CN107255677A - 一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统，属于大坝安全健康监测系统领域。其包括压电智能传感器系统、信号预处理系统、A/D转换系统、数据传输系统、数据控制系统、数据存储系统、数据分析系统、数据可视化系统、监测评估系统、声光报警装置、决策系统。本发明利用压电智能传感器系统的响应速度快、灵敏度高、稳定性好、频率响应范围宽、体积小，质量轻等优点对大坝的损伤状况进行实时分析，整个系统对大坝各个部位的损伤状况进行监测，还可以对需要研究的部位进行重点监测，从而全面并兼顾局部监测大坝损伤的状况，为大坝安全监测提供参考信息，实现大坝智能监测，便于及时采取处理措施。

Description

一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统

技术领域

本发明涉及大坝安全健康监测系统领域，具体涉及一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统。

背景技术

大坝需要承受的荷载多种多样，例如水压力、温度荷载、周围岩体的岩体内力，还要承受极端荷载，诸如地震、特大洪水、干旱等不利荷载，大坝建成后，需要服役几十年甚至上百年，结构的老化，混凝土的老化、腐蚀等均会对大坝产生不利的影响。

若混凝土大坝出现裂缝等破坏形式，极易发生应力集中现象，进而使该部位的结构发生破坏，最终可能使整个结构毁坏。众所周知，较大的损伤往往都是由于微小损伤的积累而逐渐形成的，因此，我们需要在混凝土大坝未出现大面积的损伤或者损伤情况很小时，及时地对大坝的健康状况进行反馈，对大坝的现状提出合理化意见，防患于未然。

由于一般的损伤位置均布置了测缝计等监测仪器来对大坝可能的裂缝损伤进行测量，但是测缝计的布置形式不全面，往往是在大坝的伸缩缝和周边缝进行布置。布置样式比较固定，考虑在实际应用中，监测仪器不可能完全覆盖到大坝的各个部位，所以在未能监测的地方出现损伤，往往不易察觉，即使察觉了也不易测量，就更不容易对其损伤状态进行评估。

发明内容

本发明的目的在于克服当前对大坝安全损伤监测技术的不足,提出了一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统。

发明是这样实现的：

依托计算机和互联网平台，通过对压电智能传感器合理布置进行信息采集，信息采集装置采集坝体各个部位的监测信息，然后将采集信号预处理，预处理之后的数据通过互联网设备，将数据通过网络输送到数据分析系统中，数据分析系统根据所接收到的信息对大坝的损伤状况进行量化，得出损伤系数。然后大坝监测评估系统根据上一步分析的数据和大坝的二维三维空间数据，图形数据以及可视化系统对大坝的状况进行评判，并将大坝的损伤状况和大坝整个的结构状况显示在屏幕上。若出现安全隐患点，在屏幕上用红色的原点闪烁来标出，提醒工作人员对此处进行排查、维修以及其他处理措施；若出现紧急情况，利用系统设定的声光报警器对大坝以及周围库区的居民及时进行通知，方便人员撤离。

其具体技术方案如下：

本发明一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统，其包括压电智能传感器系统、信号预处理系统、A/D转换系统、数据传输系统、数据控制系统、数据存储系统、数据分析系统、数据可视化系统、监测评估系统、声光报警装置、决策系统；

所述压电智能传感器系统包括压电智能骨料传感器和压电加速度传感器，对大坝安全进行主动和被动监测，所述压电智能骨料传感器以等边三角形方式布置，三角形的边长小于等于所述压电智能骨料传感器的有效通讯距离；所述压电加速度传感器布置在坝体加速度较大的位置；

所述数据可视化系统是由大坝的图形数据和大坝的二维、三维的空间数据以及所述数据分析系统分析出的损伤结果数据整合到一起在屏幕中显示出损伤的位置，为损伤监测评估提供依据。

所述数据传输系统是通过因特网进行数据传输，传输的最大速度可达100Mb/S。

所述数据控制系统将采集到的信号数据进行实时分类处理，一方面将数据传送到所述数据存储系统中进行存储，另一方面将数据传送到所述数据分析系统中进行分析。

所述数据分析系统可以实时处理接收到的原始信号数据，利用分析方法对大坝的信号进行时域和频域分析，并计算得出大坝各部位的损伤指数，所述分析方法包括傅里叶分析、小波分析。

