CN103472142A - 一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水工混凝土结构损伤主动监测装置，包括振动台（1）、波形发生器（2）、驱动器（3）、传感器（4）、数字滤波器（6）、数字化采集器（5）、小波包分析系统（7）及被测水工混凝土结构体（8）；所述被测水工混凝土结构体（8）设置在振动台（1）上，所述波形发生器（2）对所述驱动器（3）发出扫频信号后，激励所述驱动器（3）产生应力波，应力波在被测水工混凝土结构体（8）中传播被传感器（4）接收，应力波信号依次再经过数字滤波器（6）、数字化采集器（5）和小波包分析系统（7）。本发明的测试平台对实现水工混凝土结构健康监测具有重要意义，具有高精度、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等优点。

Description

一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法。

背景技术

裂缝是水工混凝土结构老化和病变的主要反应，对混凝土结构的危害很大。其是水工混凝土结构最常见的损伤病变，其产生和发展是结构功能衰退的重要特征之一，对结构的适应性、耐久性、承载能力等具有重要影响，甚至会引起结构破坏失事。对于裂缝损伤的有效识别是水工混凝土结构健康监测和诊断的一项重要内容，急切需要成熟的新材料及新技术的引入，达到对水工混凝土结构损伤的实时、高效及准确的监测及控制。

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，由其构成的结构健康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。在水工混凝土结构健康主动监测过程中，被作为传感器和驱动器，在一定程度上削弱了外界环境变化对压电陶瓷片的影响，可以延长压电陶瓷片的使用寿命，保证结构健康监测的有效性和长期性。

由于混凝土裂缝损伤的复杂性，确定损伤的敏感频率非常困难。

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，提供一种水工混凝土结构损伤主动监测装置及方法。

发明人发现，信号的幅值是对混凝土强度较为敏感的参数，故信号幅值可以作为损伤识别的重要特征参量；混凝土裂缝损伤给信号主频带来的影响较小，但变化时信号幅值的衰减程度具有明显的影响，说明信号主频是影响信号对损伤敏感性的重要因素；建议采用扫频信号作为损伤监测信号，扫频信号频率具有一定的变化范围，有助于提高信号对损伤的敏感性。

基于上述研究的启发，根据混凝土结构损伤的动荷载试验，通过在混凝土模型中成对埋设的混凝土压电陶瓷机敏模块（CPSM，Concrete PZT Smart Module），发明了基于波动分析法的混凝土裂缝损伤主动监测的实现方法，以CPSM扫频信号为分析对象，引入小波包工具对信号进行分析的基础上，试验研究了一种基于信号节点能量的损伤识别方法。

技术方案：本发明所述的水工混凝土结构损伤主动监测装置，如图1所示，包括振动台、波形发生器、驱动器、传感器、数字滤波器、数字化采集器、小波包分析系统及被测水工混凝土结构体；所述被测水工混凝土结构体设置在振动台上，所述波形发生器对所述驱动器发出扫频信号后，激励所述驱动器产生应力波，应力波在被测水工混凝土结构体中传播被传感器接收，应力波信号依次再经过数字滤波器、数字化采集器和小波包分析系统；

所述驱动器和传感器均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器和所述传感器分别埋入或粘贴在待测水工混凝土结构体的两端；

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。

对于数据采集系统，一般使用dSPACE（digital Signal Processing AndControl Engineering）为数据采集系统，其用于信号的数字化采集，dSPACE由硬件系统和软件系统两大部分组成，硬件系统具有高速的处理功能，软件系统包括从Simulink模型到dSPACE实时代码自动生成的工具和对实验进行可视化、自动化管理的一系列软件。

小波包分析系统，主要由一个三层树状结构构成，其组成示意图见附图2。小波分解是将信号分解成低频P₁和高频D₁各占一半的频带，低频P₁中失去的信息由高频D₁捕获；在下一层分解中，又将P₁分解成低频P₂和高频D₂两部分，两部分各占P₁部分的一半，低频P₂失去的信息由D₂捕获。小波包分解不同于小波分解，小波包不仅对低频部分进行分解，而且也对高频部分进行分解。小波包分解是一种比小波分解更精细的分解方法。小波在有限持续时间内的均值为零，表达式为

