CN203705096U - 用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置，属于混凝土结构健康监测技术领域，该装置与其他同类型传感器相比较，具有耐久性好、造价低、体积小巧等特点，埋置于混凝土结构内部，相当于普通骨料，不会影响结构的力学性能；与传统的智能骨料相比，本实用新型采用无线网络进行信号传输，不仅节省了大量的材料费和人工费，还由于无线智能骨料节点安装、维护容易等特点，减少了健康监测系统的维护工作，对于一些大型结构，多处位置不允许布置线缆等问题，利用无线信号传输技术可得到有效解决。
Description
技术领域
本实用新型属于混凝土结构健康监测技术领域，具体涉及一种用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置。
背景技术
目前，我国人民生活水平不断提高，土木建筑行业更加繁荣。混凝土结构作为一种经济实用的建筑结构，在桥梁、工业、民用建筑等领域得到了广泛的应用。但由于混凝土结构自身的特点，在几十年的服役过程中，结构在各种自然灾害(如地震、洪水、飓风等)、人为破坏(如爆炸)以及材料老化等因素的作用下，难免会产生损伤积累，以至于造成结构局部或整体失效，严重时还可能引起人员伤亡及财产损失。因此，对于混凝土结构，许多问题必须得到妥善解决，以确保这些结构的可靠性。
利用健康监测手段，对混凝土结构进行实时在线的监测，可以有效地对其健康状态做出判断，对于结构完整性和可靠性评估具有重要意义。传统的结构健康监测装置，如超声脉冲法采用的装置、回弹法采用的装置等，虽然可以完成对于结构局部损伤的监测，但这些装置都是离线的，采集到信息往往存在滞后性。
以压电陶瓷(PZT)为代表的压电智能材料，由于其良好的压电效应被制成各类传感器。然而基于压电陶瓷的现有结构健康检测手段，在完成大型结构的健康监测任务时，需要大量地布置线缆。这样不仅耗费大量的材料费和人工费，而且在出现故障时，对于健康监测系统的维护工作也比较繁重。同时，对于大型的桥梁结构，许多位置不允许布置线缆，使得监测工作更加困难。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型提出一种用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置，以达到不影响被测结构的力学性能、节省材料费和人工费、减少健康监测系统的维护工作和解决大型的结构多处位置不允许布置线缆问题的目的。
一种用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置，该装置包括信号发射装置和信号接收装置，其中，
所述的信号发射装置设置于被测混凝土结构的一端，包括第一陶瓷片、第一环氧树脂防水层、第一混凝土保护层、函数发生器和压电陶瓷驱动电源，所述的第一陶瓷片外部设置有第一环氧树脂防水层，第一环氧树脂防水层的外部设置有第一混凝土保护层；所述的函数发生器输出端连接压电陶瓷驱动电源的输入端，压电陶瓷驱动电源的输出端连接第一陶瓷片的输入端；
所述的信号接收装置设置于被测混凝土结构的另一端，包括第二陶瓷片、第二环氧树脂防水层、第二混凝土保护层、无线射频模块、采样模块、电源模块和电荷放大器，所述的第二陶瓷片外部设置有第二环氧树脂防水层，第二环氧树脂防水层的外部设置有第二混凝土保护层；第二陶瓷片的输出端连接电荷放大器的输入端，电荷放大器的输出端连接采样模块的一路输入端，采样模块的输出端连接无线射频模块的一路输入端，电源模块的两路输出端分别连接采样模块的另一路输入端和无线射频模块的另一路输入端。
所述的第一混凝土保护层和第二混凝土保护层均为圆柱体，圆柱体高的取值范围为20～40cm，直径的取值范围为25～40cm。
本实用新型优点：
