CN201503423U - 一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置，主要由微震信号传感元件安装座、微震信号传感元件和多通道微震信号采集、分析主机组成。多通道微震信号采集、分析主机中，设有滤波电路、多通道数据高速采样电路和实时分析混凝土材料结构稳定性的分析、处理软件。本实用新型适用对以混凝土为主要材料的隧道、桥梁、地下车站、水坝、高楼大厦等建筑物的动态稳定性进行连续的实时监测，对可能引发的恶性事故进行早期的评价和预报；通过一套动态载荷产生的噪音信号的识别、比较、滤除及采集有效信号的技术，将混凝土材料断裂时释放微震信号的识别率提高到80％以上，很好地实现了实时监测混凝土结构动态稳定性的目的。

Description

一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置

技术领域

本实用新型涉及一种监测装置，具体来说是实时监测混凝土工程结构稳定性的装置。

背景技术

在高楼大厦、地铁隧道、车站、桥梁、大坝的各种建设中，都少不了使用混凝土材料。建成的混凝土工程，受静压(工程本身自重应力)和动压(如：来自载重火车、汽车的压力，大型商场或酒店经受密集活动人群的压力，水坝受洪水的冲击)的作用，常常发生混凝土工程或建筑物，由于受应力作用而导致发生破坏的重大恶性事故，给人命、财产造成了不可弥补的损失。

为了防止这类重大恶性事故的发生，对于钢筋混凝土工程，如地铁隧道、车站、大坝、桥梁及人员活动密集的高楼大厦等，其传统的安全性和稳定性监测方法是：混凝土浇灌前，在主要受力承载点的钢筋上，采用粘贴应力、应变片的方法，监测这些工程的稳定性。该方法虽然可以直接测量出应力和应变的变化情况，但一旦埋设，无法更改，如果元件失效了，就无法再继续测量了。而对于没有预埋应力、应变片的工程而言，则无法在工程的使用过程中进行该项监测工作。

钢筋混凝土工程的这种监测方法，只有在已经发生了明显破坏、出现塑性变形的情况下，才能检测到数据的变化，其无法进行早期预报或安全处理——很难及时地预测混凝土结构什么时间会发生冒顶、断裂事故，以及可能发生事故的区域和规模。即，其监测的仍然是应力作用的结果，而不是破坏过程，只有材料发生了塑性变化，才造成应力、应变的变化。

实用新型内容

为了弥补现有监测技术的不足，本实用新型的目的在于，提供一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置，能够连续、可靠地对钢筋、混凝土材料工程之稳定性，实施安全监测。

本实用新型的构思，来自煤矿大面积冒顶事故(冲击地压)监测原理的启发。矿井大面积冒顶事故的监测技术的原理为：岩石在受到矿山压力作用发生破坏时，会产生弹性应力波(微震信号)。由于岩石是非均质的脆性材料，结构上含有弱面、节理和瑕疵，因此，在相同矿山压力作用下，弱面和瑕疵发育的部分首先破坏，此时产生的微震信号比较弱，释放的能量也比较小(即岩层破坏的前兆信息)；强度和材质比较好的部分承受的应力比较大，破坏时产生的微震信号比较强，释放的能量也比较大(即发生事故前产生的信息)。利用岩石材料的这种特性而开发的实时监测矿井大面积冒顶的装置和分析方法，已经在煤矿逐渐进行了推广、应用。

钢筋混凝土构件是由一定比例的水泥、沙子、石块和钢筋混合、浇灌组成的材料。由于混凝土材料主要成份为沙子、石块，因此，与岩石材料存在着很大的相似性，同样具有均值性差，弱面多和瑕疵发育的特点，同时，在浇灌过程中由于搅拌、振动不充分，含有部分气孔；混凝土材料的这种特性提示我们，可以将煤矿取得的一些研究成果应用到混凝土材料工程中来。

