CN107894443B - 一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统及监测方法，通过将待测钢绞线组通过夹具和锥形夹片进行夹固，在待测钢绞线组端部和锥形夹片上分别设置一个压电陶瓷片作为信号激励端和信号接收端，利用信号激励端和信号接收端接收的功能可以进行互换，在时域上对所接受到的信号进行逆序操作，通过TRM分析方法之和系统本身有关，具有良好的抗噪性能，使信号的后期处理分析更加高效准确，环形压电陶瓷装置契合夹片与预应力钢绞线的工作机理，更加真实全面的反映夹片式锚具接触面积的变化情况和由多股钢丝组成的钢绞线锚固松紧程度，将压电陶瓷传感器布置在预应力锚具端部，简单有效的解决了预应力管道压浆完成后钢绞线难以实现无损监测的问题。

Description

一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统及监测方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统及监测方法。

背景技术

预应力钢绞线锚固松紧情况对保证预应力结构的安全可靠性至关重要，目前多用于承受载荷的结构构件以及岩土体的支挡，通过预应力的施加可以有效的提升结构的刚度，推迟结构裂缝的发展，增加构件的耐久性，以及岩体或支挡结构的稳定性，保证结构的安全。

目前来说预应力损失总体上由以下三部分组成：

1、传力锚固时的损失：该部分损失主要包括预应力筋与管道壁之间摩擦引起的损失σ_l1，锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩造成的损失σ_l2，钢筋与台座间的温差引起的损失σ_l3，混凝土弹性压缩引起的损失σ_l4。

2、传力锚固后的损失：该部分损失与时间有关，主要包括预应力筋松弛引起的损失σ_l5和混凝土收缩徐变造成的损失σ_l6。

由于以上种种原因导致了预应力钢绞线在实际应力水平中难以始终保持初张拉力的应力水平，因而造成预应力损失，轻则造成结构开裂，重则产生结构失效甚至垮塌。因此对于实时掌握预应力钢绞线的锚固松紧情况具有十分重要的意义。

然而，预应力钢绞线位置隐蔽，尤其是后张法，当预应力张拉完毕并压浆后，对于预应力结构的质量控制难度加大。目前对于预应力检测技术多采用有损检测，且无法实现长期监测。采用钢筋切断法将预应力束外部混凝土结构剥除，切断部分钢绞线来检测预应力大小。该方法操作复杂，且对结构会产生不可逆的伤害；钢筋应力释放法能够测试结构的应力，但是切割速度、切割温度等均为测试应力的扰动因素。因此若需要实现对预应力结构的长期监测，无损检测将是一种重要的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统及监测方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统，包括夹具、锥形夹片以及监测系统，锥形夹片沿轴向设有用于夹持钢绞线组的轴向通孔，锥形夹片通过夹具套设在锥形夹片外侧缩小锥形夹片直径夹紧钢绞线组，锥形夹片外侧设有环形凹槽，锥形夹片的环形凹槽内设有环形压电陶瓷片，环形压电陶瓷片外侧设有环氧树脂层，环氧树脂层外侧设有屏蔽壳，还包括贴设于钢绞线组端部的压电陶瓷片，

监测系统包括与压电陶瓷片连接的高压放大器以及与环形压电陶瓷片连接的高频信号采集器，高压放大器连接有信号函数发生器，信号函数发生器用于检测信号的发射，高压放大器用于检测信号的放大，高频信号采集器用于通过环形压电陶瓷片进行信号采集，高频信号采集器连接有信号处理模块，信号处理模块用于对高频信号采集器采集的信号进行处理并将处理结果保存与公示。

进一步的，锥形夹片管壁沿轴向设有开口槽，或者锥形夹片由左半锥形夹片和右半锥形夹片拼合而成。

进一步的，锥形夹片的轴向通孔内壁沿轴向均布有多个齿形槽。

进一步的，锥形夹片的通孔内钢绞线组由多条钢绞线螺旋绕制而成。

进一步的，信号函数发生器发射信号为100Hz-1MHz的扫频信号，发射方式为连续发射和间断发射。

进一步的，信号处理模块连接有检测报警系统，检测报警系统为声光报警。

一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统的锚固松紧监测方法，包括以下步骤：

步骤1，将压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，将环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在待检测钢绞线组锚固件侧壁；

步骤2，利用信号函数发生器产生的信号经由高压放大器对信号激励端进行激励，由粘贴在钢绞线组侧壁上的信号接收端接收；

步骤3，通过与信号接收端连接的信号处理模块将收集到的信号进行分析得到峰值信号，与信号函数发生器发射信号初始值作对比，如果得到的峰值信号小于信号函数发生器发射信号初始值，说明钢绞线与锚固件松动，如果得到的峰值信号等于信号函数发生器发射信号初始值，说明钢绞线与锚固件接触良好。