选取Ψ(t)为小波母函数，则函数f(x)的连续小波变化可表达为 $W_f(a,b)=\frac{1}{\sqrt{a}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)\stackrel{-}{\mathrm{\Ψ}}\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt},$ 式中：a为扩张参数且满足a＞0；b为变化参数且满足b∈R；表示复数的共轭。小波包分析算法和重构算法可表达为： $\left.\begin{array}{c}{d}_k^{2m}=\frac{1}{2}\underset{L}{\mathrm{\Σ}}{d}_L^m{g}_{L-2k}\\ d_k^{2m+1}=\frac{1}{2}\underset{L}{\mathrm{\Σ}}{g}_L^m{h}_{L-2k}\end{array}\right\},$ $d_k^m=\underset{L}{\mathrm{\Σ}}{d}_L^{2m}{h}_{k-2L}+\underset{L}{\mathrm{\Σ}}{d}_L^{2m+1}{g}_{k-2L},$ 式中：g_k,h_k为正交共轭滤波器系数。

波动分析法(Wave-based method)的示意图见附图3，其是将压电陶瓷机敏模块贴于结构表面或者埋入结构内部，使压电陶瓷机敏模块和被监测结构构成压电智能结构系统，通过压电陶瓷机敏模块驱动器产生激励，由压电陶瓷机敏模块传感器产生信号；通过分析由于结构损伤或缺陷出现而引起信号幅值衰减、模态参数变化、传递时间延迟等前后传感器接收信号差异，来识别结构的损伤或缺陷，进而诊断结构的健康状况。

压电陶瓷片为一种人工制作的压电材料，为铁电体一类的物质；压电陶瓷片的混凝土包层，其主要由水泥砂浆构成；信号线，一般是待压电陶瓷片的表面干燥后焊接而上的；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，考虑到压电陶瓷片自身材质较脆，一般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；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，所以压电陶瓷机敏模块对的体型一般可以使用圆柱体。

利用压电陶瓷片作为主要传感器元件的结构健康监测与诊断中，基于本体结构的常见结合方式有两种，粘贴式和埋入式。具体采用何种方式主要取决于本体结构的材料特点及所采用的监测模式等。前一种方法是对压电陶瓷机敏模块与结构接触部位打磨和擦拭处理后，将压电陶瓷机敏模块直接粘贴在结构表面。后一种方法是将压电陶瓷机敏模块埋置在本体结构内部，故可在一定程度上削弱温度、湿度等外界环境变化对压电陶瓷机敏模块的影响，压电陶瓷机敏模块的有效封装是采取埋入式结合方式特别需要重视的关键技术。

设计及制备压电陶瓷机敏模块。基于压电陶瓷的基本特性及工程实际情况，制定其制作流程为：①选择压电陶瓷片。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，所以选择压电陶瓷片时须考虑发射功率和敏感性等因素；②切割陶瓷片。利用玻璃刀将压电陶瓷片切割成固定规格的小压电陶瓷片，并且用酒精除去表面的氧化膜；③焊接信号线及保护压电陶瓷片。待表面干燥后焊接导线，在其外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片；④用水泥砂浆进行机敏模块的浇筑。

利用水工混凝土结构损伤主动监测装置进行水工混凝土结构损伤主动监测的方法，包括如下步骤：

（1）波形发生器发射正弦扫频激励信号，激励压电陶瓷机敏模块驱动器发射应力波信号；

（2）应力波信号在待测水工混凝土结构体中传播，被设置在待测水工混凝土结构体中的压电陶瓷机敏模块传感器接收；

（3）信号经过数字滤波器的滤波，滤去信号中低频噪声信号，然后被数字化采集器采集；通过MATLAB/Simulink建立的仿真模型如图4所示，图中MUXADC为RTI模块，其功能是实现模拟信号的数字化采集。

