CN113671045A - 用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统 - Google Patents

用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113671045A
CN113671045A CN202110953377.9A CN202110953377A CN113671045A CN 113671045 A CN113671045 A CN 113671045A CN 202110953377 A CN202110953377 A CN 202110953377A CN 113671045 A CN113671045 A CN 113671045A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
steel
ultrasonic transducer
generating
piezoelectric ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110953377.9A
Other languages
English (en)
Inventor
路国运
卜书文
左文建
杨旭
王轶喆
杨涵笑
杨俊涛
陈鹏程
杨会伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyuan University of Technology
Original Assignee
Taiyuan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyuan University of Technology filed Critical Taiyuan University of Technology
Priority to CN202110953377.9A priority Critical patent/CN113671045A/zh
Publication of CN113671045A publication Critical patent/CN113671045A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • G01N29/245—Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0232—Glass, ceramics, concrete or stone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电‑检测系统和方法。包括压电元件、第一压电型超声换能器、功率放大电路、内部小型电源、第二压电型超声换能器、钢质密闭立方体；压电元件由压电陶瓷片、承载压电陶瓷片的钢片和用于固定钢片的支撑板组成；所述第一压电型超声换能器贴附于所测钢管混凝土外壁上，其余设备均置于钢质密闭立方体内，并预先埋置于钢管混凝土中所需进行测量的位置；位于钢质密闭立方体内的各部件通过电导线相连；所述的功率放大电路粘贴到钢质密闭立方体中与压电元件相对的一侧上；所述的第二压电型超声换能器粘贴到钢质密闭立方体内的下部。