进一步的，步骤1中，将锥形夹片套设在待检测钢绞线组，然后通过夹具将锥形夹片与锥形夹片紧固，将压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，压电陶瓷片的正负极连接于高压放大器，将高压放大器连接于信号函数发生器；将环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在锥形夹片的环形凹槽内，然后将环形压电陶片外侧依次设置环氧树脂层和屏蔽壳，将环形压电陶片正负极连接于高频信号采集器。

进一步的，步骤2中，首先由信号函数发生器发出一个高斯脉冲x(t)到压电陶瓷片，根据压电效应发出应力波，传至环形压电陶瓷片，

定义压电陶瓷系统的系统响应函数为h(t)，环形压电陶瓷片接收到的输入信号为y(t)，则其可以表示为：

其中为卷积运算符，t为时间；

将接收到的信号进行时间反演，其信号变为：

然后将经反演后的信号作为发射源，由环形压电陶瓷片传回压电陶瓷片，由于压电陶瓷片的正逆压电效应，信号激励端和信号接收端接收的功能可以进行互换，在时域上对所接受到的信号进行逆序操作，将目标声波或电磁波信号进行反转再发送，则得到其聚焦信号y_f(t)，其表达式为：

式中，为系统响应的自相关函数，也成为时间反演算子；

由卷积与相关性原理可知，y_f(t)也可以表达如下：

式中⊙表示相关运算(同或运算符)，

因为脉冲信号通常是以时间轴对称的，因此x(t)＝x(-t)，所以y_f(t)也可以被写为：

从上式可以看出，经时间反演处理的h(t)⊙h(t)是自相关偶函数，可定义：

τ为随时变化的信号值，当t＝0时可变换为：

由上式可以看出，当t＝0时，函数达到其最大值，其最大值为信号的能量，且只和系统本身有关，因此其峰值具有良好的抗噪性。

进一步的，步骤3中，根据均方根差准则(RMSD)来描述不同钢绞线张拉力的程度时的量测值与钢绞线初张拉状态下量测值差异特征，并将该值定义为损失指数，用LP(Lossof Prestress)表示，初张拉状态下的能量向量表示为Y₀，

最终建立损失指数LP，可以表示为：

式中，峰值信号的能量为：Y_i,j

包含张拉力程度i的能量定义为：Y_i

通过对比环形压电陶瓷传感器输出信号与初始张拉状态信号之间的差异对比来实现对锚固松紧状态的识别，当计算得到的损失指数LP大于初始张拉状态时损失指数LP₀，说明钢绞线与锚固件松动，当计算得到的损失指数LP等于初始张拉状态时损失指数LP₀，说明钢绞线与锚固件接触良好。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统及监测方法，通过将待测钢绞线组通过夹具和锥形夹片进行夹固，在待测钢绞线组端部和锥形夹片上分别设置一个压电陶瓷片作为信号激励端和信号接收端，利用信号激励端和信号接收端接收的功能可以进行互换，在时域上对所接受到的信号进行逆序操作，通过TRM分析方法之和系统本身有关，具有良好的抗噪性能，使信号的后期处理分析更加高效准确，环形压电陶瓷装置契合夹片与预应力钢绞线的工作机理，能够更加真实全面的反映夹片式锚具接触面积的变化情况和由多股钢丝组成的钢绞线锚固松紧程度，且其发射功率大，接收信号更加可靠，将压电陶瓷传感器布置在预应力锚具端部，简单有效的解决了预应力管道压浆完成后钢绞线难以实现无损监测的问题，该装置构造简单，不影响结构本身的功能和安全性，成本低且维护方便，便于工厂化生产，且能够有效地监测预应力钢绞线的锚固情况，本监测方法为无损监测技术，可以对在役桥梁以及岩土支挡结构中的预应力体系进行有效主动地实时监测。