（4）信号传递到小波包分析系统，利用小波包分解不同结构状态下的小波信号，获取不同节点的小波包节点能量，通过同一节点能量下的变化情况判断结构的健康状况，最终达到混凝土结构损伤的监控。

步骤（4）中，压电陶瓷机敏模块（CPSM）接收的信号被N层小波包分解为2ⁿ个信号集

其中X_j表示为X_j＝{x_j,1,x_j,2,...,x_j,m}，m为样本数目；

分解信号的小波包节点能量E_i,j表示为

式中：i为时间指标；j为频带（1，2，...，2ⁿ）；

指标i处的小波包节点能量向量E_j表示为

利用压电陶瓷机敏模块的混凝土结构损伤主动监测，本质上是一种状态监测，结构的“健康状态”是损伤标定和评判的基础，即将结构健康状态下的能量作为基准信号能量，依据结构损伤状态下信号能量与基准信号能量的比较，来刻画结构的损伤程度；由小波包节点能量构建损伤指标为

式中：E_h,j为结构健康状态下的小波包节点能量；E_i,j为结构损伤状态下的小波包节点能量。由小波包能量谱通过某种变换可以有效地提取结构的损伤特征信息，从而获得适用于损伤识别的结构损伤指标。采用小波包分解结构动力响应时，噪声能量均匀的分布在各个频带上，因此，能量较小的频带易受噪声的干扰，在构造结构损伤特征时应选用小波包能量较大的频带。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明研究了CPSM信号的小波包分解方法，分析了CPSM信号幅值与小波包节点能量的相关关系，提出了一种基于小波包节点能量的混凝土结构损伤识别方法，构建了基于小波包节点能量的混凝土结构损伤指标计算模型。试验结果表明，以信号能量定义的损伤指标随结构损伤程度的增加呈明显的变化，损伤指标能够较好地反映损伤的存在和程度。其论证了利用混凝土压电陶瓷机敏模块（CPSM）进行结构损伤识别和诊断的可行性和有效性，并且本发明基于水工结构健康监测和诊断的应用环境及特点，确定了混凝土压电陶瓷机敏模块的设计及制作过程，对压电陶瓷片防护措施、外包材料组成和浇筑等关键技术环节进行了研究，最终设计了一套基于压电陶瓷机敏模块的混凝土结构损伤监测测试平台，对水工混凝土结构的损伤监测领域具有重要理论及实际意义。本发明的测试平台基于CPSM信号对损伤的敏感性、混凝土的损伤特征参量、损伤识别方法以及损伤指标等特性研发了一种用于水工混凝土结构损伤的主动监测试验平台，对实现水工混凝土结构健康监测具有重要意义；压电陶瓷材料具有响应快、主动传感、应用简单、可以制成不同类形状以及价格便宜的特点，使得本测试平台具有高精度、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等大量优点。

附图说明

图1为结构损伤监测动荷载试验平台组成图；

图2为小波包分解树状结构示意图（3层）；

图3为波动分析法示意图；

图4为用于动荷载作用下结构健康诊断的dSPACE仿真模型图；

图5为重力坝模型几何参数及CPSM布置示意图；

图6为CPSM的基本组成示意图。

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：本发明装置水工混凝土结构损伤主动监测装置，包括振动台1、波形发生器2、驱动器3、传感器4、数字滤波器6、数字化采集器5、小波包分析系统7及被测水工混凝土结构体8；所述被测水工混凝土结构体8设置在振动台1上，所述波形发生器2对所述驱动器3发出扫频信号后，激励所述驱动器3产生应力波，应力波在被测水工混凝土结构体8中传播被传感器4接收，应力波信号依次再经过数字滤波器6、数字化采集器5和小波包分析系统7；所述驱动器3和传感器4均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器3和所述传感器4分别埋入或粘贴在待测水工混凝土结构体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。

