CN115656338A - 基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，包括分别植入待检测混凝土结构两端的驱动端和接收端，驱动端连接多通道信号发生器，接收端连接多通道信号采集仪，多通道信号发生器和多通道信号采集仪均连接工作站；其中，驱动端采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器，接收端采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器、单向感知型压电陶瓷阵列传感器、或者球形压电陶瓷阵列传感器中的一种。本发明充分利用聚焦型压电陶瓷阵列的自聚焦特性，能够实现对驱动端信号幅值的自放大，有效延长超声波的传输距离，提高检测信号的信噪比，提升检测效果。

Description

基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统

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，特别涉及一种基于聚焦型压电陶瓷阵列的可植入式混凝土内部裂缝检测系统。

背景技术

基于应力波的超声检测技术，被广泛应用于钢筋混凝土结构的无损测试中。然而，现有技术难以满足已完工混凝土结构的内部裂缝的高效测试。传统超声检测设备的信号触发频率为定值，不便于实时调整激励信号的中心频率，难以实现对不同尺度缺陷的精准识别。

混凝土结构内部裂缝的检测一般可采用植入式的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。

此外，由于高频应力波在混凝土的传播衰减显著，亟需研发具有自聚焦能力的超声检测技术，提升驱动端应力波的幅值，提升检测信号的信噪比和损伤识别的精度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，基于聚焦型压电陶瓷线性阵列，提升应力波的能量聚焦，开展扫描测试；基于聚焦型压电陶瓷环形阵列，实现应力波的二次聚焦，显著提升应力波的幅值，延长有效测试距离，实现对大型混凝土结构损伤检测；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，提高对裂缝的辨识效果；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：

一种基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，包括分别植入待检测混凝土结构两端的驱动端和接收端，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，所述驱动端采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器，所述接收端采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器、单向感知型压电陶瓷阵列传感器、或者球形压电陶瓷阵列传感器中的一种；

所述聚焦型压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个圆弧形聚焦压电陶瓷，多个所述圆弧形聚焦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；

所述单向感知型压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个矩形片状压电陶瓷，多个所述矩形片状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采集仪；

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采集仪。

优选地，所述聚焦型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圆弧形聚焦压电陶瓷的圆弧形凹槽，所述圆弧形凹槽的位置用于对所述圆弧形聚焦压电陶瓷进行定位，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷。

优选地，所述单向感知型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矩形片状压电陶瓷的矩形凹槽，所述矩形凹槽的位置用于对所述矩形片状压电陶瓷进行定位，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个所述矩形片状压电陶瓷。

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球形凹槽，所述球形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，所述聚焦型压电陶瓷阵列传感器中，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的排列方式包括以下三种：

平行阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷以均匀间隔沿直线排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向平行；

线性阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷以均匀间隔沿直线排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向汇聚在第一汇聚点，所述第一汇聚点为经过阵列第一个圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点和最后一个圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点的圆的圆心；

环形阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点位于同一个圆上，且以均匀间隔排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向汇聚在第二汇聚点，所述第二汇聚点为该圆的圆心。

优选地，位于驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的数量不小于5个，位于接收端的圆弧形聚焦压电陶瓷或矩形片状压电陶瓷或球形压电陶瓷的数量与驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的数量相对应。

优选地，所述聚焦型压电陶瓷阵列传感器及所述单向感知型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，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，所述驱动端和所述接收端的安装方法如下：

待检测混凝土结构尺寸测量；对于尺寸较大的混凝土结构，采用排列方式为环形阵列增强型的聚焦型压电陶瓷阵列传感器；对于尺寸较小的混凝土结构，采用排列方式为平行阵列增强型或线性阵列增强型的聚焦型压电陶瓷阵列传感器；

