一種基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法
2023-06-25 15:54:56 3
專利名稱：一種基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法
技術領域：
本發明涉及一種混凝土溼度的長期監測方法，具體而言是一種基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法。
背景技術：
混凝土內部溼度是影響混凝土構件工作性能的一個重要因素。眾多研究表明，混凝土含水率(相對溼度)的大小對混凝土硬化、強度、鋼筋鏽蝕、硫酸鹽侵、氯鹽侵蝕等耐久性問題以及混凝土構件的動力特性等都有十分重要的影響。目前國內外對相對溼度的測量方法大體分為三類第一種是將乾濕球溫度計接到數字表上直接顯示溼度值；第二種方法是將溼度傳感器與數字表共同組成溼度測量儀；第三種方法是採用乾濕球溫度計，測量幹球和溼球之間的溫差，然後查相對溫度表而得到溼度值。由於傳感器技術等原因，溼度測量一直是國際公認的難題，不同方法對於混凝土內部相對溼度的測量結果差異也很大。在混凝土內部溼度檢測方面目前還鮮有研究，很多學者借鑑空氣溼度的測量方法，在混凝土結構內部預留孔洞，把孔洞內空間溼度作為混凝土內部溼度的參考值，這種方法的缺陷是所測的結果並非混凝土真實溼度值，而且受環境擾動較大。美國伊利諾伊斯大學香檳分校採用電容式RH傳感器研發了一種測定混凝土內部相對溼度的儀器，這種傳感器在RH〈80%時精度較高，但在較高溼度的情況下測試精度難以得到保證。清華大學黃瑜等人採用電容式數字溫溼度傳感器，測量了普通混凝土和高強混凝土試件單面乾燥條件下內部不同深度處的相對溼度。這兩種方法均將傳感器密封在試件內部，這樣可以避免預留孔與環境發生溼度交換。但同時也存在傳感穩定性問題，即傳感器長期置於混凝土內部，受溼度和溫度條件的影響，其測量特徵值會發生漂移，精度會有所下降。
發明內容
針對現有技術中混凝土內部溼度的檢測方法存在傳感穩定問題，本發明提供一種簡便的混凝土內部溼度監測方法，實現對混凝土構件內部溼度進行長期監測。本發明所提供的混凝土溼度監測方法是一種新型的無損檢測(NDT)方法，採用在混凝土內部設置壓電智能骨料傳感器(Smart Aggregate Transducer ),將相關功能器件進行集成，形成一套使用簡便，經濟實用的數據採集系統，並結合Matlab等相關信號處理軟體的使用，對混凝土構件的溼度進行長期監測。該方法基于波動法原理，將壓電智能骨料傳感器埋於混凝土材料內部需要監測溼度的區域中，在埋入過程中保持壓電智能骨料傳感器方向和位置的準確性。將監測系統中的相關組件連接好，打開各儀器電源，通過信號發生器對壓電智能骨料驅動器發出低頻激勵信號，該激勵信號的頻率為I IOHZ。如果激勵信號功率過小，可通過功率放大器進行放大，壓電智能骨料驅動器產生逆壓電效應，將電信號轉化為振動信號，布置在其他位置的壓電智能骨料傳感器接收到應力波信號後，產生正壓電效應，將振動信號再次轉換為電信號並輸入到示波器進行存儲記憶。對接收信號可進行濾波和降噪後，藉助接收信號在混凝土內部的傳播的波的幅值、能量、平均功率等來確認混凝土內部不同位置的溼度。上述方法中，通過信號發生器對壓電智能骨料驅動器發出低頻激勵信號通常為簡諧波或正弦波掃頻，恰當頻率的波形不僅能捕捉到混凝土中水分的細微變化，而且能夠簡化數據處理過程。下面就如何藉助接收信號在混凝土內部的傳播的波的幅值、能量、平均功率以及溼度指數來確認混凝土內部不同位置的溼度作以說明。首先，借鑑小波分析處理數據過程中採用均方差來定義損傷指標的方法，定義溼度指數 Moisture Index (MI)
權利要求
1.ー種基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法，該方法包括以下步驟 步驟(I)將壓電智能骨料傳感器埋於混凝土材料內部需要監測溼度的區域中，在埋入過程中保持壓電智能骨料傳感器方向和位置的準確性； 步驟(2)將監測系統中的相關組件連接好，打開各儀器電源，通過信號發生器對壓電智能骨料驅動器發出低頻激勵信號，該激勵信號的頻率為I IOHz ； 步驟(3 )壓電智能骨料驅動器產生逆壓電效應，將電信號轉化為振動信號，布置在其他位置的壓電智能骨料傳感器接收到應力波信號後，產生正壓電效應，將振動信號再次轉換為電信號並輸入到示波器進行存儲記憶； 步驟(4)藉助接收信號在混凝土內部傳播的波的幅值、能量、平均功率來確認混凝土內部不同位置的溼度。
2.根據權利要求1所述的基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法，其中 在所述步驟(2)中，使用功率放大器對所述激勵信號進行放大。