对于待监测水工混凝土结构体采用重力坝模型来进行测试，在混凝土重力坝模型中成对的埋设CPSM，振动台输出信号为正弦扫频信号；扫频信号通过信号发生器－Agilent33250A任意波形发生器；扫频信号有一个初始频率、结束频率及扫频时间等基本参数；为了保证采集的数据能够较为精确地反映实际的信号情况，本实施例通过dSPACE采集信号的采样频率为最大采用频率的10倍；滤波器采用高通滤波器，其截止频率为120Hz，目的在于将振动台正弦信号和交流电的频率过滤掉，以降低振动台信号对CPSM接收信号的影响，利用小波包信号分解法和基于信号能量的损伤指标，进行重力坝模型的裂缝损伤识别和诊断。

通过上述构建的测试装置，该发明所述基于压电机敏模块的水工混凝土结构损伤测试流程如下：

步骤一、设计及制作混凝土被监测结构体。为了尽量减少对CPSM信号的干扰，提高CPSM的信号质量，采用与混凝土压电陶瓷机敏模块相同的水灰比，本实施例中使用水：细砂：水泥=1：2.9：2.09，浇筑的混凝土重力坝模型见附图5；

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，结构如图6所示。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，即可用于监测。

步骤二、确定压电陶瓷片与本体结构的结合方式。本实施例中将压电陶瓷片埋置在本体结构内部，故可在一定程度上削弱温度、湿度等外界环境变化对压电陶瓷片的影响，即在重力坝模型的浇筑过程中，在重力坝坝踵和坝趾附近成对的预埋设压电陶瓷机敏模块，如图5所示。图中，13表示压电陶瓷机敏模块（CPSM），其中PZT-1-1、PZT-2-1为驱动器，PZT-1-2、PZT-2-2为传感器；

步骤三、使用人造损伤的方法创建人工裂缝。重力坝模型的损伤模式采取人造损伤的方法，在重力坝坝踵部位人工切割出一道裂缝，此裂缝位于一对CPSM之间。试验中，模拟了三个深度（25mm、45mm、60mm）的裂缝，从而与健康状态下的模型作比较，分析CPSM的信号节点能量和节点总能量的变化情况，以评定利用压电陶瓷机敏模块进行混凝土结构裂缝损伤监测的可行性和可靠性。

步骤四、选用压电波动法进行水工混凝土结构损伤的主动监测。本实施例中分别针对结构完整状态和裂缝深度25mm、裂缝深度45mm、裂缝深度60mm三种损伤状态，设定振动台的等效加速度（1.0g、1.2g、1.4g、1.6g、1.8g和2.0）作为动荷载，其中振动台输出信号为正弦信号，频率为100Hz；扫频信号通过Agilent信号发生器；扫频信号初始频率为150Hz、结束频率为1000Hz、扫频时间为10s，在1.0g等效加速度下，结构健康、裂缝深度25mm、裂缝深度45mm、裂缝深度60mm时CPSM（PZT-1-2）接收的扫频信号的幅值在扫频范围内（150～1000Hz）随着发射频率的增大而增大；为了保证采集的数据能够较为精确地反映实际的信号情况，本实施例中通过dSPACE采集信号的采样频率为最大采用频率的10倍，即采用频率10000Hz；滤波器采用高通滤波器，其截止频率为120Hz，目的在于将振动台正弦信号和交流电的频率过滤掉，以降低振动台信号对CPSM接收信号的影响。

步骤五、构建基于CPSM的小波包分解系统。基于上一步完成时分别对通过CPSM（PZT-1-1）发射、CPSM（PZT-1-2）接收到的150～1000Hz扫频信号进行5层一维小波包分解，得2⁵＝32阶子波。可以得到结构完整状态和三种损伤状态状态下振动台等效加速度为1.0g时的前六阶小波包子波，有此可以看出在相同等效加速度下，各状态的同阶小波子波波形有所不同，有此可以判定，两个压电陶瓷机敏模块之间的裂缝是引起各同阶小波子波波形不同的唯一可能原因，从而定性说明了结构损伤的存在。据此，根据模型的损伤动荷载试验所获取的模型损伤过程中的CPSM信号幅值变化情况，通过引入小波包信号分解方法及对各种状态下CPSM信号小波包分析及其对比分析验证了本发明的准确性，认为CPSM信号幅值对结构损伤较为敏感，可以作为结构损伤识别的主要特征参量。

