；x为输入值；参数σ为隶函数的宽度，其描述了高斯函数的陡度；对于模糊规则库来讲，根据混凝土的强度和其中传播的应力波波幅存在的一定对应关系，建立模糊规则；去模糊化又称为清晰化,使用中心平均去模糊化法，即最大隶属度法与重心法两者的折中，若模糊推理结果由N个模糊集合组成，令

为第i个模糊集合的中心，为该模糊集合所对应的最大隶属度，则通过中心平均去模糊化方法得到的清晰值y^*为

对于有N个元素的离散论域，模糊集合的中心实质上就是模糊单点值y_i，最大隶属度

实质上就是y_i对应的隶属度μ(y_i)，则利用中心平均去模糊化方法得到的清晰y^*为

式中，y_i为模糊单点值，μ(y_i)为y_i对应的最大隶属度，y^*为输出值。

（3）由波形发生器发射信号，激励待测水工混凝土试件中的驱动器产生应力波，应力波在待测水工混凝土试件中传播，通过另一端的传感器接收；应力波经过信号接收设备、数字滤波器的滤去其中的低频噪声信号后，通过示波器测量出收到的应力波的幅值，将采集的应力波幅值输入训练好的模糊推理系统平台，即可获得混凝土的抗压强度预测值。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1、本发明在对混凝土结构抗压强度与应力波振幅相关关系分析的基础上，研究了利用压电陶瓷机敏模块实现混凝土抗压强度间接监测的原理、方法，论证了本发明的可行性和有效性，对于基于压电陶瓷材料的水工混凝土结构强度监测具有重要意义。2、本发明基于压电陶瓷材料的智能性、驱动性和传感性的机理，结合水工结构工程的基本特点，研发了用于水工混凝土强度监测的试验平台，对实现水工混凝土结构安全监测具有重要意义；基于压电陶瓷主动传感、响应快、可以制成不同的形状、应用较为简单以及相对便宜的特性，使得本测试平台相对于传统的测试平台，具有精度高、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等众多优点，对于其在大坝安全监控方面的运用具有重要的意义。

附图说明

图1为基于CPSM的结构强度监测系统组成示意图；

图2为CPSM的基本组成示意图；

图3为压电陶瓷片防护措施示意图；

图4为一维结构任意单元受力情况图；

图5为模糊推理流程图；

图6为模型几何尺寸示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案，基于附图1～3所示，本水工混凝土强度测试平台以Agilent33250A任意波形发生器、Φ25mm×（25～30）mm圆柱体的混凝土压电陶瓷机敏模块、dSPACE公司的DS1103系统信号接受器、数字滤波器、DSO7034B型数字示波器、模糊推理系统、被测混凝土块结构体（82cm×52cm×40cm）等构成。对于混凝土压电陶瓷机敏模块由型号为SD-5TC硫化硅橡胶、混凝土试件及埋入混凝土试件中PCB公司的PIC151型压电陶瓷片、信号线等构成。

基于上述的测试装置，本发明所述基于压电机敏模块的水工混凝土强度测试方法如下：

步骤一、设计及制备混凝土压电机敏模块。由于压电陶瓷机敏模块需要兼有发射和接收超声信号的能力，故选择压电陶瓷片时必须考虑发射功率和敏感性等因素，本实施例中选用PCB公司的PIC151型压电陶瓷片，利用玻璃刀将压电陶瓷片切割成规格为长度×宽度×厚度=10mm×10mm×1mm的小压电陶瓷片，用酒精去除表面的氧化膜，待表面干燥后焊接导线，焊接完成再用酒精清洗，使用SD-5TC型号单组分硫化硅橡胶来保护埋入混凝土中的压电陶瓷片，采用C32.5硅酸盐水泥、细集料，以水、细集料、水泥的重量比为1：2.9：2.09的水泥砂浆进行机敏模块的浇筑。考虑到其他仪器配套以及对比分析，试验中将混凝土压电陶瓷机敏模块浇铸成Φ25mm×（25～30）mm的圆柱体，将压电陶瓷机敏模块放在水泥混凝土标准养护箱里养护28天后，压电陶瓷机敏模块中压电陶瓷片外包混凝土达到一定强度后，即可用于后续水工混凝土结构的强度监测。

