CN105181587A - 加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统及方法，通过将压电陶瓷传感器包封在包封材料内形成传感器封装体，可以解决压电陶瓷传感器的压电陶瓷片质脆，防水性差的问题；通过将若干个传感器封装体嵌设于碳纤维的连接面处，可以利用压电陶瓷传感器对碳纤维的连接面进行实时监测；通过信号采集系统连接各个传感器封装体，可以结合加固材料的破坏强度，进行碳纤维剥离损伤的判断、定位，从而实现利用压电陶瓷传感器对加固结构进行碳纤维剥离破坏的监测及预警。本发明能够有效地解决碳纤维加固结构损伤监测定位不准、成本高的问题，相比其它监测方法，可靠稳定，成本低，易于实施，适用于量大面广的土木工程加固的工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土及钢筋等加固结构的监测技术领域，具体是涉及一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统及方法。
背景技术
碳纤维具有抗拉强度高、耐腐蚀、施工方便等特点，在混凝土及钢结构加固修复中已得到广泛应用。碳纤维剥离破坏是指碳纤维片材与混凝土或者钢材之间的粘结遭到破坏而产生的一种危险的脆性剪切破坏，这种破坏会导致加固结构局部发生承载力突然降低而使加固结构整体发生破坏及失效。
目前，对加固结构中碳纤维剥离进行监测和预警的方法，多为利用光纤光栅传感器对加固结构的关键构件进行应变的量测，这种测量方法直观、简单，但是由于成本原因，无法对各个构件都进行损伤检测，因此，此种方法无法准确给出损伤的位置，甚至造成损伤的漏判，留下安全隐患。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种利用剪切型压电陶瓷监测加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统及方法，能够有效地解决加固结构由于碳纤维剥离造成的损伤监测定位不准、成本高的问题，易于在碳纤维加固结构中大量推广使用。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，包括信号采集系统和若干个传感器封装体，若干个所述传感器封装体嵌设于加固结构中碳纤维的连接面处；所述传感器封装体包括包封材料和设于所述包封材料内的剪切型压电陶瓷传感器，所述压电陶瓷传感器与所述信号采集系统相连接；所述压电陶瓷传感器能够产生对应其上碳纤维剥离作用力的电荷脉冲信号，并传输给所述信号采集系统；所述信号采集系统能够根据接收到的各压电陶瓷传感器的电荷脉冲信号，分析处理做出是否发生了碳纤维剥离及是否发出警报的判断。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片；所述包封材料包括两块面积大于所述压电陶瓷片的玻璃纤维板，所述压电陶瓷片夹持于两块所述玻璃纤维板的中部，所述压电陶瓷片四周、两块玻璃纤维板之间填充有环氧树脂。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷片呈方形，面积为1cm2；所述玻璃纤维板呈方形，面积为2cm2，且长宽比与所述压电陶瓷片相同，厚度为2mm。
作为本发明的进一步改进，设有显示报警装置，所述显示报警装置与所述信号分析系统相连接。
一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警方法，包括如下步骤：
a.传感器封装，
制作若干个传感器封装体，每个传感器封装体包括包封材料和设于所述包封材料内的剪切型压电陶瓷传感器；
b.传感器测点的优化布置，
对加固结构进行受力初步分析，找出加固结构中容易发生碳纤维剥离破坏的区域，在容易发生碳纤维剥离破坏的区域布置传感器封装体阵列；
c.采集由于碳纤维剥离产生的电荷脉冲信号，
将各个传感器封装体与一信号采集系统相连，利用压电陶瓷传感器采集加固结构中由于碳纤维剥离产生的电荷脉冲信号；
d.噪声前处理及信号分析，
