CN108693218B - 一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，包括石墨烯改性水凝胶复合材料、管体、电桥电阻采集系统、信号传输系统、计算机监测分析终端、外壳；所述管体覆盖在石墨烯改性水凝胶复合材料的外围，约束其在径向上的膨胀；所述电桥电阻采集系统连接至石墨烯改性水凝胶复合材料内部；所述信号传输系统连接电桥电阻采集系统；所述信号传输系统通过无线信号与计算机监测分析终端相连接。本发明采用了集成化智能化技术，操作简单，智能骨料随施工埋入水工建筑物各个部位，可对不同的水工建筑物整体的含水信息进行长期全面的监测，同时监测不受人工操作和环境影响，结果真实可靠，为各类型的水工建筑物的结构安全提供了有效的评价标准。

Description

一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料

技术领域

本发明可应用于水工建筑物安全监测领域，尤其涉及一种方便，安全的，能对水工建筑物内部进行长期，稳定的含水信息安全监测的智能骨料传感器。

背景技术

随着水利行业的不断发展，水工建筑物的安全稳定越来越受到人们的重视，这也就需要尽可能多地去感知水工建筑物的内部信息，从而判断水工建筑物的安全状态。其中，含水情况是水工建筑物很重要的内部信息之一。目前，对于水工建筑物只能监测其相关部位的渗流情况来计算渗流稳定状况，而整体的含水信息很难长期有效的全面感知，且对于不同的水工建筑物需要分别采取合适的方法和仪器进行监测，同等工程条件下，为了实现有效的安全监测，工程量会增加，缺乏一种方便且通用的手段和设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有监测技术的上述缺陷，提供一种长期有效的用于普遍感知各类型水工建筑物内部含水信息的智能骨料传感器。本发明采用了集成化智能化技术，操作简单，智能骨料随施工埋入水工建筑物各个部位，可对不同的水工建筑物整体的含水信息进行长期全面的监测，同时监测不受人工操作和环境影响，结果真实可靠，为各类型的水工建筑物的结构安全提供了有效的评价标准。

本发明所采用的技术方案是：一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，随施工埋入水工建筑物各个部位，包括：将外部含水量的变化转化为电阻的变化的石墨烯改性水凝胶复合材料、管体、电桥电阻采集系统、信号传输系统、计算机监测分析终端、具有高承载力的外壳；

所述管体覆盖在所述石墨烯改性水凝胶复合材料的外围，使得石墨烯改性水凝胶复合材料只能沿长度方向变化膨胀，约束石墨烯改性水凝胶复合材料在径向上的膨胀；

所述电桥电阻采集系统引出两根导线连接至所述石墨烯改性水凝胶复合材料内部；所述信号传输系统引出两条导线连接所述电桥电阻采集系统；所述信号传输系统通过无线信号与所述计算机监测分析终端相连接；

所述石墨烯改性水凝胶复合材料、管体、电桥电阻采集系统、信号传输系统封装于所述外壳中。

进一步的，所述石墨烯改性水凝胶复合材料由石墨烯和水凝胶有机结合而成，所述石墨烯分散设置在所述水凝胶内，所述石墨烯之间的间距随所述水凝胶的吸水膨胀而改变,从而使石墨烯改性水凝胶复合材料的宏观电阻率发生改变。

进一步的，所述管体为两端开口的预制圆柱形铝合金管，所述管体的两端开口处设置有透水膜。

进一步的，所述电桥电阻采集系统包括集成电路、微型电池，所述集成电路通过惠斯通电桥原理搭建而成；所述电桥电阻采集系统外接所述信号传输系统，内连所述石墨烯改性水凝胶复合材料，用于准确采集石墨烯改性水凝胶复合材料的电阻变化情况。

进一步的，所述信号传输系统采用微型无线收发装置，所述微型无线收发装置将采集到的电桥电阻采集系统的电流信号放大转化成电压信号，再将电压信号以电磁波的形式发射给计算机监测分析终端。

进一步的，所述外壳为球型结构，采用不锈钢或铝合金材料制成。

进一步的，采用树脂材料将所述石墨烯改性水凝胶复合材料、管体、电桥电阻采集系统、信号传输系统封装于所述外壳中。

本发明的有益效果是：

本发明通过提供一种可大量埋入水工建筑物中的智能骨料传感器，能够长期全面准确地监测水工建筑物中的含水信息，配合远程监测终端接收来自水工建筑物各个部位的智能骨料群所发送的大量的监测信号，从电阻变化情况反算出含水信息，包括含水量，渗水流速，水压力等，对水工建筑物的结构安全进行实时分析和评价，更加准确快捷地判断水工建筑物的安全和运行状况。

