CN115656321A - 基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，包括能够分别作为驱动端和接收端的两个球形压电陶瓷阵列传感器，所述驱动端和所述接收端植入待检测混凝土结构的两端；所述驱动端连接多通道信号发生器，所述接收端连接多通道信号采集仪，所述多通道信号发生器和所述多通道信号采集仪均连接工作站；其中，所述球形压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个球形压电陶瓷，多个所述球形压电陶瓷阵列布置，开展扫描测试；多个所述球形压电陶瓷通过屏蔽导线连接多孔接线器，所述多孔接线器连接所述多通道信号发生器或所述多通道信号采集仪。本发明能够提高对混凝土内部结构损伤的识别效果。

Description

基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统

技术领域

本发明涉及土木工程结构无损检测和监测技术领域，特别涉及一种基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统。

背景技术

钢筋混凝土结构在大型土木工程结构中广泛应用，在荷载和温度等环境因素的作用下，混凝土结构将不可避免地出现不同程度的开裂现象。对于内部损伤和裂缝的高效精准测试，目前仍然是结构损伤检测领域的技术难题。

传统埋置式传感器需要在施工阶段进行安装，不适用于钢筋混凝土结构在服役阶段的检测。因此，产生了可植入式的PZT压电传感器，以实现在结构使用期间的长期监测。

常用的植入式传感器一般基于圆形和矩形的PZT压电陶瓷片作为核心的感知元件，外面采用混凝土外壳进行封装，起到保护、绝缘和防水的作用。但是这种PZT陶瓷一般只能感知一个特定方向的应力波，仅可以实现2D应力波的感应。

为了实现具有3D应力波感知能力的混凝土内部裂缝的检测和监测，同时实现可穿戴式的模块化，申请人团队曾经提出了图1所示的长方体感知模块，并制作了相应的传感器元件，开展了相关的实验研究。然而，图1所示的感知模块及方法具有以下四方面的技术弊端：

1)在形状上，采用的是立方体的模块进行封装，长方体开孔困难且难以精准控制开孔形状的精度和表面粗糙度。粗糙的表面会提高界面反射，降低应力波的传播效率。2)该方法采用铜管作为球形PZT的定位杆，该定位杆的存在，在很大程度上改变了PZT球的振动形式和其所激发的应力波的传播。3)此外，该PZT球采用黑色的橡胶作为绝缘和保护层。由于橡胶的材质较软，且具有较强的吸波能力，很大程度上削弱PZT球激发应力波的信号能量和频率，非常不利于对混凝土结构中微弱应力波信号的传播，且传感器接收到的应力波能量会显著降低且频率将与预设的激励频率产生较大的误差。4)该方案采用的是四个球形传感器在平面上的菱形布置方案，最初的目的是希望四个球形传感器可能在传播一定距离后实现应力波的聚焦和叠加，以实现应力波信号的自增强。但是由于该方案采用了球形杆、橡胶护套等作为辅助工艺，在很大程度上扰乱了应力波的形成机制。5)由于信号激励端激发的应力比较紊乱，感知端在采用同样的PZT球布置时，不能实现对竖向裂缝的有效感知，这种布置方案，不能用于纵向或者其他方向裂缝的识别。

为此，在已有研究的基础上，结合现有方法的不足和弊端，提出了本发明的实施方案。

发明内容

针对现有植入式传感器、可穿戴模块所面临的安装困难，信号激发机理不明确，缺陷感知识别能力差的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，基于PZT球形传感器线性阵列，采用圆柱形混凝土基体作为可穿戴模块，取消辅助定位装置，提升激发应力波的质量，提高对损伤的辨识效果，圆柱形的感知模块水平和竖向布置，可实现对不同方向裂缝的识别和监测。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，包括能够分别作为驱动端和接收端的两个球形压电陶瓷阵列传感器，所述驱动端和所述接收端植入待检测混凝土结构的两端；

所述驱动端连接多通道信号发生器，所述接收端连接多通道信号采集仪，所述多通道信号发生器和所述多通道信号采集仪均连接工作站；

其中，所述球形压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个球形压电陶瓷，多个所述球形压电陶瓷阵列布置，开展扫描测试；多个所述球形压电陶瓷通过屏蔽导线连接多孔接线器，所述多孔接线器连接所述多通道信号发生器或所述多通道信号采集仪。