依据待检测混凝土结构尺寸和测试面积，定位驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的具体位置；

依据测试精度要求，选择作为接收端的压电陶瓷传感器类型，包括聚焦型压电陶瓷阵列传感器、单向感知型压电陶瓷阵列传感器、球形压电陶瓷阵列传感器中的一种；

依据待检测结构尺寸和测试面积，定位接收端的圆弧形聚焦压电陶瓷或矩形片状压电陶瓷或球形压电陶瓷的具体位置；

以高强低收缩混凝土为基体，分别制作驱动端和接收端；

待检测混凝土结构的两端开孔，分别植入驱动端和接收端，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，驱动端产生高频应力波；

接收端感知高频应力波，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裂缝识别指标，实现多参数的裂缝识别。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明突破了现有检测方法预埋安装和信号放大的技术瓶颈，可广泛应用于大型混凝土结构的裂缝检测和健康监测中。本发明充分利用聚焦型压电陶瓷阵列的自聚焦特性，实现对驱动端信号幅值的自放大，延长超声波的传输距离，提高检测信号的信噪比。聚焦型压电陶瓷阵列的信号能量大，指向性强；线性阵列可实现扫描测试，突破点对点测试不能成像的局限性；环形阵列可实现信号的放大，从而实现对裂缝和内部损伤的远距离测试。圆柱形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，具有广阔的应用前景。

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是现有植入式传感器示意图；

图2是本发明实施例提供的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦原理示意图；

图4是本发明实施例提供的圆弧形聚焦压电陶瓷的内部构造示意图；

图5是本发明实施例提供的聚焦型压电陶瓷阵列传感器内部构造示意图；

图6是本发明实施例提供的聚焦型压电陶瓷阵列传感器的组装示意图；

图7是本发明实施例提供的矩形片状压电陶瓷的内部构造示意图；

图8是本发明实施例提供的单向感知型压电陶瓷阵列传感器内部构造示意图；

图9是本发明实施例提供的单向感知型压电陶瓷阵列传感器的组装示意图；

图10a、图10b、图10c是本发明实施例提供的圆弧形聚焦压电陶瓷阵列的三种排列方式的示意图；

图11a、图11b、图11c是本发明实施例提供的三种排列方式的圆弧形聚焦压电陶瓷阵列作为驱动端，单向感知型压电陶瓷线性阵列作为接收端的示意图；

图12a、图12b、图12c是本发明实施例提供的三种排列方式的圆弧形聚焦压电陶瓷阵列作为驱动端，球形压电陶瓷阵列作为接收端的示意图；

图13是本发明实施例提供的传感器选型与安装方法示意图；

图14是本发明实施例提供的检测系统的检测方法示意图；

图15a和图15b是无裂缝和有裂缝的感知原理示意图；

图16是本发明实施例提供的检测过程示意图。

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聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，如图2所示，所述检测系统包括分别植入待检测混凝土结构两端的驱动端1和接收端2，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。

其中，驱动端1采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器，接收端2采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器、单向感知型压电陶瓷阵列传感器、或者球形压电陶瓷阵列传感器中的一种。

如图3-图6所示，为聚焦型压电陶瓷阵列传感器的结构及组装示意图。所述聚焦型压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个圆弧形聚焦压电陶瓷13，多个圆弧形聚焦压电陶瓷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，所述聚焦型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10和顶部半圆柱11分别对应设置多个容纳二分之一圆弧形聚焦压电陶瓷13的圆弧形凹槽12，圆弧形凹槽12的位置用于对圆弧形聚焦压电陶瓷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，内部容纳多个圆弧形聚焦压电陶瓷13。

本发明充分利用聚焦型压电陶瓷阵列的自聚焦特性，实现对驱动端信号幅值的自放大，延长超声波的传输距离和检测信号的信噪比。

如图7-图9所示，为单向感知型压电陶瓷阵列传感器的结构及组装示意图。所述单向感知型压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个矩形片状压电陶瓷14，多个矩形片状压电陶瓷14通过屏蔽导线8连接多孔接线器9，多孔接线器9连接多通道信号采集仪4。