本发明可用于水工建筑物的施工和运行阶段，且对由砂石或混凝土等为骨料建成的各类型水工建筑物均可使用。该智能骨料采用埋入式监测模式工作保证了监测结果的准确性，同时在施工过程中采用层层水平埋入式布置智能骨料群，可分析水工建筑物的动水压力梯度等变化情况，可描述水工建筑物的渗流场变化。智能骨料采用球型设计封装，加之石墨烯改性水凝胶复合材料只能沿着铝合金管的长度方向膨胀变形，施工中随机埋入使得监测过程能够很好地避免由于“视野狭窄”所带来的监测信息不全面的等问题，实现全角度监测。智能骨料随水工建筑物施工时埋入体内(见图6)，与传统的渗流监测相比，不再需要建设专门的渗流监测设施，减少了工程量，而且监测得到的含水信息更加多样、精确、可靠。

附图说明

图1：本发明控制流程图；

图2：本发明的石墨烯改性水凝胶复合材料的剖面图；

图2-a：石墨烯改性水凝胶复合材料的横剖面图；

图2-b：石墨烯改性水凝胶复合材料的纵剖面图；

图3：本发明采用球型封装结构的智能骨料横剖面图。

图4：石墨烯改性水凝胶复合材料的电阻值随吸水体积的变化关系曲线示意图。

图5：石墨烯改性水凝胶复合材料的电阻变化率随水压力的变化关系曲线示意图；

图6：智能骨料在土石坝中埋设分布的一种可行方案；

图6-a：土石坝横剖面图；图6-b：土石坝纵剖面图。

附图标注：1、石墨烯改性水凝胶复合材料；2、电桥电阻采集系统；3、信号传输系统；4、计算机监测分析终端；5、管体；6、透水膜；7、空腔；8、封装材料；9、外壳。

A、智能骨科。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1所示，一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，随施工埋入水工建筑物各个部位，包括：石墨烯改性水凝胶复合材料1、管体5、电桥电阻采集系统2、信号传输系统3、计算机监测分析终端4、具有高承载力的外壳9。

所述石墨烯改性水凝胶复合材料1由石墨烯和水凝胶有机结合而成，充分利用水凝胶具有吸水体积膨胀的特性和石墨烯优异的电学性能。所述石墨烯分散设置在所述水凝胶内，水凝胶吸水膨胀会使得分散在水凝胶内部的石墨烯导电相充分发挥其隧道跃迁效应。当石墨烯改性水凝胶复合材料1吸水膨胀后，由于其内部石墨烯粒子间距的改变，使其宏观电阻率发生改变。该石墨烯改性水凝胶复合材料1的电阻率取决于其吸水量(见图4)，同时电阻率变化率取决于其所在环境的水头压力(见图5)。根据施工现场实际情况，通过优化石墨烯掺量，可以找到最佳的配合比使其具有最佳的湿度敏感特性。

水凝胶为以水为分散介质的凝胶，在具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，能将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀成交联聚合物。水凝胶是一种高分子网络体系，能吸收大量的水，且性质柔软，能保持一定的形状。将石墨烯加入水凝胶中，根据隧道导电模型，水凝胶吸水体积膨胀导致石墨烯的间距增加，使得电阻变大。从而将外部含水量的变化转化为电阻的变化，制成复合材料传感器。

所述电桥电阻采集系统2包括集成电路、微型电池等，所述集成电路通过惠斯通电桥原理搭建而成。所述电桥电阻采集系统2外接所述信号传输系统3，内连所述石墨烯改性水凝胶复合材料1，用于准确采集石墨烯改性水凝胶复合材料 1的电阻变化情况。

所述信号传输系统3，对接收到电桥电阻采集系统2的电流信号转化成电压信号，同时进行放大，经过数模转换以电磁波的形式无线发送至计算机监测分析终端4。所述信号传输系统3采用微型无线收发装置，内置于球型外壳9中，包括微型信号接收放大及无线收发功能，该装置的信号接收线分正负两条信号线，正信号线连接至正电极，负信号线连接至负电极。其中信号接收模块采集电桥系统的电流信号并按一定比例放大转化成电压信号，信号发送模块通过数模转换与无线发射装置将电压信号以电磁波的形式发射给监测终端分析。

所述计算机监测分析终端4通过无线信号与所述信号传输系统3相连接。所述计算机监测分析终端4接收来自各个智能骨料的无线信号，通过一系列解码滤波分析得到每个智能骨料的电阻变化，反算得到每个智能骨料处的含水量、渗水流速以及整个水工建筑物的动水压力梯度等含水信息。

所述管体5覆盖在所述石墨烯改性水凝胶复合材料1的外围，使得石墨烯改性水凝胶复合材料1只能沿长度方向变化膨胀，约束石墨烯改性水凝胶复合材料 1在径向上的膨胀，以最大限度发挥石墨烯改性水凝胶复合材料1的湿敏特性。如图2所示，其中，2-a图为复合材料的横剖面图，2-b图为复合材料的纵剖面图。在石墨烯改性水凝胶复合材料1外部包围的一圈管体5，所述管体5内、位于石墨烯改性水凝胶复合材料1的两端外预留有供石墨烯改性水凝胶复合材料1 自由膨胀的空腔7。所述管体5为两端开口的预制圆柱形铝合金管，所述管体5 的两端开口处设置有透水膜6，只允许水分子通过。由于水凝胶膨胀受到铝合金管的限制，石墨烯改性水凝胶复合材料1只能沿管体5长度方向，在管体5中预留的空腔7内自由膨胀，使得对于石墨烯电阻变化的测量更加准确。

图3是该智能骨料完整的横剖面图。电桥电阻采集系统2引出两根导线连接至石墨烯改性水凝胶复合材料1内部。同时信号传输系统3引出两条导线连接电桥电阻采集系统2，接收电桥电路的电流信号。所述石墨烯改性水凝胶复合材料 1、管体5、电桥电阻采集系统2、信号传输系统3封装于所述外壳9中，封装材料8由树脂等有机物组成，填充于智能骨料内部，所述外壳9为球型结构，采用不锈钢或铝合金材料制成，保证智能骨料能承受较大的压力。

图4是表示石墨烯改性水凝胶复合材料1的电阻值随着所吸收水的体积增大而增大。

图5是表示石墨烯改性水凝胶复合材料1的电阻变化率随着测点处水压力的增大而增大。

以土石坝为例，图6是土石坝中埋设智能骨料的可行方案之一。其中6-a图是土石坝的横剖面图，左边是上游，右边是下游；6-b图是土石坝的纵剖面图。灰色小圆圈代表智能骨料的可埋设点。在土石坝施工过程中，坝体按高程层层填筑上升时，将智能骨料混进填筑料中，每隔一段水平距离填埋若干智能骨料。同时在需重点监测的部位如坝坡，坝基面，各个料区结合处等也可填埋适量智能骨料。由于填埋的随机性，同一处的智能骨料的吸水方向也即变形方向各不相同，能对该点处的含水情况进行比较全面监测。当石墨烯改性水凝胶复合材料1吸水膨胀导致电阻增大时，电桥电阻采集系统2的电流将发生变化，信号传输系统3 采集到电桥电阻采集系统2变化的电流后，转化并放大为电压信号，并通过电磁波将信号发送至计算机监测分析终端4。在施工阶段对智能骨料发射的信号进行接收，分析填埋部位的含水情况，评价施工时的填筑质量。

在水库蓄水正常运行之后，智能骨料能继续对填埋处的渗流量、渗流速度等进行监测，同时根据设在不同高程处的智能骨料可计算当前坝体的动水压力梯度，了解大坝安全运行状况。

综上，智能骨料自填埋之后起，即可长久地全面地准确地发挥它的监测感知作用，有效提高了大坝质量的安全预警水平。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，其特征在于，随施工埋入水工建筑物各个部位，包括：将外部含水量的变化转化为电阻的变化的石墨烯改性水凝胶复合材料、管体、电桥电阻采集系统、信号传输系统、计算机监测分析终端、具有高承载力的外壳；

所述管体覆盖在所述石墨烯改性水凝胶复合材料的外围，使得石墨烯改性水凝胶复合材料只能沿长度方向变化膨胀，约束石墨烯改性水凝胶复合材料在径向上的膨胀；

所述电桥电阻采集系统引出两根导线连接至所述石墨烯改性水凝胶复合材料内部；所述信号传输系统引出两条导线连接所述电桥电阻采集系统；所述信号传输系统通过无线信号与所述计算机监测分析终端相连接；

所述石墨烯改性水凝胶复合材料、管体、电桥电阻采集系统、信号传输系统封装于所述外壳中。

2.根据权利要求1所述的一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，其特征在于，所述石墨烯改性水凝胶复合材料由石墨烯和水凝胶有机结合而成，所述石墨烯分散设置在所述水凝胶内，所述石墨烯之间的间距随所述水凝胶的吸水膨胀而改变,从而使石墨烯改性水凝胶复合材料的宏观电阻率发生改变。

3.根据权利要求1所述的一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，其特征在于，所述管体为两端开口的预制圆柱形铝合金管，所述管体的两端开口处设置有透水膜。

4.根据权利要求1所述的一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，其特征在于，所述电桥电阻采集系统包括集成电路、微型电池，所述集成电路通过惠斯通电桥原理搭建而成；所述电桥电阻采集系统外接所述信号传输系统，内连所述石墨烯改性水凝胶复合材料，用于准确采集石墨烯改性水凝胶复合材料的电阻变化情况。

5.根据权利要求1所述的一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，其特征在于，所述信号传输系统采用微型无线收发装置，所述微型无线收发装置将采集到的电桥电阻采集系统的电流信号放大转化成电压信号，再将电压信号以电磁波的形式发射给计算机监测分析终端。

6.根据权利要求1所述的一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，其特征在于，所述外壳为球型结构，采用不锈钢或铝合金材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种可感知水工建筑物内部含水信息的智能骨料，其特征在于，采用树脂材料将所述石墨烯改性水凝胶复合材料、管体、电桥电阻采集系统、信号传输系统封装于所述外壳中。