步骤六、基于节点能量变化相对值构建的损伤指标，从节点能量变化的角度对不同损伤状态下的健康状况进行分析说明。通过分析看出，裂缝深度为25mm时的情况，各小波节点的节点能量随着激励加速度的增大而增大，不同的激荡加速度对该种结构状态下的小波子波能量影响较大；裂缝深度为45mm时的情况，各小波节点的节点能量随着激励加速度的增大而减小，不同的激荡加速度对该种结构状态下的小波子波能量影响较大；裂缝深度为60mm时的情况，各小波节点的节点能量随着激励加速度的增大而减小，不同的激荡加速度对该种结构状态下的小波子波能量影响较大。综上，同一种结构状态下，不同的激荡加速度是引起结构可能损伤的唯一因素，从而达到了基于CPSM信号小波包节点能量的混凝土结构损伤识别方法。

步骤七、实现混凝土结构损伤的监测。使用Agilent33250A波形发生器产生扫频正弦信号，实现对该CPSM的驱动，另一端的CPSM用于信号的接收，用于传感的CPSM连dSPACE的A/D接头，实现模拟信号的数字化采集，利用小波包分解不同结构状态下的小波信号，获取不同节点的小波包节点能量，通过同一节点能量下的变化情况判断结构的健康状况，最终达到混凝土结构损伤的监控。

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 (5)

1.一种水工混凝土结构损伤主动监测装置，其特征在于：包括振动台（1）、波形发生器（2）、驱动器（3）、传感器（4）、数字滤波器（6）、数字化采集器（5）、小波包分析系统（7）及被测水工混凝土结构体（8）；所述被测水工混凝土结构体（8）设置在振动台（1）上，所述波形发生器（2）对所述驱动器（3）发出扫频信号后，激励所述驱动器（3）产生应力波，应力波在被测水工混凝土结构体（8）中传播被传感器（4）接收，应力波信号依次再经过数字滤波器（6）、数字化采集器（5）和小波包分析系统（7）；

所述驱动器（3）和传感器（4）均为压电陶瓷机敏模块，所述驱动器（3）和所述传感器（4）分别埋入或粘贴在待测水工混凝土结构体（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所述的水工混凝土结构损伤主动监测装置，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所述的水工混凝土结构损伤主动监测装置进行水工混凝土结构损伤主动监测的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）波形发生器发射正弦扫频激励信号，激励压电陶瓷机敏模块驱动器发射应力波信号；

（2）应力波信号在待测水工混凝土结构体中传播，被设置在待测水工混凝土结构体中的压电陶瓷机敏模块传感器接收；

（3）信号经过数字滤波器的滤波，滤去信号中低频噪声信号，然后被数字化采集器采集；

（4）信号传递到小波包分析系统，利用小波包分解不同结构状态下的小波信号，获取不同节点的小波包节点能量，通过同一节点能量下的变化情况判断结构的健康状况，最终达到混凝土结构损伤的监控。

4.根据权利要求权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，信号被N层小波包分解为2ⁿ个信号集其中X_j表示为X_j＝{x_j,1,x_j,2,...,x_j,m}，m为样本数目；

分解信号的小波包节点能量E_i,j表示为

式中：i为时间指标；j为频带（1，2，…，2ⁿ）；

指标i处的小波包节点能量向量E_j表示为

5.根据权利要求权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，将结构健康状态下的能量作为基准信号能量，依据结构损伤状态下信号能量与基准信号能量的比较，来刻画结构的损伤程度；由小波包节点能量构建损伤指标为式中：E_h,j为结构健康状态下的小波包节点能量；E_i,j为结构损伤状态下的小波包节点能量。

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