附图说明

图1为本发明系统连接结构示意图。

图2为本发明系统结构流程图。

图3为本发明检测方法流程结构示意图。

图4为本发明钢绞线组装夹结构示意图。

图5为本发明锥形夹片与钢绞线组端面结构示意图。

图6为本发明钢绞线组装夹结构轴侧结构示意图。

图7为钢绞线张拉水平为抗拉强度标准值的20％时的激励信号结构示意图。

图8为钢绞线张拉水平为抗拉强度标准值的20％时的接收信号结构示意图。

图9为钢绞线张拉水平为抗拉强度标准值的20％时的反演信号结构示意图。

图10为钢绞线张拉水平为抗拉强度标准值的20％时的聚焦信号结构示意图。

图11为本发明实施例试验结果。

图中，1、夹具；2、锥形夹片；3、钢绞线组；4、环形压电陶瓷片；5、压电陶瓷片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图6所示，一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统，包括夹具1、锥形夹片2以及监测系统，锥形夹片2沿轴向设有用于夹持钢绞线组的轴向通孔，锥形夹片2通过夹具1套设在锥形夹片2外侧缩小锥形夹片直径夹紧钢绞线组3，锥形夹片2外侧设有环形凹槽，锥形夹片2的环形凹槽内设有环形压电陶瓷片4，环形压电陶瓷片4外侧设有环氧树脂层，环氧树脂层外侧设有屏蔽壳，还包括贴设于钢绞线组端部的压电陶瓷片5，

监测系统包括与压电陶瓷片连接的高压放大器以及与环形压电陶瓷片连接的高频信号采集器，高压放大器连接有信号函数发生器，信号函数发生器用于检测信号的发射，高压放大器用于检测信号的放大，高频信号采集器用于通过环形压电陶瓷片进行信号采集，高频信号采集器连接有信号处理模块，信号处理模块用于对高频信号采集器采集的信号进行处理并将处理结果保存与公示。

锥形夹片管壁沿轴向设有开口槽，或者锥形夹片由半锥形夹片和右半锥形夹片拼合而成；

锥形夹片的轴向通孔内壁沿轴向均布有多个齿形槽；

锥形夹片的通孔内钢绞线组由多条钢绞线螺旋绕制而成；

信号函数发生器发射信号为100Hz-1MHz的扫频信号，发射方式为连续发射和间断发射；

信号处理模块连接有检测报警系统，检测报警系统为声光报警。

使用时，将锥形夹片套设在待检测钢绞线组，然后通过夹具将锥形夹片与锥形夹片紧固，将压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，压电陶瓷片的正负极连接于高压放大器，将高压放大器连接于信号函数发生器；将环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在锥形夹片的环形凹槽内，然后将环形压电陶片外侧依次设置环氧树脂层和屏蔽壳，将环形压电陶片正负极连接于高频信号采集器；

一种用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，将压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，将环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在待检测钢绞线组锚固件侧壁；

步骤2，利用信号函数发生器产生的信号经由高压放大器对信号激励端进行激励，由粘贴在钢绞线组侧壁上的信号接收端接收；

步骤3，通过与信号接收端连接的信号处理模块将收集到的信号进行分析得到峰值信号，与信号函数发生器发射信号初始值作对比，如果得到的峰值信号小于信号函数发生器发射信号初始值，说明钢绞线与锚固件松动，如果得到的峰值信号等于信号函数发生器发射信号初始值，说明钢绞线与锚固件接触良好。

步骤1中，将锥形夹片套设在待检测钢绞线组，然后通过夹具将锥形夹片与锥形夹片紧固，将压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，压电陶瓷片的正负极连接于高压放大器，将高压放大器连接于信号函数发生器；将环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在锥形夹片的环形凹槽内，然后将环形压电陶片外侧依次设置环氧树脂层和屏蔽壳，将环形压电陶片正负极连接于高频信号采集器。

步骤2中，通过TRM分析方法进行信号函数处理，

首先由信号函数发生器发出一个高斯脉冲x(t)到压电陶瓷片，根据压电效应发出应力波，传至环形压电陶瓷片，

定义压电陶瓷系统的系统响应函数为h(t)，环形压电陶瓷片接收到的输入信号为y(t)，则其可以表示为：

其中为卷积运算符，t为时间；

将接收到的信号进行时间反演，其信号变为：

然后将经反演后的信号作为发射源，由环形压电陶瓷片传回压电陶瓷片，由于压电陶瓷片的正逆压电效应，信号激励端和信号接收端接收的功能可以进行互换，在时域上对所接受到的信号进行逆序操作，将目标声波或电磁波信号进行反转再发送，则得到其聚焦信号y_f(t)，其表达式为：

式中，为系统响应的自相关函数，也成为时间反演算子；

由卷积与相关性原理可知，y_f(t)也可以表达如下：

式中⊙表示相关运算(同或运算符)，

因为脉冲信号通常是以时间轴对称的，因此x(t)＝x(-t)，所以y_f(t)也可以被写为：

从上式可以看出，经时间反演处理的h(t)⊙h(t)是自相关偶函数，可定义：

τ为随时变化的信号值，当t＝0时可变换为：

由上式可以看出，当t＝0时，函数达到其最大值，其最大值为信号的能量，且只和系统本身有关，因此其峰值具有良好的抗噪性。

步骤3中，根据均方根差准则(RMSD)来描述不同钢绞线张拉力的程度时的量测值与钢绞线初张拉状态下量测值差异特征，并将该值定义为损失指数，用LP(Loss ofPrestress)表示，初张拉状态下的能量向量表示为Y₀，