信号采集系统设置开始采集信号幅值的门槛值及相应的触发机制，使超过设定门槛幅值的电荷脉冲信号触发信号采集系统，同时开始电荷脉冲信号采集，使小于设定门槛值的噪声信号无法触发信号采集系统，不予采集；
e.损伤的定位及预警，
信号采集系统设置碳纤维连接面的抗剪强度，分析处理采集到的电荷脉冲信号，利用损伤发生于产生电荷脉冲信号传感器封装体的周围，判断该电荷脉冲信号是否超过了碳纤维连接面的抗剪强度；如果超过了碳纤维连接面的抗剪强度，则认为该传感器封装体处发生了碳纤维剥离，进行报警。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片；所述包封材料包括两块面积大于所述压电陶瓷片的玻璃纤维板，所述压电陶瓷片夹持于两块所述玻璃纤维板的中部，所述压电陶瓷片四周、两块玻璃纤维板之间填充有环氧树脂。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷片呈方形，面积为1cm2；所述玻璃纤维板呈方形，面积为2cm2，且长宽比与所述压电陶瓷片相同，厚度为2mm。
作为本发明的进一步改进，设有显示报警装置，利用该显示报警装置显示发生碳纤维剥离的位置和各个传感器封装体的工作状态，并在发生碳纤维剥离时进行报警。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，通过将压电陶瓷传感器包封在包封材料内形成传感器封装体，可以解决压电陶瓷传感器的压电陶瓷片质脆，防水性差的问题，且压电陶瓷传感器相对现有技术中光纤光栅传感器具有成本较低显著优势。通过将若干个传感器封装体嵌设于碳纤维的连接面处，可以利用压电陶瓷传感器对碳纤维的连接面进行实时监测；通过信号采集系统连接各个传感器封装体，可以结合加固材料的破坏强度，进行碳纤维剥离损伤的判断、定位，从而实现利用压电陶瓷传感器对加固结构进行碳纤维剥离破坏的监测及预警，因此，本发明能够有效地解决碳纤维加固结构损伤监测定位不准、成本高的问题，易于在碳纤维加固结构中大量推广使用。
本发明提供了一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警方法，首先，根据加固结构中易发生损伤的位置，在加固结构与碳纤维的连接面处粘贴传感器封装体，当碳纤维发生剥离时，传感器封装体中压电陶瓷片会产生电荷脉冲信号，并由信号采集系统采集得到，针对嗓声干扰设计信号采集系统的采样门槛触发值，将幅值较小的噪声屏蔽，只采集发生损伤时较大幅值的信号，对传感器封装体阵列输出的电荷脉冲信号进行分析，判断该电荷脉冲信号如果超过了碳纤维与胶层连接面的抗剪强度，则认为发生了碳纤维剥离，此时进行报警；最终实现损伤的定位及预警。本发明对加固结构容易发生碳纤维剥离的剪切破坏进行损伤定位及预警，将有效减少事故发生及人员伤亡。本发明相比其它监测方法，可靠稳定，成本低，易于实施，适用于量大面广的土木工程加固的工程应用。
附图说明
图1为本发明加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统的结构示意图；
图2为本发明中传感器封装体的结构示意图；
图3为本发明加固结构中碳纤维剥离的监测预警方法的工作原理图；
结合附图，作以下说明：
1——信号采集系统2——传感器封装体
21——包封材料211——玻璃纤维板
212——环氧树脂22——压电陶瓷传感器
221——压电陶瓷片3——加固结构
4——碳纤维5——显示报警装置
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，包括信号采集系统1和若干个传感器封装体2，若干个所述传感器封装体嵌设于加固结构3中碳纤维4的连接面处；所述传感器封装体包括包封材料21和设于所述包封材料内的剪切型压电陶瓷传感器22，所述压电陶瓷传感器与所述信号采集系统相连接；所述压电陶瓷传感器能够产生对应其上碳纤维剥离作用力的电荷脉冲信号，并传输给所述信号采集系统；所述信号采集系统能够根据接收到的各压电陶瓷传感器的电荷脉冲信号，分析处理做出是否发生了碳纤维剥离及是否发出警报的判断。这样，通过将压电陶瓷传感器包封在包封材料内形成传感器封装体，可以解决压电陶瓷传感器的压电陶瓷片质脆，防水性差的问题，且压电陶瓷传感器相对现有技术中光纤光栅传感器具有成本较低显著优势。通过将若干个传感器封装体嵌设于碳纤维的连接面处，可以利用压电陶瓷传感器对碳纤维的连接面进行实时监测；通过信号采集系统连接各个传感器封装体，可以结合加固材料的破坏强度，进行碳纤维剥离损伤的判断、定位，从而实现利用压电陶瓷传感器对加固结构进行碳纤维剥离破坏的监测及预警，因此，本发明能够有效地解决碳纤维加固结构损伤监测定位不准、成本高的问题，易于在碳纤维加固结构中大量推广使用。