优选地，所述球形压电陶瓷阵列传感器包括底部半圆柱和顶部半圆柱，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱分别对应设置多个容纳二分之一所述球形压电陶瓷的凹槽，所述凹槽的位置用于对所述球形压电陶瓷进行定位，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个所述球形压电陶瓷。

优选地，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱采用高强低收缩混凝土基体，通过3D打印技术制备，两者扣合后，采用环氧树脂封装。

优选地，所述球形压电陶瓷的数量不小于5个。

优选地，多个所述球形压电陶瓷在圆柱形模块的中心轴方向以预设间距均匀布置。

优选地，所述球形压电陶瓷阵列传感器与植入的混凝土结构之间通过环氧树脂粘结。

优选地，作为驱动端的球形压电陶瓷阵列传感器和作为接收端的球形压电陶瓷阵列传感器的功能能够互换，即作为驱动端的球形压电陶瓷阵列传感器也能够用作接收端，相应地，作为接收端的球形压电陶瓷阵列传感器也能够用作驱动端。

优选地，所述检测系统还包括示波器和电压信号放大器，所述示波器连接所述多通道信号发生器，所述电压信号放大器的输入端连接所述多通道信号发生器，所述电压信号放大器的输出端连接所述驱动端。

优选地，所述球形压电陶瓷阵列传感器的安装方法如下：

以高强低收缩混凝土为基体，根据需求设置球形压电陶瓷的数量及定位，制备球形压电陶瓷阵列传感器；

待检测混凝土结构的两端开孔，分别植入球形压电陶瓷阵列传感器，其中一端作为驱动端，另一端作为接收端；

灌注低收缩环氧树脂，静置固化24小时以上；

连接外部设备进行调试。

优选地，所述检测系统的检测方法如下：

工作站的计算机向多通道信号发生器发出触发信号；

多通道信号发生器生成波形，并通过示波器进行波形检查；

若波形检查正常，则将信号输入电压信号放大器；若波形检查异常，则进行线路检查，重新发出触发信号；

电压信号放大器将放大后的信号输入驱动端，驱动端的多个球形压电陶瓷产生高频应力波；

接收端相对应的多个球形压电陶瓷感知高频应力波，产生感应信号并传输至多通道信号采集仪；

多通道信号采集仪将采集的感应信号发送至工作站的计算机进行存储和分析；

工作站的计算机根据采集的感应信号进行信号时域/频域分析，基于包括信号能量、首波声时、信号频率、幅值在内的参数同时作为损伤评估指标，实现多参数的损伤评估。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明提出了一种基于球形压电陶瓷阵列的圆柱形可穿戴模块，解决了传统传感器预埋定位不精准，模块安装开孔质量差的技术难题；基于3D打印带有半球形凹槽的半圆柱拼装的方法，有效避免了定位杆件和附加装置对应力波的扰动，解决了传统基于橡胶层对应力波能量降低的影响；本发明内部构造简洁，解决了模块内部由于多种材料声阻抗不匹配导致的复杂截面反射波的问题，应力波触发质量高；圆柱形的感知模块水平和竖向布置，可实现对不同方向裂缝的识别和监测，可广泛应用于建筑工程、桥梁工程等大型基础设施的损伤识别检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中长方体感知模块的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的球形压电陶瓷阵列传感器的组装示意图；

图4是本发明实施例提供的组装后的球形压电陶瓷阵列传感器的示意图；

图5是本发明实施例提供的球形压电陶瓷的内部构造示意图；

图6是本发明实施例提供的检测系统的安装及检测方法示意图；

图7是本发明实施例提供的检测过程示意图；

图8是本发明实施例提供的典型案例的时域电压信号示意图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，如图2所示，所述检测系统包括能够分别作为驱动端1和接收端2的两个球形压电陶瓷阵列传感器，驱动端1和接收端2植入待检测混凝土结构的两端；