钢筋混凝土构件与岩石除了有上述共性外，还有一些不同之处。钢筋混凝土材料比岩石材料的强度大得多，水泥的标号越高，混凝土构件承载性越强，发生破坏时，释放出的微震信号就越强；但前期破坏时，信号较弱。研究表明：随着水泥标号不同，混凝土材料发生破坏时释放出的微震信号主频在460Hz～930Hz范围内；由于混凝土材料发生破坏时释放出微震信号主频与岩石材料有很大的不同，因此，在矿井大面积冒顶监测中使用的微震信号传感元件不能使用在混凝土材料工程中，必须研发适合混凝土材料的微震信号传感元件。

混凝土工程监测所受的环境噪音信号与矿井环境噪音信号有很大的不同，他是一种动态噪音干扰的影响，如：桥梁受重载汽车通过时产生动态噪音信号；隧道或地铁当机车通过时产生的动态(产生噪音信号的位置是变化的、信号的强弱也是变化的)噪音信号；人员活动比较密集的商场、酒店，由于人员分布不均、运动产生的动态干扰信号。

研究表明：在集中应力作用下，任何材料的破坏都是从弱面或瑕疵开始，从微观的破坏，逐渐发展为明显的破坏，以致发生塌陷事故；这种混凝土材料在集中应力作用下发生的微观破坏对研究工程稳定性的专家而言十分重要，研发的仪器、仪表对早期的微观破坏发现的越早、准确性越高，该仪器、仪表的使用价值就越大，越能有效的避免重大恶性事故的发生；因此，研发该类仪器、仪表，一直是国内外科研人员奋斗的目标；但是，如何获取混凝土材料在应力作用下早期发生破坏释放出的十分微弱的微震信号，并滤除动态干扰信号，一直是困扰着国内、外研究者的一大难题。

本实用新型巧妙地将监测矿井大面积冒顶事故发生破坏的监测原理，运用到混凝土结构稳定性的监测中，并针对混凝土材料受应力作用发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)主频范围、且受动态环境噪音干扰的特点，设计出一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置。

本实用新型是这样实现的：由微震信号传感元件安装座(1)、微震信号传感元件(2)和多通道微震信号采集、分析主机(3)组成，微震信号传感元件安装底座(1)粘接在混凝土材料工程上，用屏蔽电缆线将传感元件(2)与多通道微震信号采集、分析主机(3)相连；所说的多通道微震信号采集、分析主机(3)，由滤波电路(5)、有效微震信号的放大、整形电路(6)，有效信号检测、比较器(7)，单片微机(8)，多通道高速数据采集A/D转换(9)和实时分析混凝土材料构件稳定性的分析、处理软件组成。所说微震信号的传感元件(2)的主频范围为420Hz～980Hz。所说的滤波电路(5)中，含有对微震传感元件接收的信号进行放大的前置放大器(15)，允许频率≥420Hz的微震信号通过而滤除＜420Hz的信号的高通滤波器(16)，求动态噪音信号平均值的电路(17)，确定动态噪音信号的参数并修改当前动态噪音信号比较基准的基准电路(18)，噪音信号比较、滤波电路(19)。

1.本实用新型几个主要部件的作用是：

1)微震信号安装座——选择微震信号的采集点，安装微震信号传感元件

2)微震信号传感元件——接收微震信号，当混凝土材料破坏时，微震信号主频420Hz～980Hz范围内的信号转变为电信号(由于元件对该范围内信号的敏感性及跟随性较好，因此，得到最高效的转换；对于超出该范围的信号由于元件特性决定，敏感性及跟随特性较差，得到最大限度的衰减)。

3)微震信号采集分析主机——接收微震信号传感元件的微震波电信号，经过放大、整形、带通滤波(仅允许主频在420Hz～980Hz微震信号通过)、高速数据采集数据、实时分析、判断、显示报警及数据远距离转送。

使用时，根据混凝土工程的条件，在可能的应力集中点(如：高层建筑物——承载大梁的中部、桥梁——跨度大梁的中部、隧道——每隔一定的间距)，用水泥安装底座固结在安装位置，将微震信号传感元件安装在底座上；用电缆将传感元件与微震信号采集分析主机相连。