最终建立损失指数LP，可以表示为：

式中，峰值信号的能量为：Y_i,j

包含张拉力程度i的能量定义为：Y_i

通过对比环形压电陶瓷传感器输出信号与初始张拉状态信号之间的差异对比来实现对锚固松紧状态的识别，当计算得到的损失指数LP大于初始张拉状态时损失指数LP₀，说明钢绞线与锚固件松动，当计算得到的损失指数LP等于初始张拉状态时损失指数LP₀，说明钢绞线与锚固件接触良好。

信号发生器发射频率为100Hz-1MHz的高斯脉冲扫频信号，通过扫频信号峰值确定预应力钢绞线锚固系统的中心频率，然后设置激励端信号的脉冲波形详细参数。

实施例

试验选取strand1860成品钢绞线，所选钢绞线规格采用符合GB/T5224-2014要求的1×7×15.2mm的钢绞线fpk＝1860Mpa，钢绞线的弹性模量Ep＝1.95×105Mpa。

选择半径小于钢绞线公称直径、厚度为1mm的压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，选用小于信号接收端槽口、厚度为1mm的环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在待检测钢绞线组锚固件侧壁；在环形压电陶瓷片表面正负极焊接导线，导线焊接完毕后压电陶瓷表面应涂一层环氧树脂，以保证压电陶瓷的绝缘性和防水性，待环氧树脂风干后再使用502胶将压电陶瓷片粘贴到相应的位置，之后再在压电陶瓷的外表面用铜做一层屏蔽壳，屏蔽壳是为了屏蔽外界信号的干扰，对于信号激励端采用圆柱形的屏蔽壳，对于信号接收端采用带有弧度的长方体屏蔽壳；

张拉预应力钢绞线时按应力控制张拉，分别按钢绞线抗拉强度标准值的20％、40％、60％、80％采用液压千斤顶分四级等速张拉，加载速度为每分钟约100MPa，达到80％后持荷1h，每达到预定的张拉应力时使用该监测系统进行一次测量，最终达到80％后再次测量，根据不同程度的张拉力大小来模拟不同程度的预应力损失情况，并进行对比分析。

在基于TRM法监测夹片式锚具锚固松紧情况的环形压电陶瓷装置的试验过程中，NI-DAQ信号采集卡产生一个高斯脉冲信号作为输出信号，之后信号通过放大器放大20倍，输入到信号激励端的圆形压电陶瓷片上，在脉冲激励作用下，信号激励端产生一个应力波穿过钢绞线与夹片的接触面，之后被信号接收端的环形压电陶瓷片捕捉并转化为电信号，NI采集卡将电信号转化为数字信号，输出到电脑分析终端，整个试验的采样频率为1MHz，采样时长为0.1s。

通过调至高斯脉冲信号产生一个脉冲波形。在时域中，如果用序列x(t)表示高斯性调制正弦模式脉冲信号，则其可以表示为：

其中，

其中，A是幅值，b是标注化带宽，q是衰减系数，f_c是中心频率，d是延迟时间。具体脉冲波形的详细参数如表1所示：

表1

参数	数值
		幅值	10V
归一化带宽	0.8
		衰减系数	1.5dB
中心频率	100kHz
		延迟时间	0.05s

如图7至11所示，五种不同张拉力作用下，预应力钢绞线基于时间反演分析方法的聚焦峰值，可以看出随着张拉力的不断加大，聚焦峰值信号有着明显的变化。再一次验证了基于TRM法监测夹片式锚具锚固松紧情况的环形压电陶瓷装置的可行性。

Claims (6)

1.一种基于用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统的锚固松紧监测方法，其特征在于，所述用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统包括夹具(1)、锥形夹片(2)以及监测系统，锥形夹片(2)沿轴向设有用于夹持钢绞线组的轴向通孔，锥形夹片(2)通过夹具(1)套设在锥形夹片(2)外侧缩小锥形夹片直径夹紧钢绞线组(3)，锥形夹片(2)外侧设有环形凹槽，锥形夹片(2)的环形凹槽内设有环形压电陶瓷片(4)，环形压电陶瓷片(4)外侧设有环氧树脂层，环氧树脂层外侧设有屏蔽壳，还包括贴设于钢绞线组端部的压电陶瓷片(5)，

