CN210572081U

CN210572081U - 基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置

Info

Publication number: CN210572081U
Application number: CN201921459921.9U
Authority: CN
Inventors: 吴建超; 冯谦; 李恒; 郑德宾
Original assignee: Wuhan Institute Of Earthquake Engineering Co ltd
Current assignee: Wuhan Institute Of Earthquake Engineering Co ltd
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2029-09-04

Abstract

本实用新型公开了一种基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，包括万能拉拔试验机，所述万能拉拔试验机内侧壁的顶部以及底部均固定连接有夹具，所述夹具之间卡接有钢筋，所述钢筋的外侧设置有混凝土体，所述混凝土体的外侧罩接有特制试件装载钢笼，所述特制试件装载钢笼内的钢筋的外表面等距离固定连接有压电陶瓷片传感器。本实用新型涉及钢筋混凝土脱粘监测技术领域，该基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，通过对钢筋混凝土内部各个压电陶瓷片传感器所在位置处的粘结状态进行评估监测，实现了钢筋混凝土内部粘结状况的快速监测、且能准确识别钢筋脱粘位置，具有灵敏度高、响应速度快和价格低廉等优点。

Description

基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置

技术领域

本实用新型涉及钢筋混凝土脱粘监测技术领域，具体为一种基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置。

背景技术

钢筋混凝土是通过在混凝土中加入钢筋而构成的一种组合材料，两者共同工作从而改善混凝土抗拉强度不足的缺点，是混凝土加固的一种最常见形式。然而，钢筋与混凝土的脱粘将使两者之间的结合力丧失，从而对混凝土结构造成永久性不可逆的损伤。

目前，进行钢筋混凝土脱粘监测的方法有声发射法和超声波法。然而，在实际应用中，由于声发射对环境因素十分敏感，因此对监测系统会造成干扰，影响监测的准确性，所以很难对缺陷进行定量分析。而超声波法监测周期长，对不同类型的缺陷需使用不同规格的探头，在监测过程中需使用耦合剂，也是局限性所在。对于实时的动态监测，超声波监测技术很难实现。

实用新型内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，解决了现有钢筋混凝土脱粘检测灵敏度低的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，包括万能拉拔试验机，所述万能拉拔试验机内侧壁的顶部以及底部均固定连接有夹具，所述夹具之间卡接有钢筋，所述钢筋的外侧设置有混凝土体，所述混凝土体的外侧罩接有特制试件装载钢笼，所述特制试件装载钢笼内的钢筋的外表面等距离固定连接有压电陶瓷片传感器，所述万能拉拔试验机的外部设置有阻抗分析仪，所述阻抗分析仪与压电陶瓷片传感器之间固定连接有导线，所述阻抗分析仪的输出端外接计算机。

优选的，所述压电陶瓷片传感器的安装位置处预先设有绝缘层，绝缘层的厚度为0.09mm-0.11mm左右。

优选的，所述阻抗分析仪的宽频范围为1kHz-400kHz。

优选的，所述压电陶瓷片传感器与导线的接触处涂抹防水层。

（三）有益效果

本实用新型提供了一种基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置。具备以下有益效果：

该基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，通过对钢筋混凝土内部各个压电陶瓷片传感器所在位置处的粘结状态进行评估监测。实现了钢筋混凝土内部粘结状况的快速监测、能准确地识别钢筋脱粘位置，具有灵敏度高、响应速度快和价格低廉等优点。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型局部结构示意图；

图3为本实用新型监测框图；

图4为本实用新型电阻抗监测信号示意图。

图中：1、万能拉拔试验机；2、夹具；3、钢筋；4、混凝土体；5、特制试件装载钢笼；6、压电陶瓷片传感器；7、导线；8、阻抗分析仪；9、计算机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-4所示，本实用新型提供一种技术方案：一种基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，包括万能拉拔试验机1，万能拉拔试验机1可采用苏州拓博机械设备公司制造的TH-8120A型号，万能拉拔试验机1内侧壁的顶部以及底部均固定连接有夹具2，夹具2之间卡接有钢筋3，钢筋3的外侧设置有混凝土体4，混凝土体4的外侧罩接有特制试件装载钢笼5。

特制试件装载钢笼5内的钢筋3的外表面等距离固定连接有压电陶瓷片传感器6，压电陶瓷片传感器6可采用日本富士PSA系列产品，压电陶瓷片传感器6的安装位置处预先设有绝缘层，绝缘层的厚度为0.09mm-0.11mm左右。

基于压电陶瓷片的监测方法为钢筋混凝土构件钢筋脱粘损伤情况的实时监测提供了新的思路和方法。将压电陶瓷片粘附于结构表面或埋置于结构内部后，施加高频交流电压激励压电元件，采用阻抗分析方法获取耦合结构的阻抗函数，根据耦合结构的阻抗谱变化从而间接地判断结构的损伤状况。利用压电陶瓷片的正、逆压电效应将其制作成为自驱动传感器，实现对钢筋混凝土试件钢筋脱粘损伤的监测。

与已有技术相比，本实用新型能够实现快速监测、准确确定脱粘损伤的区域，灵敏度高、响应快、长期稳定性好、操作简便且价格低廉。

万能拉拔试验机1的外部设置有阻抗分析仪8，阻抗分析仪8可采用HIOKI日置IM7585型号，阻抗分析仪8的宽频范围为1kHz-400kHz。阻抗分析仪8与压电陶瓷片传感器6之间固定连接有导线7，压电陶瓷片传感器6与导线7的接触处涂抹防水层，阻抗分析仪8的输出端外接计算机9。