优选的，参见图2，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片221；所述包封材料包括两块面积大于所述压电陶瓷片221的玻璃纤维板211，所述压电陶瓷片夹持于两块所述玻璃纤维板的中部，所述压电陶瓷片四周、两块玻璃纤维板之间填充有环氧树脂212。这样，通过使用两块玻璃纤维板对压电陶瓷片及电子线路进行夹持，并在其之间填充环氧树脂，可以实现对压电陶瓷片的包封，以解决压电陶瓷片质脆，防水性差的问题。其中，压电陶瓷片的监测原理如下：剪切型压电陶瓷的敏感方向受力后，会产生电荷脉冲信号，根据该电荷脉冲信号的大小可以计算出界面受力的大小，通过判断界面受力是否超过界面抗剪承载力的阈值(抗剪强度)，实现碳纤维剥离破坏预警的功能。
优选的，所述压电陶瓷片呈方形，面积为1cm2；所述玻璃纤维板呈方形，面积为2cm2，且长宽比与所述压电陶瓷片相同，厚度为2mm。
优选的，设有显示报警装置5，所述显示报警装置与所述信号分析系统相连接。这样，在加固结构中碳纤维发生剥离时，利用该显示报警装置可以显示剥离的位置和各个传感器封装体的工作状态，还可以利用该显示报警装置可进行碳纤维剥离时的预警。
参见图3，本发明加固结构中碳纤维剥离的监测预警方法，包括如下步骤：
a.传感器封装，
制作若干传感器封装体，每个传感器封装体包括包封材料和设于所述包封材料内的剪切型压电陶瓷传感器；
b.传感器封装体测点的优化布置，
对加固结构进行受力初步分析，找出加固结构中容易发生碳纤维剥离破坏的区域，在容易发生碳纤维剥离破坏的区域布置传感器封装体阵列；
c.采集由于碳纤维剥离产生的电荷脉冲信号，
将各个传感器封装体与一信号采集系统相连，利用压电陶瓷传感器采集加固结构中由于碳纤维剥离产生的电荷脉冲信号；
d.噪声前处理及信号分析，
信号采集系统设置开始采集信号幅值的门槛值及相应的触发机制，使超过设定门槛幅值的电荷脉冲信号触发信号采集系统，同时开始电荷脉冲信号采集，使小于设定门槛值的噪声信号无法触发信号采集系统，不予采集；
e.损伤的定位及预警，
信号采集系统设置碳纤维连接面的抗剪强度，分析处理采集到的电荷脉冲信号，利用损伤发生于产生电荷脉冲信号传感器封装体的周围，判断该电荷脉冲信号是否超过了碳纤维连接面的抗剪强度；如果超过了碳纤维连接面的抗剪强度，则认为该传感器封装体处发生了碳纤维剥离，进行报警。
优选的，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片；所述包封材料包括两块面积大于所述压电陶瓷片的玻璃纤维板，所述压电陶瓷片夹持于两块所述玻璃纤维板的中部，所述压电陶瓷片四周、两块玻璃纤维板之间填充有环氧树脂。
优选的，所述压电陶瓷片呈方形，面积为1cm2；所述玻璃纤维板呈方形，面积为2cm2，且长宽比与所述压电陶瓷片相同，厚度为2mm。
优选的，设有显示装置和报警装置，利用该显示装置显示发生碳纤维剥离的位置和各个传感器封装体的工作状态，利用该报警装置进行碳纤维剥离时的预警。
综上，本发明的发明构思如下：