本实用新型一种用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置，本实用新型与其他同类型传感器相比较，具有耐久性好、造价低、体积小巧等特点，埋置于混凝土结构内部，相当于普通骨料，不会影响结构的力学性能；与传统的智能骨料相比，本实用新型采用无线网络进行信号传输，不仅节省了大量的材料费和人工费，还由于无线智能骨料节点安装、维护容易等特点，减少了健康监测系统的维护工作，对于一些大型结构，多处位置不允许布置线缆等问题，利用无线信号传输技术可得到有效解决。
附图说明
图1为本实用新型一种实施例的信号发射装置结构示意图；
图2为本实用新型一种实施例的信号接收装置结构示意图；
图3为本实用新型一种实施例的接收装置电路原理图；
图4为本实用新型一种实施例的陶瓷片正、逆压电效应的基本原理图，其中，图(a)为第一陶瓷片示意图；图(b)为压力作用下负电压示意图；图(c)为拉力作用下正电压示意图；图(d)为第二陶瓷片示意图；图(e)为负电压作用下压力示意图；图(f)为正电压作用下拉力示意图；
图5为本实用新型一种实施例的无线智能骨料健康监测装置对被测结构的裂缝监测示意图；
图6为本实用新型一种实施例的信号接收装置输出电压与作用力的线性拟合曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型一种实施例做进一步说明。
如图1和图2所示，一种用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置，该装置包括信号发射装置和信号接收装置；
本实用新型实施例中，装置为基于Zigbee802.15.4协议的无线智能骨料健康监测装置，以混凝土梁为例，将信号发射装置和信号接收装置分别埋置于梁的两端，保证两者为同一直线。
如图1所示，本实用新型实施例中，信号发射装置包括第一陶瓷片2、第一环氧树脂防水层3、第一混凝土保护层1、函数发生器和压电陶瓷驱动电源，所述的第一陶瓷片2外部设置有第一环氧树脂防水层3，第一环氧树脂防水层3的外部设置有第一混凝土保护层1；所述的函数发生器输出端连接压电陶瓷驱动电源的输入端，压电陶瓷驱动电源的输出端通过一根屏蔽导线4连接第一陶瓷片2的输入端。
如图2所示，本实用新型实施例中，信号接收装置包括第二陶瓷片6、第二环氧树脂防水层7、第二混凝土保护层5、无线射频模块、采样模块、电源模块和电荷放大器，所述的第二陶瓷片6外部设置有第二环氧树脂防水层7，第二环氧树脂防水层7的外部设置有第二混凝土保护层5；第二陶瓷片6的输出端通过另一根屏蔽导线8连接电荷放大器的输入端，电荷放大器的输出端连接采样模块的一路输入端，采样模块的输出端连接无线射频模块的一路输入端，电源模块的两路输出端分别连接采样模块的另一路输入端和无线射频模块的另一路输入端。
本实用新型实施例中，第一混凝土保护层1和第二混凝土保护层5形状均为圆柱体，圆柱体的高H＝25mm，直径D＝38mm；第一陶瓷片2和第二陶瓷片6均采用直径为20mm，厚为2mm的PZT-4型压电陶瓷片，PZT-4型压电陶瓷片的发射和接收性能良好，既可以作为驱动元件发射信号，也可以作为传感元件采集信号；所述的电源模块(可外接太阳能电池板)，在完成监测任务时，无需辅助电源供电。本实用新型实施例中，主要监测物理量为动荷载以及相关监测信号；电荷放大器采用单转换率低能耗放大器，转换率为0.1mv/pc，无线射频模块采用Freescale平台，芯片采用MC13213型号。电源模块内部的CPU采用MSP430F2系列芯片。采样模块采用的是ST的STM32F103系列芯片，其性价比高，传输速率快并且内置USB口。
本实用新型实施例中，PZT-4型压电陶瓷片的正、负极分别与屏蔽导线的正、负接线端焊接，焊接后用万用表检验是否焊接合格。检验合格后，在PZT-4型压电陶瓷片两面涂抹环氧树脂进行防水处理，必须保证环氧树脂包裹整个PZT-4型压电陶瓷片及焊接部分，在通风干燥的条件下，养护24小时。将经过防水处理的PZT-4型压电陶瓷片固定在圆柱形钢模内，钢模高25mm，内径37mm，壁厚1mm。PZT-4型压电陶瓷片形心与钢模形心重合，并且轴线方向一致。固定后用细石混凝土浇筑，人工振捣保证钢模内部混凝土密实；在标准条件下养护28天，养护成型后无需拆除钢模；电荷放大器正负极与屏蔽导线的正负接线端焊接；如图3所示，电荷放大器通过接口VEXC(激励电压)、AGND(信号接地)和OUT(电压输出)与采样模块连接，输出电压量程为10V；采样模块通过UART(异步收发)、RF_CLK(时钟电路)、RF_WAKEUP(RF唤醒)和SA_WAKEUP(SA唤醒)与射频模块连接；电池模块通过接口UART、BA_Alarm、RF_State、Led1(3V)、Led2(3V)、Switch(转换开关)与射频模块相连；电池模块通过接口AVCC(音频供电)、Control_AVC(自动音量控制)、USB口(充电口)与采样模块连接。