步骤二、设计及制作待监测模型。试验中采用标号为C32.5的低热混凝土，混凝土模型制作过程中未加入粗集料和钢筋等材料，而只使用了砂和水泥，水、细砂和水泥的重量比仍为1:2.9:2.09。模型尺寸为82cm×52cm×40cm,在模型中心处设置三组压电陶瓷机敏模块分别作为驱动器和传感器用于混凝土水化过程中应力波振幅的收集，进而实现混凝土强度的间接监测。它们两两相距10cm，且极化方向在同一条直线上；在它们之间竖立4根钢管，以便通过温度计测量水化热的变化情况。模型尺寸和制作过程见附图6所示，图中单位为cm，13为钢管，14为压电陶瓷机敏模块（CPSM）。

步骤三、配备信号的发射与采集装置平台。采用任意波形发生器Agilent33250A发射任意信号，采用DSO7034B示波器获取信号能量和频率的关系。任意波形发生器Agilent33250A为单通道波形发生器，其发射频率范围为1μHz～80MHz，信号幅值范围为1mV～10V，同频率情况下，幅值越大，能量越大。发射的信号用于激励压电陶瓷机敏模块发射信号，同时压电陶瓷机敏模块发射的信号又被其他的混凝土压电陶瓷机敏模块接收，经过数字滤波器的滤波，最终以数字的形式在数字示波器上显示出来。在混凝土水化过程中，利用任意波形发生器发射不同频率信号，通过示波器获得不同频率下的CPSM所接收到的信号，根据其幅值的大小情况确定后续试验中采用信号的频率。本实施例试验方案设计的PZT-1-1和PZT-1-2、PZT-2-1和PZT-2-2、PZT-3-1和PZT-3-2两两同轴，且相距均为10cm；将PZT-1-1、PZT-2-1和PZT-3-1分别作为驱动器，PZT-1-2、PZT-2-2和PZT-3-2分别作为传感器感应信号，如图6。

步骤四、基于埋置压电陶瓷机敏模块进行大尺寸混凝土测试试验。埋置三组压电陶瓷机敏模块（编号：PZT-1-1和PZT-1-2，PZT-2-1和PZT-2-2，PZT-3-1和PZT-3-2）的较大尺寸混凝土模型，并对此模型进行试验，试验中选择频率为22kHz的超声信号作为发射频率。Agilent任意波形发生器输出的激励电压振幅为10V。一端压电陶瓷机敏模块被激发发射超声信号，对应的另一端压电陶瓷机敏模块接收由于在混凝土中传播而引起衰减的信号，利用压电陶瓷机敏模块采集到的混凝土试块水化过程应力波幅值。

步骤五、利用设计好的模糊推理系统，经训练后可实现借助压电陶瓷机敏模块的混凝土强度间接监测。其中对于模糊规则库，应力波的振幅随着混凝土弹性模量的增大而减小，应力波的振幅而混凝土的弹性模量正比例于混凝土的强度，即混凝土的弹性模量在水化过程中随着混凝土强度的发展而不断增大，因此，指定如下模糊规则，规则一：如果应力波振幅A为大，则混凝土抗压强度C为小；规则二：如果应力波振幅A为较大，则混凝土抗压强度C为较小；规则三：如果应力波振幅A为一般，则混凝土抗压强度C为一般；规则四：如果应力波振幅A为较小，则混凝土抗压强度C为较大；规则五：如果应力波振幅A为小，则混凝土抗压强度C为大。选择第7天～第12天共13个样本点（间隔为12个小时）的应力波幅值和对应的混凝土强度实测值组成训练样本集，训练模糊推理系统。