根据加固结构易发生损伤的位置，在加固结构与碳纤维的连接面处粘贴传感器封装体，当碳纤维发生剥离时，传感器封装体中压电陶瓷片会产生电荷脉冲信号，并由信号采集系统采集得到，针对嗓声干扰设计信号采集系统的采样门槛触发值，将幅值较小的噪声屏蔽，只采集发生损伤时较大幅值的信号，对传感器封装体阵列输出的电荷脉冲信号进行分析，判断该电荷脉冲信号如果超过了碳纤维与胶层连接面的抗剪强度，则认为发生了碳纤维剥离，此时进行报警；最终实现损伤的定位及预警。本发明对加固结构容易发生碳纤维剥离的剪切破坏进行损伤定位及预警，将有效减少事故发生及人员伤亡。本发明相比其它监测方法，可靠稳定，成本低，易于实施，适用于量大面广的土木工程加固的工程应用。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，其特征在于：包括信号采集系统(1)和若干个传感器封装体(2)，若干个所述传感器封装体嵌设于加固结构(3)中碳纤维(4)的连接面处；所述传感器封装体包括包封材料(21)和设于所述包封材料内的剪切型压电陶瓷传感器(22)，所述压电陶瓷传感器与所述信号采集系统相连接；所述压电陶瓷传感器能够产生对应其上碳纤维剥离作用力的电荷脉冲信号，并传输给所述信号采集系统；所述信号采集系统能够根据接收到的各压电陶瓷传感器的电荷脉冲信号，分析处理做出是否发生了碳纤维剥离及是否发出警报的判断。
2.根据权利要求1所述的加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，其特征在于，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片(221)；所述包封材料包括两块面积大于所述压电陶瓷片的玻璃纤维板(211)，所述压电陶瓷片夹持于两块所述玻璃纤维板的中部，所述压电陶瓷片四周、两块玻璃纤维板之间填充有环氧树脂(212)。
3.根据权利要求2所述的加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，其特征在于，所述压电陶瓷片呈方形，面积为1cm2；所述玻璃纤维板呈方形，面积为2cm2，且长宽比与所述压电陶瓷片相同，厚度为2mm。
4.根据权利要求1所述的加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，其特征在于，设有显示报警装置(5)，所述显示报警装置与所述信号分析系统相连接。
5.一种加固结构中碳纤维剥离的监测预警方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.传感器封装，
制作若干个传感器封装体，每个传感器封装体包括包封材料和设于所述包封材料内的剪切型压电陶瓷传感器；
b.传感器测点的优化布置，
对加固结构进行受力初步分析，找出加固结构中容易发生碳纤维剥离破坏的区域，在容易发生碳纤维剥离破坏的区域布置若干个传感器封装体，形成压电陶瓷传感器阵列；
c.采集由于碳纤维剥离产生的电荷脉冲信号，
将各个传感器封装体与一信号采集系统相连，利用压电陶瓷传感器采集加固结构中由于碳纤维剥离产生的电荷脉冲信号；
d.噪声前处理及信号分析，
信号采集系统设置开始采集信号幅值的门槛值及相应的触发机制，使超过设定门槛幅值的电荷脉冲信号触发信号采集系统，同时开始电荷脉冲信号采集，使小于设定门槛值的噪声信号无法触发信号采集系统，不予采集；
e.损伤的定位及预警，
信号采集系统设置碳纤维连接面的抗剪强度，分析处理采集到的电荷脉冲信号，利用损伤发生于产生电荷脉冲信号传感器封装体的周围，判断该电荷脉冲信号是否超过了碳纤维连接面的抗剪强度；如果超过了碳纤维连接面的抗剪强度，则认为该传感器封装体处发生了碳纤维剥离，进行报警。
6.根据权利要求5所述的加固结构中碳纤维剥离的监测预警方法，其特征在于，所述压电陶瓷传感器的敏感元件为压电陶瓷片；所述包封材料包括两块面积大于所述压电陶瓷片的玻璃纤维板，所述压电陶瓷片夹持于两块所述玻璃纤维板的中部，所述压电陶瓷片四周、两块玻璃纤维板之间填充有环氧树脂。
7.根据权利要求6所述的加固结构中碳纤维剥离的监测预警系统，其特征在于，所述压电陶瓷片呈方形，面积为1cm2；所述玻璃纤维板呈方形，面积为2cm2，且长宽比与所述压电陶瓷片相同，厚度为2mm。
8.根据权利要求5所述的加固结构中碳纤维剥离的监测预警方法，其特征在于：设有显示报警装置，利用该显示报警装置显示发生碳纤维剥离的位置和各个传感器封装体的工作状态，并在发生碳纤维剥离时进行报警。
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