函数发生器采用北京普源公司的RIGOL DG1022函数发生器，压电陶瓷驱动电源采用哈尔滨芯明科技有限公司生产的，HVA系列驱动电源。函数发生器的“output”接口与压电陶瓷驱动电源的“模拟输入”接口相连，驱动电源的“电压输出”接口与智能骨料的接线端相连。
本实用新型实施例中，图4为陶瓷片正、逆压电效应的基本原理图，如图4中图(a)、图(b)和图(c)所示，当外界对压PZT片施加动态荷载作用时，就会引起PZT片内部正、负电荷中心发生相对移动，进而产生极化现象，使PZT片的上下表面出现正、负电荷，即PZT片具有将机械能转变为电能的能力，这种能力称为正压电效应。通过相应的标定实验，建立动态力与电压之间的对应关系，即可通过PZT采集到的电压信号，计算出结构内部受到的动态荷载的大小。利用PZT片的正压电效应，可将其制成传感器，用于接收信号。如图4中图(d)、图(e)和图(f)所示，在PZT片上、下表面上施加外电压，在外电压的作用下，PZT片内部正负电荷中心产生相对位移，使PZT片产生机械变形，即PZT片具有将电能转变为机械能的能力，这种能力称为逆压电效应。利用压PZT片的逆压电效应，可将其制成驱动器，用于发射信号。
如图5所示，本实用新型实施例中，以混凝土梁为例，将信号发射装置和信号接收装置分别埋置于梁的两端，保证两者的轴线为同一直线。其中，一个作为驱动器发射信号，另一个作为传感器接收信号。
如图6所示，对本实用新型实施例中装置的“正极面”施加脉冲荷载，在变幅脉冲荷载作用下，记录装置输出信号的电压大小，通过描点法，绘制出传感器所受应力与传感器输出电压值的对应关系，采用线性拟合的方法，绘制出传感器的灵敏度直线(智能骨料的灵敏度β＝传感器输出电压U/传感器所受应力σ)。由上述方法，对某一智能骨料进行标定实验，实验结果为：拟合直线的斜率为1.10332，截距为-0.00168，标准差为0.02504，所以本实用新型实例中装置的灵敏度为1.10332V/MPa。
Claims (2)
1.一种用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置，其特征在于，该装置包括信号发射装置和信号接收装置，其中，
所述的信号发射装置设置于被测混凝土结构的一端，包括第一陶瓷片、第一环氧树脂防水层、第一混凝土保护层、函数发生器和压电陶瓷驱动电源，所述的第一陶瓷片外部设置有第一环氧树脂防水层，第一环氧树脂防水层的外部设置有第一混凝土保护层；所述的函数发生器输出端连接压电陶瓷驱动电源的输入端，压电陶瓷驱动电源的输出端连接第一陶瓷片的输入端；
所述的信号接收装置设置于被测混凝土结构的另一端，包括第二陶瓷片、第二环氧树脂防水层、第二混凝土保护层、无线射频模块、采样模块、电源模块和电荷放大器，所述的第二陶瓷片外部设置有第二环氧树脂防水层，第二环氧树脂防水层的外部设置有第二混凝土保护层；第二陶瓷片的输出端连接电荷放大器的输入端，电荷放大器的输出端连接采样模块的一路输入端，采样模块的输出端连接无线射频模块的一路输入端，电源模块的两路输出端分别连接采样模块的另一路输入端和无线射频模块的另一路输入端。
2.根据权利要求1所述的用于混凝土结构的无线智能骨料健康监测装置，其特征在于，所述的第一混凝土保护层和第二混凝土保护层均为圆柱体，圆柱体高的取值范围为20～40cm，直径的取值范围为25～40cm。
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