2.环境噪音信号的滤除

在长期的研究中，发明人对机车通过隧道及载重汽车通过桥梁、隧道时产生的噪音信号进行了频谱、波形特征的分析，发现：这些噪音信号符合机械噪音信号特征，即具有固有频率(运行速率所决定的)，主要为低频信号，信号主频在70Hz～360Hz范围内；噪音信号的波形正半周与负半周有明显的对称性。

大型商场，人员密集活动产生的噪音信号，频率更低(不超过10Hz)，信号强度较弱。

根据上述诸多特点，利用对混凝土材料破坏过程中释放的微震信号的主频范围的研究成果，研发了跟随、转换主频在420Hz～980Hz范围内微震信号传感、接收元件；利用对机车或载重汽车在运动过程中产生的噪音信号的研究成果，开发了相应的硬件滤波电路和多通道数据高速采样电路。基本达到了滤除机车或载重汽车产生的环境噪音信号、识别出混凝土微小断裂释放的震动波信号的目的。最大限度地提高对混凝土破坏时产生的微震信号的敏感度和强度，最大限度地衰减环境噪音信号的影响。

3.该实用新型的优越性

本实用新型，针对各种类别的混凝土材料工程和构件发生破坏时，产生的微震信号的频谱特征，研发了适合混凝土材料，接收主频在420Hz～980Hz范围内微震信号的传感元件；针对机车和载重汽车等动态载荷在运行过程中产生的噪音信号的频谱和波形特征研发了相应的硬件滤波电路，解决了识别、并滤除噪音信号的问题；针对混凝土材料发生微小断裂时释放的微震信号特点，利用波形及该类材料破坏时的信号主频范围，开发了适合主频420Hz～980Hz范围内微震信号带通滤波电路和多通道数据高速采样电路；基本解决了动态载荷运行过程中产生的噪音信号分离问题，达到了识别及实时采集混凝土材料破坏时释放的微震波信号的目的。

其优点在于：其一，建立在实时监测混凝土材料受集中应力作用发生破坏而产生的弹性应力波上，本实用新型重点监测的是混凝土材料的破坏过程，特别是前期微观破坏以及发展、变化过程，而不是最终的破坏结果；因此，该实用新型更适合对隧道、桥梁、地下车站、水坝、高楼大厦等建筑物受集中应力作用下的动态稳定性进行连续的实时监测，对可能引发的恶性事故进行早期的评价和预报；

其二，弹性应力波通过混凝土材料进行传播，仅在混凝土工程可能的应力集中点贴装传感元件(相当于给监测工程安装了1组监测听诊器)，安装、使用、拆卸十分方便，不会对原工程的完整性结构、整体运行产生任何影响，可以在新、老工程的任何阶段安装、实施。

其三，传感器为多传感元件组合，具有就地显示、报警功能；

本实用新型适用于桥梁、隧道、地下车站、水坝等混凝土材料工程的稳定性监测。通过一套微震信号的识别、采集、动态噪音信号滤波，能将混凝土材料断裂时释放声波信号的识别率提高到80％以上，居世界领先水平。

附图说明

图1.本实用新型的整体结构示意图；

图2.本实用新型电气原理示意图；

图3本实用新型动态载荷干扰噪音信号滤波硬件电路结构示意图

图1-1为本实用新型在隧道工程中的安装平面示意图；图1-2本实用新型在隧道工程安装图1-1的A-A剖面示意图；1微震信号传感元件安装座，2微震信号传感元件，3多通道微震信号采集、分析主机(可接8个微震传感元件，8个传感元件按照一定的间距布置)。

图2为本实用新型电气原理示意图；4将低频微震信号转变为电信号；5滤除动态载荷噪音信号电路(仅允许主频在420Hz～980Hz微震信号通过)；6有效微震信号的放大、整形电路；7有效信号检测、比较器电路；8单片微机；9多通道高速数据采集(A/D转换)；10LED显示；11声光报警；12遥控调校；13EEPROM数据存贮器；14实时数据远距离传送。