基于压电陶瓷传感器技术的机电阻抗法主要是利用了压电陶瓷材料优良的机—电耦合特性，将压电材料的动态特性和被测结构的机械阻抗信息进行综合考察的一种实时监测方法。

首先，输入高频交流电压对压电陶瓷片进行高频激振，从而带动钢筋混凝土试件发生振动，此时钢筋混凝土试件与压电陶瓷片相互耦合，结构周围的振动信息与钢筋混凝土试件的机械阻抗和压电陶瓷片的机电阻抗也相互耦合，通过监测压电陶瓷片的电阻抗信号的变化即可间接的反映出钢筋混凝土试件的振动特性，即结构的健康状况。

由于高频振动下压电陶瓷片产生的应力波波长较短，因此可以识别出结构中的微小裂缝和损伤。钢筋与混凝土之间的脱粘损伤影响了钢筋混凝土构件的健康状况和结构参数，通过对比分析钢筋表面不同位置上的压电陶瓷传感器监测到的电阻抗信号与初始状态下压电陶瓷传感器信号的损伤指数（均方根偏差、平均绝对百分比偏差和相关系数偏差），从而实现准确确定脱粘损伤位置和脱粘位移。

使用时，本实施例中监测方法的具体步骤为：

1、在浇筑钢筋混凝土构件之前，在钢筋外表面上按照一定距离间隔粘贴多个压电陶瓷片作为压电陶瓷传感器，压电陶瓷片与精密阻抗仪相连。然后由精密阻抗仪产生高频激励信号激励压电陶瓷片，由于压电陶瓷片与钢筋混凝土之间的机电阻抗耦合关系，由精密阻抗仪信号采集系统将电阻抗数据采集并传至计算机分析系统；

2、在启动万能拉拔试验机之前，为了确定合适的扫频范围，首先由阻抗分析仪8激发较宽的扫频信号（1kHZ—400kHZ）激励压电陶瓷片传感器6，同时利用阻抗分析仪8记录压电陶瓷片传感器6的电阻抗信号；

3、为了实现探测钢筋脱粘的微小损伤，依据压电陶瓷片传感器6记录到的较宽频的电阻抗信号，选择有明显幅值所对应的窄频带重新对压电陶瓷片传感器6进行扫频激励，并记录其在窄频激励下的电阻抗信号；

4、选择钢筋无脱粘损伤时压电陶瓷片传感器6的信号为基准。本实验例中选择拉拔试验开始之前压电陶瓷片传感器6的信号为为无脱粘损伤时的信号；

5、开启万能拉拔试验机1，以位移控制速率为0.02mm/min来对钢筋混凝土试件开展拉拔试验。同时，每隔5分钟利用阻抗分析仪8激发并采集压电陶瓷片传感器6的电阻抗信号，利用下式计算各个压电陶瓷片传感器6的脱粘损伤指标。通过比较各个压电陶瓷片传感器6在拉拔试验过程中的脱粘损伤指标的大小，从而得出钢筋混凝土试件内部钢筋与混凝土界面的粘结情况；

首先对所有压电陶瓷传感器的电阻抗信号分别单独进行频域分析，得到钢筋脱粘过程相对于无脱粘损伤时的信号变化特征曲线，从而定性了解钢筋混凝土试件中钢筋脱粘损伤的发展过程。然后，建立如下三种脱粘损伤指数，分别为：均方根偏差（RMSD）、平均绝对百分比偏差（MAPD）和相关系数偏差（CCD），从定量分析的角度来监测钢筋脱粘损伤的发展过程：

（1）

（2）

（3）

式中，R(Y)为压电陶瓷片传感器6电导纳信号的实部，n为压电陶瓷电阻抗谱的采样点数，下标0和1代表了无脱粘损伤和有脱粘损伤状况下的测量结果。

在钢筋脱粘损伤过程中，基于压电陶瓷片传感器6测得的阻抗信号能量指标与压电陶瓷片传感器6在无脱粘损伤状态下测得的阻抗信号能量指标对比分析，即可得出每一个压电陶瓷处的损伤指标，进而可以得出全部压电陶瓷片传感器6所在位置处的钢筋混凝土构件钢筋的粘结状态。对于以上提出的三个钢筋脱粘损伤指数，计算数值越大，表明钢筋脱粘损伤程度越大。

综上所述，该基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，通过对钢筋混凝土内部各个压电陶瓷片传感器6所在位置处的粘结状态进行评估监测。实现了钢筋混凝土内部粘结状况的快速监测、能准确地识别钢筋脱粘位置，具有灵敏度高、响应速度快和价格低廉等优点。

需要说明的是，该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备，其控制原理、内部结构以及控制开关方式等均为现有技术的常规手段，此处直接引用，不做赘述，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，其特征在于：包括万能拉拔试验机（1），所述万能拉拔试验机（1）内侧壁的顶部以及底部均固定连接有夹具（2），所述夹具（2）之间卡接有钢筋（3），所述钢筋（3）的外侧设置有混凝土体（4），所述混凝土体（4）的外侧罩接有特制试件装载钢笼（5），所述特制试件装载钢笼（5）内的钢筋（3）的外表面等距离固定连接有压电陶瓷片传感器（6），所述万能拉拔试验机（1）的外部设置有阻抗分析仪（8），所述阻抗分析仪（8）与压电陶瓷片传感器（6）之间固定连接有导线（7），所述阻抗分析仪（8）的输出端外接计算机（9）。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，其特征在于：所述压电陶瓷片传感器（6）的安装位置处预先设有绝缘层，绝缘层的厚度为0.09mm-0.11mm左右。

3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，其特征在于：所述阻抗分析仪（8）的宽频范围为1kHz-400kHz。

4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置，其特征在于：所述压电陶瓷片传感器（6）与导线（7）的接触处涂抹防水层。