所述监测评估系统与数据分析系统和数据可视化系统相连，其可以根据数据分析系统分析出的各部位的损伤指数，以及数据可视化系统的损伤显示，对各个部位以及大坝的整体进行损伤现状判断。

所述声光报警装置与监测评估系统相连。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的压电智能传感器的体积小，重量轻，在安装埋设时，对大坝整体结构造成的影响小；同时，压电智能传感器对于识别结构微小和初步损伤的研究有着重要的意义，可以监测到结构的微小损伤，便于及时发现损伤，将结构损伤的发现尽早发现，及时处理，防患于未然；

（2）本发明将压电智能骨料传感器采用等边三角形布置，这样就保证了相邻两个压电智能传感器之间的距离相同，保证了系统传输的稳定性，同时也便于对损伤进行定位；同时，压电智能骨料传感器的响应速度快，可监测的频域广等优点，便于对监测数据进行实时分析；

（3）本发明可将整个大坝的损伤现状通过数据可视化系统的可视化界面，实时将大坝的损伤状况显示在屏幕上，并可调用任意时间段、任意局部的图像，更加直观地对损伤进行定位，从而更加方便工作人员对大坝的结构形态进行评估，提高了效率。

附图说明

图1是本发明一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统的工作原理示意图；

图2是本发明的压电智能传感器在大坝结构中的布置示意图；

图3是本发明的利用压电波动法的主动监测系统工作流程图；

图4是本发明的利用压电波动法的被动监测工作流程结构图；

图5是本发明的压电智能传感器工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统的工作原理示意图，其包括压电智能传感器系统、信号预处理系统、A/D转换系统、数据传输系统、数据控制系统、数据存储系统、数据分析系统、数据可视化系统、监测评估系统、决策系统。

压电智能传感器系统包括压电智能骨料传感器和压电加速度传感器，整个大坝安全损伤监测系统需要数个压电智能骨料传感器和压电加速度传感器，压电智能骨料传感器均埋设在大坝的坝体位置，以等边三角形方式布置，三角形的边长长度即相邻压电智能骨料传感器之间的距离≤压电智能骨料传感器的有效通讯距离R，以保证传输系统的稳定性。如图2所示。压电加速度传感器布置在坝体加速度较大的位置。

信号预处理系统的信号采集线采用铜芯屏蔽导线，其对采集到的信号进行预处理，如去噪、放大、滤波等处理方法，使采集数据的信噪比增大，然后将预处理之后的信号再进行相应的A/D转换，将电信号转换为数字信号，便于以后的处理分析。

数据传输系统是通过因特网进行数据传输，传输的最大速度可达100Mb/S，可将大量的数据及时传输，便于数据分析系统的实时分析。

数据控制系统是将传送过来的信号数据进行实时分类传送，一是需要将数据发送到数据存储系统中进行存储，数据存储系统将采集到的信号存储在存储装置中，按照各个模块号进行分类存储，保留时间日期，测点的编号等信息，便于后续分析的调用，数据存储系统和数据采集装置相连，并可以导出数据到数据分析系统中进行数据分析，可导出的数据格式有XLS、XLSX、CSV以及TXT格式；二是将数据发送到数据分析系统中进行分析，数据分析系统为整个系统的核心装置，其将数据采集装置采集到的数据进行实时在线分析，利用傅里叶变换、小波分析等数学工具对大坝的信号进行时域和频域分析，得出大坝的频域和时域的信号，并利用这些数据信息建立结构的损伤指标信息，建立损伤指数从而对大坝的结构性能进行全面的了解掌握。

数据可视化系统可实时显示大坝的整体状况，其由大坝的图形数据和大坝的二维、三维的空间数据结合而显示出的。若某个部位出现损伤，可以在屏幕上聚焦到这一部位，对这一部位进行仔细观察，重点研究。此外还可以将大坝监测的实时数据在屏幕上显示出来，同样也可以调出任意时间段的过程曲线图，从过程线图来发现其中的规律。若需要用到这些过程线图可以进行导出。导出成任意格式，JPG、BMP、PNG等图像格式。