相应地，所述单向感知型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10和顶部半圆柱11分别对应设置多个容纳二分之一矩形片状压电陶瓷14的矩形凹槽15，矩形凹槽15的位置用于对矩形片状压电陶瓷14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，内部容纳多个矩形片状压电陶瓷14。

球形压电陶瓷阵列传感器的结构和组装与单向感知型压电陶瓷阵列传感器相类似，为圆柱形模块，内部均匀设置多个球形压电陶瓷，多个球形压电陶瓷通过屏蔽导线连接多孔接线器，多孔接线器连接多通道信号采集仪。

同样地，球形压电陶瓷阵列传感器包括底部半圆柱和顶部半圆柱，底部半圆柱和顶部半圆柱分别对应设置多个容纳二分之一球形压电陶瓷的球形凹槽，球形凹槽的位置用于对球形压电陶瓷进行定位，底部半圆柱和顶部半圆柱扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个球形压电陶瓷。

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压电陶瓷的损伤，并起到防水绝缘的作用。所述基于3D打印半圆柱并进行拼装的方法，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。

本发明实施例中，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，位于驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的数量不小于5个，位于接收端的圆弧形聚焦压电陶瓷或矩形片状压电陶瓷或球形压电陶瓷的数量与驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的数量相对应。

进一步地，如图10a-图10c所示，聚焦型压电陶瓷阵列传感器中，多个圆弧形聚焦压电陶瓷的排列方式包括以下三种：

平行阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷以均匀间隔沿直线排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向平行；

线性阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷以均匀间隔沿直线排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向汇聚在第一汇聚点，所述第一汇聚点为经过阵列第一个圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点和最后一个圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点的圆的圆心；

环形阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点位于同一个圆上，且以均匀间隔排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向汇聚在第二汇聚点，所述第二汇聚点为该圆的圆心。

相应地，以上述三种排列方式的圆弧形聚焦压电陶瓷阵列作为驱动端，单向感知型压电陶瓷线性阵列作为接收端的检测系统如图11a-图11c所示；以上述三种排列方式的圆弧形聚焦压电陶瓷阵列作为驱动端，球形压电陶瓷阵列作为接收端的检测系统如图12a-图12c所示.

聚焦型压电陶瓷阵列的信号能量大，指向性强；线性阵列可实现扫描测试，突破点对点测试不能成像的局限性；环形阵列可实现信号的放大，从而实现对裂缝和内部损伤的远距离测试。

本发明实施例中，驱动端和接收端的安装方法如图13所示，包括如下步骤：

待检测混凝土结构尺寸测量；对于尺寸较大的混凝土结构，采用排列方式为环形阵列增强型的聚焦型压电陶瓷阵列传感器；对于尺寸较小的混凝土结构，采用排列方式为平行阵列增强型或线性阵列增强型的聚焦型压电陶瓷阵列传感器；

依据待检测混凝土结构尺寸和测试面积，定位驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的具体位置；

依据测试精度要求，选择作为接收端的压电陶瓷传感器类型，包括聚焦型压电陶瓷阵列传感器、单向感知型压电陶瓷阵列传感器、球形压电陶瓷阵列传感器中的一种；

依据待检测结构尺寸和测试面积，定位接收端的圆弧形聚焦压电陶瓷或矩形片状压电陶瓷或球形压电陶瓷的具体位置；

以高强低收缩混凝土为基体，分别制作驱动端和接收端；

待检测混凝土结构的两端开孔，分别植入驱动端和接收端，灌注低收缩环氧树脂，静置固化24小时以上；这里驱动端和接收端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，所述检测系统的检测方法如图14所示，包括以下步骤：

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，驱动端产生高频应力波；

接收端感知高频应力波，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裂缝识别指标，实现多参数的裂缝识别。

图15a和图15b是本发明所述检测系统的感知原理示意图，可以看出，当存在裂缝时，压电陶瓷所在位置感知到的振动幅值显著降低。图16是本发明所述检测系统的检测过程示意图，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。