Description

用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统
技术领域
本发明涉及一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统和方法，具体设计一种结构体内部发射超声波进行检测的系统和方法，属于结构检测领域。
背景技术
现有的检测结构损伤的仪器中，超声波法是应用范围最广的无损检测方法之一。目前主流的应用原理为超声脉冲回波法，通过回波的振幅衰减及波形畸变反应内部缺陷，但超声脉冲回波法存在两个主要问题，一是波形复杂，发出的超声波会在结构体内部发生复杂的反射、散射等现象，使回弹的超声波无法充分反应结构内部；二是超声波的能量衰减严重，超声波在介质中传播时与介质摩擦产生相当大的热量耗散，致使回波法检测深度有限。
超声换能器可以实现声能-电能的转化，其中压电型换能器需要的材料较少，且价格便宜、声电转化效率高、适用于各种介质中的超声传播。
超声波在混凝土、水泥砂浆中传播会产生一定程度上的频率及幅值的衰减，且频率越高、传播距离越远，衰减程度越大。
当结构受到外部激励频率与自振频率相同或接近自振频率时，结构会产生一定振幅的周期性振动，其中振动幅值大小可由外部激励能量大小决定。
发明内容
本发明旨在提供一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统和方法，用于对固定位置结构进行检测，以及为结构的特定位置进行检测，提高超声检测的深度，降低对结构的损坏，降低深度检测的难度。
本发明克服了现有技术中存在的不足，提高了超声检测的深度，充分利用压电陶瓷的机械能向电能的转化能力，实现了从结构体内部发出超声波，进而实现对结构损伤的检测。钢片受超声激励振动，使压电陶瓷片周期性振动，产生电压。
本发明提供的压电陶瓷自发电-检测系统部分封装在钢质密闭立方体内，部分检测部件放置于所测钢管混凝土结构外部，保证自发电系统埋在钢管混凝土结构体内部时不会因受力产生较大变形而影响工作。
本发明提供了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，所述自发电-检测系统部分封装在钢质密闭立方体内，部分检测部件放置于所测钢管混凝土结构外部；该系统包括：压电元件、第一压电型超声换能器（50kHz）、功率放大电路、内部小型电源（5V）、第二压电型超声换能器(100kHz)、钢质密闭立方体。压电元件由压电陶瓷片、承载压电陶瓷片的钢片和用于固定钢片的支撑板组成。
所述检测系统中的第一压电型超声换能器（50kHz）贴附于所测钢管混凝土外壁上，其余设备均置于钢质密闭立方体内，并预先埋置于钢管混凝土中所需进行测量的位置。位于钢质密闭立方体内的各部件通过电导线相连；所述的功率放大电路粘贴到钢质密闭立方体中与压电元件相对的一侧上；所述的第二压电型超声换能器粘贴到钢质密闭立方体内的下部。
进一步地，所述的第一压电型超声换能器（50kHz），为钢片提供振动激励，并能接收频率在50kHz附近的超声波。
进一步地，所述的钢片，钢片的振动能够使胶粘于钢片上的压电陶瓷片共同振动，引起周期性变形。
进一步地，所述的钢片的一端为自由端，另一端与钢片约束端通过焊接形成刚性连接。
进一步地，所述的内部小型电源（5V），为功率放大电路提供电压。
进一步地，所述的功率放大电路，能将压电陶瓷产生的电压放大到满足压电型超声换能器（100kHz）发出超声波的阈值，功率放大电路与压电陶瓷之间通过电导线相连。
进一步地，所述的第二压电型超声换能器（100kHz），可以利用放大后的电压，产生压电型100kHz的超声波。
本发明提供了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测方法，利用上述系统进行检测，包括以下步骤：
（1）将压电元件、功率放大电路与第二压电型超声换能器通过电导线相连，并放置于钢质密闭立方体内，当压电元件支撑板与钢质密闭立方体焊接固定后，将钢质密闭立方体密封。下面将该密封系统称为压电陶瓷自发电-检测系统。
（2）在钢管混凝土浇筑成型前，将压电陶瓷自发电-检测系统放置于日后所需进行检测的关键位置，埋置于钢管混凝土中，待混凝土硬化成型后即可固定钢质密闭立方体的位置。
（3）钢管混凝土结构成型后，当需要进行检测时，检测人员手持第一压电型超声换能器紧贴于埋置了压电陶瓷自发电-检测系统的钢管混凝土外部，距压电陶瓷自发电-检测系统不可超过1m；
（4）各检测设备均置于目标位置后，检测人员开启第一压电型超声换能器，向压电陶瓷自发电-检测系统发出频率为50kHz的超声波，并可同时接收到压电陶瓷自发电-检测系统所反馈出的超声信号。
（5）收集到目标信号，检测人员收回手持第一压电型超声换能器。
（6）对比检测人员手持50kHz超声换能器的发出超声信号和接收超声信号，即可实现对钢管混凝土关键部位的检测。
本发明的有益效果：
本发明的检测系统通过压电陶瓷的变形发电，达到了无需外部供电的目的；同时在结构体内部利用压电型超声换能器，实现超声波在结构体内部发出指定频率的超声波来实现测量目的，降低了超声回弹法中超声波的能量耗散，提高了检测深度。
附图说明
图1为本发明功能实现流程示意图。
图2为压电元件示意图。
图3为功率放大电路示意图。
图4为检测设备在钢管混凝土中的应用示意图。
图5为检测设备内部各部件连接示意图。
图中：1为压电元件，2为功率放大电路，3为第二压电型超声换能器，4为第一压电型超声换能器，5为钢质密闭立方体，101为压电陶瓷片，102为钢片，103为支撑板。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1~5所示，一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，所述自发电-检测系统部分封装在钢质密闭立方体内，部分检测部件放置于所测钢管混凝土结构外部；该系统包括：压电元件、第一压电型超声换能器4（50kHz）、功率放大电路2、内部小型电源（5V）、第二压电型超声换能器3(100kHz)、钢质密闭立方体。压电元件由压电陶瓷片101、承载压电陶瓷片的钢片102和用于固定钢片的支撑板103组成。
所述检测系统中的第一压电型超声换能器（50kHz）贴附于所测钢管混凝土外壁上，其余设备均置于钢质密闭立方体内，并预先埋置于钢管混凝土中所需进行测量的位置。位于钢质密闭立方体内的各部件通过电导线相连；所述的功率放大电路粘贴到钢质密闭立方体中与压电元件相对的一侧上；所述的第二压电型超声换能器粘贴到钢质密闭立方体内的下部。
进一步地，所述的第一压电型超声换能器（50kHz），为钢片提供振动激励，并能接收频率在50kHz附近的超声波。
进一步地，所述的钢片，钢片的振动能够使粘贴于钢片上的压电陶瓷片共同振动，引起周期性变形。
进一步地，所述的钢片的一端为自由端，另一端与钢片约束端通过焊接形成刚性连接。
进一步地，所述的功率放大电路的小型电源（5V），为功率放大提供所需电压。
进一步地，所述的功率放大电路，能将压电陶瓷产生的电压放大到满足压电型超声换能器（100kHz）发出超声波的阈值，功率放大电路与压电陶瓷之间通过电导线相连。
进一步地，所述的第二压电型超声换能器（100kHz），可以利用放大后的电压，产生压电型100kHz的超声波。
本发明提供了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测方法，利用上述系统进行检测，包括以下步骤：
（1）将压电元件、功率放大电路与第二压电型超声换能器通过电导线相连，并放置于钢质密闭立方体内，当压电元件支撑板与钢质密闭立方体焊接固定后，将钢质密闭立方体密封。下面将该密封系统称为压电陶瓷自发电-检测系统。
（2）在钢管混凝土浇筑成型前，将压电陶瓷自发电-检测系统放置于日后所需进行检测的关键位置，埋置于钢管混凝土中，待混凝土硬化成型后即可固定钢质密闭立方体的位置。
（3）钢管混凝土结构成型后，当需要进行检测时，检测人员手持第一压电型超声换能器紧贴于埋置了压电陶瓷自发电-检测系统的钢管混凝土外部，距压电陶瓷自发电-检测系统不可超过1m；
（4）各检测设备均置于目标位置后，检测人员开启第一压电型超声换能器，向压电陶瓷自发电-检测系统发出频率为50kHz的超声波，并可同时接收到压电陶瓷自发电-检测系统所反馈出的超声信号。
（5）收集到目标信号，检测人员收回手持第一压电型超声换能器。
（6）对比检测人员手持50kHz超声换能器的发出超声信号和接收超声信号，即可实现对钢管混凝土关键部位的检测。