监测评估系统与数据分析系统和数据可视化系统相连，其利用数据分析系统得出来的损伤指标和数据可视化系统的损伤显示对大坝的损伤状况进行评价，按照损伤指标的隶属度来进行评判，监测评估系统共建立五种评判标准，分为无损伤、细小损伤、轻微损伤、较大损伤、大面积损伤。每种标准都设定相应的阈值，按照隶属度确定相应的损伤标准。若评判结果为无损伤，则在屏幕上显示无损伤字样，若评判结果为细小损伤或者轻微损伤，则在屏幕上显示细小损伤或者轻微损伤字样，并对损伤部位进行红色闪烁，提醒工作人员对损伤部位进行相应处理；若评判结果为较大损伤或者大面积损伤，则在屏幕上显示较大损伤或者大面积损伤字样，并对损伤位置闪烁提醒，同时启动声光报警装置，提醒全体人员注意戒备。

声光报警装置与监测评估系统相连，若出现较大的异常情况，警报会响起，同时进行语音提示，并将异常情况及时传送到大坝决策管理部门，决策管理部门包括专家部门、管理部门和决策部门，其根据评估的结果可命令相关部门启动预案，实行相应的处理措施，及时处理险情，例如补强加固、维修大坝、指挥抢险等。

本发明一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统的运行流程如下：压电智能传感器利用正逆压电效应来监测大坝结构的健康损伤信息，然后将这些信息通过预处理例如去噪、放大等，将这些信息再进行A/D转换，转换成数字信号传送到数据存储系统和数据分析系统中。数据分析系统通过对信号进行处理，并建立监测信号的损伤指数，并将损伤指标传送到监测评估系统和数据可视化系统。数据可视化系统是整合了大坝损伤分析的数据和大坝的二维、三维空间数据以及大坝的图形数据来对大坝的结构的损伤状况进行整体和局部展示。便于监测评估系统对大坝的损伤状况进行评估，监测评估系统共建立五种评判标准，分为无损伤、细小损伤、轻微损伤、较大损伤、大面积损伤。每种标准都设定相应的阈值，按照隶属度确定相应的损伤标准。若评判结果为无损伤，则在屏幕上显示无损伤字样，若评判结果为细小损伤或者轻微损伤，则在屏幕上显示细小损伤或者轻微损伤字样，并对损伤部位进行红色闪烁，提醒工作人员对损伤部位进行相应处理；若评判结果为较大损伤或者大面积损伤，则在屏幕上显示较大损伤或者大面积损伤字样，并对损伤位置闪烁提醒，同时启动声光报警装置，提醒全体人员注意戒备。

实施方式1：利用压电波动法的主动监测识别损伤，如图3所示。在主动监测时，一个压电智能传感器发射振动信号，周围与之相邻的压电智能传感器接收信号，可以获得信号的波动变化，进而可以分析出损伤信息。

主动监测的实施步骤如下：

首先进行系统自检，若系统没有出现提示错误，可以进行监测。先要确定进行检测的部位，也可对大坝进行整体检测，确定好检测部位之后，再结合压电智能传感器的布置形式确定一个压电智能传感器连接波形发射器作为驱动器，其余位置的压电智能传感器作为信号接收器接收信号，如图5所示。

利用波形发射器对其中要监测的区域的压电智能驱动器发射正弦波或其他形式的波形，附近位置的压电智能传感器接收信号，然后对接收到的信号进行信号的降噪、滤波、放大等处理，然后经过A/D转换，转换为需要的数字信号，利用网络传输，将数字信号传送到数据控制系统中。

数据控制系统一方面将数据发送到数据存储系统中进行存储，另一方面将数据发送到数据分析系统中进行分析。数据存储系统分类存储监测信息，如监测的时间、监测的数据、监测的位置、模块号、仪器的类型、仪器编号等。数据分析系统是监测的核心，将传送过来的数据进行实时在线分析，利用傅里叶变换、小波分析等数学工具进行时频两域的分析，分析出损伤信息并建立损伤指数。损伤指数定义为初始健康状态下信号的幅值减去当前状态下的信号的幅值。

数据可视化系统是通过大坝的图形数据、空间数据和损伤分析数据能实现大坝损伤的可视化，将损伤位置在可视化装置中突出显示出来，便于工作人员进行分析。

根据数据分析系统和数据可视化系统的结果进行监测损伤的评估，一共五种评判标准，分为无损伤、细小损伤、轻微损伤、较大损伤、大面积损伤。当出现细小损伤和轻微损伤时，会在可视化系统中提醒工作人员注意，建议对损伤部位进行补强加固，防止出现更大的损伤；当出现较大损伤和大面积损伤时，声光报警装置会启动，并语音提示损伤出现的部位，提醒工作人员及时放水、撤离或者采取其他处理措施。