步骤六、实现混凝土抗压强度的间接监测。将压电陶瓷机敏模块采集的应力波振幅输入上述训练好的模糊推理系统，即可获得混凝土的抗压强度预测值。试验中，将第15～28天由PZT-2-2采集到的应力波振幅作为模糊推理系统的输入，得到的混凝土抗压强度。有分析结果可知，借助模糊推理系统，间接得到的混凝土强度与由万能试验机直接测得的强度值相差较小，误差在5%之内，据此验证了该测试装置及方法的合理性、精确性及有效性。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置，其特征在于：包括波形发生器（1）、驱动器（2）、传感器（3）、信号接收设备（4）、数字滤波器（5）、数字示波器（6）和模糊推理系统（7）；波形发生器（1）发出信号后依次经过驱动器（2）、传感器（3）、信号接收设备（4）、数字滤波器（5）、数字示波器（6）和模糊推理系统（7）；

所述驱动器（2）和传感器（3）均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器（2）和所述传感器（3）分别埋入在待测水工混凝土试件（8）的两端；

所述压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片（10）、硫化硅橡胶层（12）、信号线（11）和外包混凝土（9），所述硫化硅橡胶层（12）包覆在所述压电陶瓷片（10）的外围，包覆有硫化硅橡胶层（12）的压电陶瓷片（10）埋入在外包混凝土（9）中；所述信号线（11）的一端焊接在压电陶瓷片（10）上，另一端穿过外包混凝土（9）与其他元器件连接。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置，其特征在于：所述压电陶瓷机敏模块为圆柱形。

3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置，其特征在于：所述外包混凝土（9）由水、细集料的水泥砂浆进行浇筑。

4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷机敏模块的水工混凝土强度监测装置进行水工混凝土强度监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建立混凝土水化过程中应力波振幅变化与强度的映射关系；

（2）由应力波振幅变化与强度的映射关系构建模糊推理系统平台；

（3）由波形发生器发射信号，激励待测水工混凝土试件中的驱动器产生应力波，应力波在待测水工混凝土试件中传播，通过另一端的传感器接收；应力波经过信号接收设备、数字滤波器的滤去其中的低频噪声信号后，通过示波器测量出收到的应力波的幅值，将采集的应力波幅值输入训练好的模糊推理系统平台，即可获得混凝土的抗压强度预测值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

步骤（1）中，应力波在混凝土中的传播沿极化方向看作一维纵向传播；微小单元的波动方程表示为 $A\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂z}\mathrm{dz}+\mathrm{A\ρ}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}\mathrm{dz}=0,$

式中：σ为轴向应力；u为轴向位移；A为微小单元截面积；ρ为混凝土密度；

表征微小单元的应力差；

表征微小区间的惯性力；

忽略应变速度的影响，设E为混凝土弹性模量，ε为轴向应变，由虎克定律可得 $\mathrm{\σ}=\mathrm{E\ϵ}=-E\frac{\∂u}{\∂z},$ 由上述两公式可得 $\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂z}^2}=\frac{1}{c_b^2}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}(c_b^2=E/\mathrm{\ρ});$ 式中：u为单元位移；E为介质材料的弹性模量；ρ是介质材料的密度；

一定时间段内简谐波的能量可以表示为

式中：p为简谐波的能量，A为简谐波的振幅，ω为角频率；

上式可以表示为

由该式得出，简谐波的振幅受介质弹性模量的影响；通过监测介质中弹性波的振幅间接获知混凝土在水化阶段的强度发展情况。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

步骤（2）中，根据混凝土的强度和其中传播的应力波波幅的应关系，建立模糊规则；使用中心平均去模糊化法，即最大隶属度法与重心法两者的折中，若模糊推理结果由N个模糊集合组成，令

为第i个模糊集合的中心，

为该模糊集合所对应的最大隶属度，则通过中心平均去模糊化方法得到的清晰值对于有N个元素的离散论域，模糊集合的中心

实质上就是模糊单点值y_i，最大隶属度

实质上就是y_i对应的隶属度μ(y_i)，则利用中心平均去模糊化方法得到的清晰y^*为

式中，y_i为模糊单点值，μ(y_i)为y_i对应的最大隶属度，y^*为输出值。

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