驱动端1连接多通道信号发生器3，接收端2连接多通道信号采集仪4，多通道信号发生器3和多通道信号采集仪4均连接工作站5；这里的工作站包括至少一台高性能计算机；

为提高检测精确度，所述检测系统还包括示波器6和电压信号放大器7，示波器6连接多通道信号发生器3，电压信号放大器7的输入端连接多通道信号发生器3，电压信号放大器7的输出端连接驱动端1。

进一步地，如图3-图5所示，为所述球形压电陶瓷阵列传感器的结构及组装过程示意图。所述球形压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个球形压电陶瓷13，多个球形压电陶瓷13阵列布置，开展扫描测试，能够大幅提升损伤检测精度和效率；多个球形压电陶瓷13通过屏蔽导线8连接多孔接线器9，多孔接线器9连接多通道信号发生器3或多通道信号采集仪4。

本发明实施例中，所述球形压电陶瓷阵列传感器包括底部半圆柱10和顶部半圆柱11，底部半圆柱11和顶部半圆柱12分别对应设置多个容纳二分之一球形压电陶瓷13的凹槽，凹槽的位置用于对球形压电陶瓷13进行定位，底部半圆柱10和顶部半圆柱11扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个球形压电陶瓷13。

作为本发明的一种优选实施方式，底部半圆柱10和顶部半圆柱11采用高强低收缩混凝土基体，通过3D打印技术制备，两者扣合后，采用环氧树脂封装，避免混凝土基体浇筑和硬化过程中对球形压电陶瓷的损伤，并起到防水绝缘的作用。所述基于3D打印带有半球形凹槽的半圆柱拼装的方法，有效避免了定位杆件和附加装置对应力波的扰动，解决了传统基于橡胶层对应力波能量降低的影响。

本发明通过在待检测结构上开设圆柱形安装孔，显著提升了植入式传感器的安装便捷性。植入式传感器的几何尺寸可依据待检测结构的尺寸进行调整，为保证检测精度，预埋球形压电陶瓷的数量不宜小于5个，且多个球形压电陶瓷在圆柱形模块的中心轴方向以预设间距均匀布置。

进一步地，本发明实施例中，作为驱动端的球形压电陶瓷阵列传感器和作为接收端的球形压电陶瓷阵列传感器的功能能够互换，即作为驱动端的球形压电陶瓷阵列传感器也能够用作接收端，相应地，作为接收端的球形压电陶瓷阵列传感器也能够用作驱动端，两种测量模式可灵活选择，极大地提升了检测的便利性。

如图6所示，所述球形压电陶瓷阵列传感器的安装方法如下：

以高强低收缩混凝土为基体，根据需求设置球形压电陶瓷的数量及定位，制备球形压电陶瓷阵列传感器；这里可采用上述的3D打印方法进行设备；

待检测混凝土结构的两端开孔，分别植入球形压电陶瓷阵列传感器；其中一端作为驱动端，另一端作为接收端；

灌注低收缩环氧树脂，静置固化24小时以上；这里球形压电陶瓷阵列传感器与植入的混凝土结构之间通过环氧树脂粘结，该方法对结构本身的损伤极小，安装便利；

连接外部设备进行调试。

进一步地，如图6所示，所述检测系统的检测方法如下：

工作站的计算机向多通道信号发生器发出触发信号；

多通道信号发生器生成波形，并通过示波器进行波形检查；

若波形检查正常，则将信号输入电压信号放大器；若波形检查异常，则进行线路检查，重新发出触发信号；

电压信号放大器将放大后的信号输入驱动端，驱动端的多个球形压电陶瓷产生高频应力波；

接收端相对应的多个球形压电陶瓷感知高频应力波，产生感应信号并传输至多通道信号采集仪；

多通道信号采集仪将采集的感应信号发送至工作站的计算机进行存储和分析；

工作站的计算机根据采集的感应信号进行信号时域/频域分析，基于包括信号能量、首波声时、信号频率、幅值在内的参数同时作为损伤评估指标，实现多参数的损伤评估。

图7是本发明实施例的检测过程示意图，本发明可分别基于信号能量、首波声时、信号频率、幅值等参数同时作为损伤评估的指标，实现多参数的损伤评估，避免传统单一参数或指标的评估方法造成的误判，提升测试精度。