3.根據權利要求1-2所述的基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法，其中 在進行步驟(4)之前，先對接收信號進行濾波和降噪處理。
4.根據權利要求1所述的基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法，其中 所述步驟(2)中通過信號發生器對壓電智能骨料驅動器發出低頻激勵信號為簡諧波或正弦波掃頻。
5.根據權利要求1-3所述的基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法，其中 所述步驟(4)中，藉助接收信號在混凝土內部傳播的波的幅值、能量、平均功率與系統試驗標定作比較以確認混凝土內部不同位置的溼度。
6.根據權利要求5所述的基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法，其中 所述系統試驗標定包括以下步驟 步驟(a)在混凝土試件內部不同距離埋入壓電智能骨料傳感器，兩傳感器相距一定距離，該距離可調整，與預埋在待監測的混凝土結構中預埋的傳感器間距保持一致；該混凝土試件與待監測的混凝土結構的混凝土類型、組分、齡期相同； 步驟(b )將素混凝土試件放入乾燥箱內乾燥，直至乾燥狀態，該狀態下試件重量不再減小，為驗證試驗結果的穩定性，試件數量取多個； 步驟(C)取出試件，稱重得到全乾狀態下的試件重量ら，此時相対溼度為0%，滲水深度為0 _，稱重完畢後馬上利用根據本發明的監測系統進行信號測量，得到全乾狀態下接收信號的波形信息， 步驟(d)相対溼度的標定將混凝土試件置於恆溼箱中，根據精度要求在0% 100%範圍內不同相対溼度下養護至重量不變，稱重記為6，並在此重量下進行信號測量，得到不同相對溼度下的波形信息；滲水深度的標定依次將試件分別置於不同深度的水中浸泡，根據精度要求選擇N種深度劃分，每隔固定時間取出，浸泡時間要保證在此深度下，混凝土已完全浸透，擦乾表面水分並稱重，得到其他N種不同滲水深度エ況下的試件總重量ら+1』毎次稱重完畢後立即進行信號測量，得到不同含水率下的波形信息；對於每一種エ況，均按照固定頻率簡諧波1HZ、5HZ、10HZ以及正弦掃頻1-1OOHz單個脈衝波的順序進行試驗；簡諧波用於比較不同含水率條件下的接收波波形的幅值差異，並通過後期數據處理計算相關溼度評價指標；正弦掃頻得到不同頻率的波在不同溼度條件下的損耗情況，在不同溼度エ況下進行掃頻，然後對掃頻信號進行傅立葉變換，進行頻域分析，確定溼度對不同激勵頻率信號的影響，用於選取適用於監測的激勵頻率；在簡諧波測量階段，分別採用1ΗΖ、5Ηζ、10Ηζ三種頻率進行主動監測，首先由信號發生器發射固定頻率的簡諧波，信號經功率放大器放大後輸入位於試件一端的壓電智能骨料驅動器，壓電材料將電信號轉換為振動信號，並以波的形式在混凝土介質中傳播，位於試件另一端的壓電智能骨料傳感器接收到信號後再次將振動信號轉換為電信號，並傳輸到示波器中存儲記憶； 步驟(e)數據處理與分析飽和狀態和全乾狀態下，試件總質量之差，即吸水總質量，不同工況下的吸水質量與吸水總質量之比即為該工況下的含水率；滲水深度與試件總高之比即為該工況下的滲水深度佔總高的百分比； 在不同含水率條件下，分析接收到的簡諧波幅值平均值，得到波形幅值隨滲水深度的變化趨勢；計算不同工況下的單周波形能量；同時，根據採集到的波形計算出了採樣總時長內，進一步計算得到波形總能量，得出相同頻率下波形能量隨滲水高度的變化趨勢；計算不同頻率簡諧波的平均功率隨滲水深度的變化趨勢，進一步，採用歸一化的方法，線性歸一化平均功率，得到歸一化後的平均功率值隨滲水深度的變化趨勢；根據幅值的相對大小、能量以及平均功率對混凝土構件中的含水情況做出初步定性判別；通過公式
7.根據權利要求6所述的基於壓電智能骨料的混凝土溼度監測方法，其中 所述步驟(e)中最優使用1-1OHz作為正弦掃頻的激勵頻率範圍。
全文摘要
本發明所提供的混凝土溼度監測方法是一種新型的無損檢測(NDT)方法，採用在混凝土內部設置壓電智能骨料傳感器(SmartAggregateTransducer)，將相關功能器件進行集成，形成一套使用簡便，經濟實用的數據採集系統，並結合Matlab等相關信號處理軟體的使用，對混凝土構件的溼度進行長期監測。
文檔編號G01N29/11GK103048384SQ201210557810
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者劉鐵軍, 鄒篤建, 滕軍, 李勃 申請人:劉鐵軍