本发明内部构造简洁，充分利用聚焦型压电陶瓷阵列的自聚焦特性，实现对驱动端信号幅值的自放大，延长超声波的传输距离，提高检测信号的信噪比。聚焦型压电陶瓷阵列的信号能量大，指向性强；线性阵列可实现扫描测试，突破点对点测试不能成像的局限性；环形阵列可实现信号的放大，从而实现对裂缝和内部损伤的远距离测试。圆柱形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。

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。

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)

1.一种基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，其特征在于，包括分别植入待检测混凝土结构两端的驱动端和接收端，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，所述驱动端采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器，所述接收端采用聚焦型压电陶瓷阵列传感器、单向感知型压电陶瓷阵列传感器、或者球形压电陶瓷阵列传感器中的一种；

所述聚焦型压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个圆弧形聚焦压电陶瓷，多个所述圆弧形聚焦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；

所述单向感知型压电陶瓷阵列传感器为圆柱形模块，内部均匀设置多个矩形片状压电陶瓷，多个所述矩形片状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采集仪；

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采集仪。

2.根据权利要求1所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，其特征在于，所述聚焦型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圆弧形聚焦压电陶瓷的圆弧形凹槽，所述圆弧形凹槽的位置用于对所述圆弧形聚焦压电陶瓷进行定位，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷。

3.根据权利要求1所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，其特征在于，所述单向感知型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矩形片状压电陶瓷的矩形凹槽，所述矩形凹槽的位置用于对所述矩形片状压电陶瓷进行定位，所述底部半圆柱和所述顶部半圆柱扣合形成圆柱形模块，内部容纳多个所述矩形片状压电陶瓷。

4.根据权利要求1所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，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球形凹槽，所述球形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。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，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。

6.根据权利要求1所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，其特征在于，所述聚焦型压电陶瓷阵列传感器中，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的排列方式包括以下三种：

平行阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷以均匀间隔沿直线排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向平行；

线性阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷以均匀间隔沿直线排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向汇聚在第一汇聚点，所述第一汇聚点为经过阵列第一个圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点和最后一个圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点的圆的圆心；

环形阵列增强型，多个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦点位于同一个圆上，且以均匀间隔排列，各个所述圆弧形聚焦压电陶瓷的聚焦方向汇聚在第二汇聚点，所述第二汇聚点为该圆的圆心。

7.根据权利要求1所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，其特征在于，位于驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的数量不小于5个，位于接收端的圆弧形聚焦压电陶瓷或矩形片状压电陶瓷或球形压电陶瓷的数量与驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的数量相对应。

8.根据权利要求1所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，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所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，其特征在于，所述驱动端和所述接收端的安装方法如下：

待检测混凝土结构尺寸测量；对于尺寸较大的混凝土结构，采用排列方式为环形阵列增强型的聚焦型压电陶瓷阵列传感器；对于尺寸较小的混凝土结构，采用排列方式为平行阵列增强型或线性阵列增强型的聚焦型压电陶瓷阵列传感器；

依据待检测混凝土结构尺寸和测试面积，定位驱动端的圆弧形聚焦压电陶瓷的具体位置；

依据测试精度要求，选择作为接收端的压电陶瓷传感器类型，包括聚焦型压电陶瓷阵列传感器、单向感知型压电陶瓷阵列传感器、球形压电陶瓷阵列传感器中的一种；

依据待检测结构尺寸和测试面积，定位接收端的圆弧形聚焦压电陶瓷或矩形片状压电陶瓷或球形压电陶瓷的具体位置；

以高强低收缩混凝土为基体，分别制作驱动端和接收端；

待检测混凝土结构的两端开孔，分别植入驱动端和接收端，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所述的基于聚焦型压电陶瓷阵列的混凝土内部裂缝检测系统，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，驱动端产生高频应力波；

接收端感知高频应力波，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裂缝识别指标，实现多参数的裂缝识别。

Images