图3本实用新型动态载荷干扰噪音信号滤波硬件电路结构示意图；15前置放大器；16高通滤波器；17求动态噪音信号平均值电路；18当前动态噪音信号基准电路；19动态噪音信号比较、滤波；20混凝土隧道。

具体实施方式

下面结合附图叙述一个本实用新型在混凝土隧道工程使用的实施例。

图1显示了本实施例的整体结构

使用时，根据隧道的断面的大小和长度，在被监测隧道20中每隔一定间距，用水泥在巷道壁上粘接一块钢板，钢板上焊接有元件安装底座1，在底座中安装微震信号传感元件2，将微震信号传感元件2与多通道微震信号采集、分析主机3相连。

本实施例，通过在隧道壁上粘接微震信号安装底座1，选择微震信号的采集点，传导微震信号至微震传感元件2；微震传感元件2仅将主频在420Hz～980Hz微震信号转变为电信号(传感元件仅对在主频范围的信号有良好转换跟随性)，因此，在这一级，基本滤除了动态载荷噪音信号；

图2是本实用新型电气原理示意图。通过微震信号传感元件将微震信号转变为电信号4，根据机械信号特点滤除噪音信号电路5，针对机械噪音信号的频谱和波形特征，滤除420Hz以下动态噪音干扰信号，仅允许主频在420Hz～980Hz频段范围内的微震信号通过，进一步滤除了干扰噪音信号；滤除后的信号经过放大、整形电路6处理；有效信号检测、比较器7，当检测到有有效信号时，向单片微机8发出实时数据采集申请，由单片微机启动多通道高速数据采集9(A/D转换)，对检测到有有效信号的通道，以50000Hz/S的速率，进行实时数据采集，单片微机8统计在单位时间(分钟、小时、日)内的微震信号，根据数学模型进行分析、判断处理；送原始数据和实时分析结果到LED显示10进行显示，通过声光报警11进行就地报警，并将处理、分析结果存入EEPROM数据存贮器13。

通过实时数据远距离传送14，将数据和分析结果进行远距离传送。遥控调校12，为检测多通道微震信号采集分析主机3设置初始参数。

图3本实用新型动态载荷干扰噪音信号滤波硬件电路结构示意图。前置放大器15对微震传感元件接收的信号进行放大；高通滤波器16允许频率≥420Hz的微震信号通过，而滤除＜420Hz的信号；求动态噪音信号平均值电路17，确定动态噪音信号的参数，并修改当前动态噪音信号基准电路18的比较基准；噪音信号比较、滤波19，通过比较进一步滤除动态噪音信号，允许信号振幅不对称，振幅大小不等的微震信号通过。

Claims (3)

1.一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置，其特征在于：由微震信号传感元件安装座(1)、微震信号传感元件(2)和多通道微震信号采集、分析主机(3)组成，微震信号传感元件安装底座(1)粘接在混凝土材料工程上，用屏蔽电缆线将传感元件(2)与多通道微震信号采集、分析主机(3)相连；所说的多通道微震信号采集、分析主机(3)，由滤波电路(5)、有效微震信号的放大、整形电路(6)，有效信号检测、比较器(7)，单片微机(8)，多通道高速数据采集A/D转换(9)和实时分析混凝土材料构件稳定性的分析、处理软件组成。

2.根据权利要求1所述的一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置，其特征在于：所说微震信号的传感元件(2)的主频范围为420Hz～980Hz。

3.根据权利要求1所述的一种实时监测混凝土结构动态稳定性的装置，其特征在于：所说的滤波电路(5)中，含有对微震传感元件接收的信号进行放大的前置放大器(15)，允许频率≥420Hz的微震信号通过而滤除＜420Hz的信号的高通滤波器(16)，求动态噪音信号平均值的电路(17)，确定动态噪音信号的参数并修改当前动态噪音信号比较基准的基准电路(18)，噪音信号比较、滤波电路(19)。

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