图8是本发明实施例提供的典型案例的时域电压信号示意图。基于本发明的检测方法，根据检测到的感应信号的电压幅值变化情况，能够明确识别出混凝土内部结构是否损伤以及损伤部位，大幅提升损伤检测精度和效率。

本发明内部构造简洁，解决了模块内部由于多种材料声阻抗不匹配导致的复杂截面反射波的问题，应力波触发质量高；圆柱形的感知模块水平和竖向布置，可实现对不同方向裂缝的识别和监测，可广泛应用于建筑工程、桥梁工程等大型基础设施的损伤识别检测。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。

如本文使用的，术语“标称/标称地”是指在生产或制造过程的设计阶段期间设置的针对部件或过程操作的特性或参数的期望或目标值，以及高于和/或低于期望值的值的范围。值的范围可能是由于制造过程或容限中的轻微变化导致的。如本文使用的，术语“大约”指示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于特定技术节点，术语“大约”可以指示给定量的值，其例如在值的5％-15％(例如，值的±5％、±10％或±15％)内变化。

可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。

此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，包括能够分别作为驱动端和接收端的两个球形压电陶瓷阵列传感器，所述驱动端和所述接收端植入待检测混凝土结构的两端；

所述驱动端连接多通道信号发生器，所述接收端连接多通道信号采集仪，所述多通道信号发生器和所述多通道信号采集仪均连接工作站；

其中，所述球形压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个球形压电陶瓷，多个所述球形压电陶瓷阵列布置，开展扫描测试；多个所述球形压电陶瓷通过屏蔽导线连接多孔接线器，所述多孔接线器连接所述多通道信号发生器或所述多通道信号采集仪。

2.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，所述球形压电陶瓷阵列传感器包括底部半圆柱和顶部半圆柱，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱分别对应设置多个容纳二分之一所述球形压电陶瓷的凹槽，所述凹槽的位置用于对所述球形压电陶瓷进行定位，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个所述球形压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱采用高强低收缩混凝土基体，通过3D打印技术制备，两者扣合后，采用环氧树脂封装。

4.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，所述球形压电陶瓷的数量不小于5个。

5.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，多个所述球形压电陶瓷在圆柱形模块的中心轴方向以预设间距均匀布置。

6.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，所述球形压电陶瓷阵列传感器与植入的混凝土结构之间通过环氧树脂粘结。

7.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，作为驱动端的球形压电陶瓷阵列传感器和作为接收端的球形压电陶瓷阵列传感器的功能能够互换，即作为驱动端的球形压电陶瓷阵列传感器也能够用作接收端，相应地，作为接收端的球形压电陶瓷阵列传感器也能够用作驱动端。

8.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括示波器和电压信号放大器，所述示波器连接所述多通道信号发生器，所述电压信号放大器的输入端连接所述多通道信号发生器，所述电压信号放大器的输出端连接所述驱动端。

9.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，所述球形压电陶瓷阵列传感器的安装方法如下：

以高强低收缩混凝土为基体，根据需求设置球形压电陶瓷的数量及定位，制备球形压电陶瓷阵列传感器；

待检测混凝土结构的两端开孔，分别植入球形压电陶瓷阵列传感器，其中一端作为驱动端，另一端作为接收端；

灌注低收缩环氧树脂，静置固化24小时以上；

连接外部设备进行调试。

10.根据权利要求1所述的基于球形压电陶瓷阵列的植入式混凝土结构损伤检测系统，其特征在于，所述检测系统的检测方法如下：

工作站的计算机向多通道信号发生器发出触发信号；

多通道信号发生器生成波形，并通过示波器进行波形检查；

若波形检查正常，则将信号输入电压信号放大器；若波形检查异常，则进行线路检查，重新发出触发信号；

电压信号放大器将放大后的信号输入驱动端，驱动端的多个球形压电陶瓷产生高频应力波；

接收端相对应的多个球形压电陶瓷感知高频应力波，产生感应信号并传输至多通道信号采集仪；

多通道信号采集仪将采集的感应信号发送至工作站的计算机进行存储和分析；

工作站的计算机根据采集的感应信号进行信号时域/频域分析，基于包括信号能量、首波声时、信号频率、幅值在内的参数同时作为损伤评估指标，实现多参数的损伤评估。

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