实施方式2：利用压电波动法的被动监测识别损伤，如图4所示。在被动监测时，环境激励例如车辆及风浪激励、地震激励、泄流激励以及机组振动激励等产生的振动信号通过压电智能骨料传感器接收这些激励信息，再将这些信息传递到数据分析系统中进行分析得出结构的损伤信息。

被动监测是大坝损伤监测的重要补充手段，因为在外界环境激励下，激励的形式多种多样，而且大多具有不可重复性，例如风浪荷载、地震荷载，及时地对这些现象进行捕捉，对其进行研究，可以对大坝的结构安全防范提供有价值的资料；其他的外界激励例如大坝的泄流激励和机组的振动激励，这两种激励可以人为地控制，从而方便进行研究。

被动监测的实施步骤如下：

首先进行系统自检，若系统没有出现提示错误，可以进行被动信号的采集，信号采集系统先对采集到的信号进行信号的降噪、滤波、放大等处理，然后经过A/D转换，转换为需要的数字信号，利用网络传输，将数字信号传送到数据控制系统中。

数据控制系统一方面将数据发送到数据存储系统中进行存储，另一方面将数据发送到数据分析系统中进行分析。数据存储系统分类存储监测信息，如监测的时间、监测的数据、监测的位置、模块号、仪器的类型、仪器编号等。数据分析系统是监测的核心，将传送过来的数据进行实时在线分析，利用傅里叶变换、小波分析等数学工具进行时频两域的分析，分析出损伤信息，建立损伤指数。损伤指数定义为初始健康状态下信号的幅值减去当前状态下的信号的幅值。

通过大坝的图形数据、空间数据和损伤分析数据能实现大坝损伤的可视化，将损伤位置在数据可视化系统中显示出来，便于工作人员进行分析。

根据数据分析系统和数据可视化系统的结果进行监测损伤的评估，一共五种评判标准，分为无损伤、细小损伤、轻微损伤、较大损伤、大面积损伤。当出现细小损伤和轻微损伤时，会在可视化系统中提醒工作人员注意，建议对损伤部位进行补强加固，防止出现更大的损伤；当出现较大损伤和大面积损伤时，声光报警装置会启动，并语音提示损伤出现的部位，提醒工作人员及时放水、撤离或者采取其他处理措施。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种基于压电智能传感器的大坝安全损伤监测系统 ，其特征在于，其包括压电智能传感器系统、信号预处理系统、A/D转换系统、数据传输系统、数据控制系统、数据存储系统、数据分析系统、数据可视化系统、监测评估系统、声光报警装置、决策系统；

所述压电智能传感器系统包括压电智能骨料传感器和压电加速度传感器，其对大坝安全进行主动和被动监测，所述压电智能骨料传感器以等边三角形方式布置，三角形的边长小于等于所述压电智能骨料传感器的有效通讯距离R；所述压电加速度传感器布置在坝体加速度较大的位置；

所述数据可视化系统是由大坝的图形数据和大坝的二维、三维的空间数据以及所述数据分析系统分析出的损伤结果数据整合到一起在屏幕中显示出损伤的位置，为损伤监测评估提供依据。

2.根据权利要求1所述的大坝安全损伤监测系统，其特征在于，所述数据传输系统是通过因特网进行数据传输，传输的最大速度可达100Mb/S。

3.根据权利要求1所述的大坝安全损伤监测系统，其特征在于，所述数据控制系统将采集到的信号数据进行实时分类处理，一方面将数据传送到所述数据存储系统中进行存储，另一方面将数据传送到所述数据分析系统中进行分析。

4.根据权利要求3所述的大坝安全损伤监测系统，其特征在于，所述数据分析系统可以实时处理接收到的原始信号数据，利用分析方法对大坝的信号进行时域和频域分析，并计算得出大坝各部位的损伤指数，所述分析方法包括傅里叶分析、小波分析。

5.根据权利要求1所述的大坝安全损伤监测系统，其特征在于，所述监测评估系统与数据分析系统和数据可视化系统相连，其可以根据数据分析系统分析出的各部位的损伤指数，以及数据可视化系统的损伤显示，对各个部位以及大坝的整体进行损伤现状判断。

6.根据权利要求1或5所述的大坝安全损伤监测系统，其特征在于，所述声光报警装置与监测评估系统相连。