Claims (7)

1.一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，其特征在于：包括压电元件、第一压电型超声换能器、功率放大电路、内部小型电源、第二压电型超声换能器、钢质密闭立方体；压电元件由压电陶瓷片、承载压电陶瓷片的钢片和用于固定钢片的支撑板组成；所述第一压电型超声换能器贴附于所测钢管混凝土外壁上，其余设备均置于钢质密闭立方体内，并预先埋置于钢管混凝土中所需进行测量的位置；位于钢质密闭立方体内的各部件通过电导线相连；所述的功率放大电路粘贴到钢质密闭立方体中与压电元件相对的一侧上；所述的第二压电型超声换能器粘贴到钢质密闭立方体内的下部。
2.根据权利要求1所述的用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，其特征在于：所述的第一压电型超声换能器，为钢片提供振动激励，并能接收频率在50kHz附近的超声波。
3.根据权利要求1所述的用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，其特征在于：所述的钢片，钢片的振动能够使胶粘于钢片上的压电陶瓷片共同振动，引起周期性变形；所述的钢片的一端为自由端，另一端与钢片约束端通过焊接形成刚性连接。
4.根据权利要求1所述的用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，其特征在于：所述的内部小型电源，为功率放大电路提供电压。
5.根据权利要求1所述的用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，其特征在于：所述的功率放大电路，能将压电陶瓷产生的电压放大到满足压电型超声换能器发出超声波的阈值，功率放大电路与压电陶瓷之间通过电导线相连。
6.根据权利要求1所述的用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，其特征在于：所述的第二压电型超声换能器，能利用放大后的电压产生压电型100kHz的超声波。
7.一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测方法，利用权利要求1~6任一项所述的系统进行检测，其特征在于包括以下步骤：
（1）将压电元件、功率放大电路与第二压电型超声换能器通过电导线相连，并放置于钢质密闭立方体内，当压电元件支撑板与钢质密闭立方体焊接固定后，将钢质密闭立方体密封；
（2）在钢管混凝土浇筑成型前，将压电陶瓷自发电-检测系统放置于日后所需进行检测的关键位置，埋置于钢管混凝土中，待混凝土硬化成型后即可固定钢质密闭立方体的位置；
（3）钢管混凝土结构成型后，当需要进行检测时，检测人员手持第一压电型超声换能器紧贴于埋置了压电陶瓷自发电-检测系统的钢管混凝土外部，距压电陶瓷自发电-检测系统不可超过1m；
（4）各检测设备均置于目标位置后，检测人员开启第一压电型超声换能器，向压电陶瓷自发电-检测系统发出频率为50kHz的超声波，并能同时接收到压电陶瓷自发电-检测系统所反馈出的超声信号；
（5）收集到目标信号，检测人员收回手持第一压电型超声换能器；
（6）对比检测人员手持50kHz超声换能器的发出超声信号和接收超声信号，即实现对钢管混凝土关键部位的检测。
CN202110953377.9A 2021-08-19 2021-08-19 用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统 Pending CN113671045A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110953377.9A CN113671045A (zh) 2021-08-19 2021-08-19 用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110953377.9A CN113671045A (zh) 2021-08-19 2021-08-19 用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113671045A true CN113671045A (zh) 2021-11-19