监测系统包括与压电陶瓷片连接的高压放大器以及与环形压电陶瓷片连接的高频信号采集器，高压放大器连接有信号函数发生器，信号函数发生器用于检测信号的发射，高压放大器用于检测信号的放大，高频信号采集器用于通过环形压电陶瓷片进行信号采集，高频信号采集器连接有信号处理模块，信号处理模块用于对高频信号采集器采集的信号进行处理并将处理结果保存与公示；

包括以下步骤：

步骤1，将压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，将环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在待检测钢绞线组锚固件侧壁；将锥形夹片套设在待检测钢绞线组，然后通过夹具将锥形夹片与锥形夹片紧固，将压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部，压电陶瓷片的正负极连接于高压放大器，将高压放大器连接于信号函数发生器；将环形压电陶瓷片作为信号接收端贴设在锥形夹片的环形凹槽内，然后将环形压电陶片外侧依次设置环氧树脂层和屏蔽壳，将环形压电陶片正负极连接于高频信号采集器；

步骤2，利用信号函数发生器产生的信号经由高压放大器对信号激励端进行激励，由粘贴在钢绞线组侧壁上的信号接收端接收；

步骤3，通过与信号接收端连接的信号处理模块将收集到的信号进行分析得到峰值信号，与信号函数发生器发射信号初始值作对比，如果得到的峰值信号小于信号函数发生器发射信号初始值，说明钢绞线与锚固件松动，如果得到的峰值信号等于信号函数发生器发射信号初始值，说明钢绞线与锚固件接触良好；

锥形夹片(2)管壁沿轴向设有开口槽，或者锥形夹片(2)由左半锥形夹片和右半锥形夹片拼合而成，锥形夹片(2)的轴向通孔内壁沿轴向均布有多个齿形槽。

2.根据权利要求1所述的基于用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统的锚固松紧监测方法，其特征在于，锥形夹片(2)的通孔内钢绞线组(3)由多条钢绞线螺旋绕制而成。

3.根据权利要求1所述的基于用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统的锚固松紧监测方法，其特征在于，信号函数发生器发射信号为100Hz-1MHz的扫频信号，发射方式为连续发射或间断发射。

4.根据权利要求1所述的基于用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统的锚固松紧监测方法，其特征在于，信号处理模块连接有检测报警系统，检测报警系统为声光报警。

5.根据权利要求1所述的基于用于监测锚固松紧的压电陶瓷系统的锚固松紧监测方法，其特征在于，步骤2中，首先由信号函数发生器发出一个高斯脉冲x(t)到压电陶瓷片，根据压电效应发出应力波，传至环形压电陶瓷片，

定义压电陶瓷系统的系统响应函数为h(t)，环形压电陶瓷片接收到的输入信号为y(t)，则其表示为：

其中为卷积运算符，t为时间；

将接收到的信号进行时间反演，其信号变为：

然后将经反演后的信号作为发射源，由环形压电陶瓷片传回压电陶瓷片，由于压电陶瓷片的正逆压电效应，信号激励端和信号接收端接收的功能进行互换，在时域上对所接受到的信号进行逆序操作，将目标声波或电磁波信号进行反转再发送，则得到其聚焦信号y_f(t)，其表达式为：

式中，为系统响应的自相关函数，也成为时间反演算子；

由卷积与相关性原理知，y_f(t)表达如下：

式中⊙表示相关运算，

因为脉冲信号通常是以时间轴对称的，因此x(t)＝x(-t)，所以y_f(t)被写为：

从上式看出，经时间反演处理的h(t)⊙h(t)是自相关偶函数，定义：

τ为随时变化的信号值，当t＝0时变换为：

由上式看出，当t＝0时，函数达到其最大值，其最大值为信号的能量，且只和系统本身有关，因此其峰值具有良好的抗噪性。

6.根据权利要求5所述的锚固松紧监测方法，其特征在于，步骤3中，根据均方根差准则来描述不同钢绞线张拉力的程度时的量测值与钢绞线初张拉状态下量测值差异特征，并将该均方根差定义为损失指数，用LP表示，初张拉状态下的能量向量表示为Y₀，

最终建立损失指数LP，表示为：

式中，峰值信号的能量为：Y_i,j

包含张拉力程度i的能量定义为：Y_i

通过对比环形压电陶瓷传感器输出信号与初始张拉状态信号之间的差异对比来实现对锚固松紧状态的识别，当计算得到的损失指数LP大于初始张拉状态时损失指数LP₀，说明钢绞线与锚固件松动，当计算得到的损失指数LP等于初始张拉状态时损失指数LP₀，说明钢绞线与锚固件接触良好。