Family

ID=78543858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110953377.9A Pending CN113671045A (zh) 2021-08-19 2021-08-19 用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113671045A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102062747A (zh) * 2010-11-15 2011-05-18 湖南大学 基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法
CN106153728A (zh) * 2016-08-31 2016-11-23 中冶建筑研究总院有限公司 一种超声波无损检测装置
CN106168604A (zh) * 2016-08-04 2016-11-30 上海交通大学 一种混凝土板层间通缝的监测方法和装置
CN109521096A (zh) * 2018-12-27 2019-03-26 武汉科技大学 一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料及其监测方法
CN209516975U (zh) * 2019-01-16 2019-10-18 武汉领普科技有限公司 一种压电陶瓷发电装置及基于压电陶瓷发电的结构

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102062747A (zh) * 2010-11-15 2011-05-18 湖南大学 基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法
CN106168604A (zh) * 2016-08-04 2016-11-30 上海交通大学 一种混凝土板层间通缝的监测方法和装置
CN106153728A (zh) * 2016-08-31 2016-11-23 中冶建筑研究总院有限公司 一种超声波无损检测装置
CN109521096A (zh) * 2018-12-27 2019-03-26 武汉科技大学 一种用于识别混凝土结构早期损伤的骨料及其监测方法
CN209516975U (zh) * 2019-01-16 2019-10-18 武汉领普科技有限公司 一种压电陶瓷发电装置及基于压电陶瓷发电的结构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108508085B (zh) 一种扭转模态磁致伸缩传感器、管道检测系统及方法
Grandia et al. NDE applications of air-coupled ultrasonic transducers
CN102944608B (zh) 波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置及方法
CN201107299Y (zh) 一种高性能管道超声导波检测传感器
CN108594238B (zh) 基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置及校准方法
CN108562642B (zh) 纵向模态超声导波的电磁换能装置、管道检测系统及方法
CN102819035B (zh) 一种非接触超声波检测方法
CN102507655A (zh) 基于压电智能骨料的钢管混凝土结构密实性监测方法
CN101666783A (zh) 超声导波复合式无损检测方法及其装置
CN101358843B (zh) 高温内筒壁厚检测系统
CN103439418B (zh) 一种低阶扭转模态电磁声阵列传感器
WO2001020296A3 (en) Electromagnetic acoustic transducer (emat) inspection of cracks in boiler tubes
CN110887898B (zh) 一种基于超声导波的方管检测方法及装置
CN109115878A (zh) 一种桥梁预应力孔道压浆密实度超声检测装置及其检测方法
CN101393172A (zh) 非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹
CN105806944A (zh) 一种缆索疲劳损伤的检测方法及装置
CN113671045A (zh) 用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统
CN201269749Y (zh) 高温测厚探头
CN115266947B (zh) 一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置及检测方法
CN215465833U (zh) 一种基于超声波金属探伤自修复装置
JP2012107918A (ja) クラック検知装置及びクラック検知方法
CN2140049Y (zh) 便携式电磁和压电超声合成测厚仪
CN102818621B (zh) 一种非接触聚集型探头
何存富 et al. Array of fundamental torsional mode EMATs and experiment in thick-wall pipe with small diameter
CN102590356A (zh) 声发射传感器灵敏度测量装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination