用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置及方法
2023-07-06 09:22:06 3
用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置及方法
【專利摘要】本發明一種用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置及方法，屬於混凝土結構健康監測【技術領域】，本發明與其他同類型傳感器相比較，具有耐久性好、造價低、體積小巧等特點，埋置於混凝土結構內部，相當於普通骨料，不會影響結構的力學性能；與傳統的智能骨料相比，本發明採用無線網絡進行信號傳輸，不僅節省了大量的材料費和人工費，還由於無線智能骨料節點安裝、維護容易等特點，減少了健康監測系統的維護工作，對於一些大型結構，多處位置不允許布置線纜等問題，利用無線信號傳輸技術可得到有效解決。
【專利說明】用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於混凝土結構健康監測【技術領域】，具體涉及一種用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置及方法
【背景技術】
[0002]目前，我國人民生活水平不斷提高，土木建築行業更加繁榮。混凝土結構作為一種經濟實用的建築結構，在橋梁、工業、民用建築等領域得到了廣泛的應用。但由於混凝土結構自身的特點，在幾十年的服役過程中，結構在各種自然災害(如地震、洪水、颶風等)、人為破壞(如爆炸)以及材料老化等因素的作用下，難免會產生損傷積累，以至於造成結構局部或整體失效，嚴重時還可能引起人員傷亡及財產損失。因此，對於混凝土結構，許多問題必須得到妥善解決，以確保這些結構的可靠性。
[0003]利用健康監測手段，對混凝土結構進行實時在線的監測，可以有效地對其健康狀態做出判斷，對於結構完整性和可靠性評估具有重要意義。傳統的結構健康監測方法，如超聲脈衝法、回彈法等，雖然可以完成對於結構局部損傷的監測，但這些方法都是離線的，採集到信息往往存在滯後性。
[0004]以壓電陶瓷(PZT)為代表的壓電智能材料，由於其良好的壓電效應被製成各類傳感器。然而，基於壓電陶瓷的現有結構健康檢測手段，在完成大型結構的健康監測任務時，需要大量地布置線纜。這樣個僅耗費大量的材料費和人工費，而且在出現故障時，對於健康監測系統的維護工作也比較繁重。同時，對於大型的橋梁結構，許多位置不允許布置線纜，使得監測工作更加困難。
【發明內容】
[0005]針對現有技術存在的不足，本發明提出一種用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置及方法，以達到不影響被測結構的力學性能、節省材料費和人工費、減少健康監測系統的維護工作和解決大型的結構多處位置不允許布置線纜問題的目的。
[0006]一種用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置，該裝置包括信號發射裝置和信號接收裝置，其中，
[0007]所述的信號發射裝置設置於被測混凝土結構的一端，包括第一陶瓷片、第一環氧樹脂防水層、第一混凝土保護層、函數發生器和壓電陶瓷驅動電源，所述的第一陶瓷片外部設置有第一環氧樹脂防水層，第一環氧樹脂防水層的外部設置有第一混凝土保護層；所述的函數發生器輸出端連接壓電陶瓷驅動電源的輸入端，壓電陶瓷驅動電源的輸出端連接第一陶瓷片的輸入端；
[0008]所述的信號接收裝置設置於被測混凝土結構的另一端，包括第二陶瓷片、第二環氧樹脂防水層、第二混凝土保護層、無線射頻模塊、採樣模塊、電源模塊和電荷放大器，所述的第二陶瓷片外部設置有第二環氧樹脂防水層，第二環氧樹脂防水層的外部設置有第二混凝土保護層；第二陶瓷片的輸出端連接電荷放大器的輸入端，電荷放大器的輸出端連接採樣模塊的一路輸入端，採樣模塊的輸出端連接無線射頻模塊的一路輸入端，電源模塊的兩路輸出端分別連接採樣模塊的另一路輸入端和無線射頻模塊的另一路輸入端。
[0009]所述的第一混凝土保護層和第二混凝土保護層均為圓柱體，圓柱體高的取值範圍為20~40幹m，直徑的取值範圍為25~40幹m。
[0010]採用用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置進行監測的方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1、將信號發射裝置安裝至被測混凝土結構的一端，將信號接收裝置安裝至被測混凝土結構的另一端；
[0012]步驟2、調節發射裝置中的函數發生器產生正弦掃頻波，並將產生的正弦掃頻波發送至壓電陶瓷驅動電源；
[0013]步驟3、壓電陶瓷驅動電源驅動第一陶瓷片振動，第一陶瓷片振動將獲得的正弦掃頻波傳播至被測混凝土結構中；
[0014]步驟4、接收裝置中的第二陶瓷片接收被測混凝土結構中的正弦掃頻波，並將接收到的正弦掃頻波發送至電荷放大器中；
[0015]步驟5、電荷放大器將正弦掃頻波的電荷信號轉換為電壓信號，並將該電壓信號傳遞給採樣模塊；
[0016]步驟6、採樣模塊將電壓信號進行數模轉換，並將轉換後的信號發送至無線射頻模塊；
[0017]步驟漿、無線射頻模塊通過無線網絡將信號發至上位機中計算被測混凝土結構的健康指數；
[0018]步驟漿-1、根據每個採樣點的電壓值，獲得被測混凝土結構的信號能量值，公式如下:
【權利要求】
1.一種用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置，其特徵在於，該裝置包括信號發射裝置和信號接收裝置，其中， 所述的信號發射裝置設置於被測混凝土結構的一端，包括第一陶瓷片、第一環氧樹脂防水層、第一混凝土保護層、函數發生器和壓電陶瓷驅動電源，所述的第一陶瓷片外部設置有第一環氧樹脂防水層，第一環氧樹脂防水層的外部設置有第一混凝土保護層；所述的函數發生器輸出端連接壓電陶瓷驅動電源的輸入端，壓電陶瓷驅動電源的輸出端連接第一陶瓷片的輸入端； 所述的信號接收裝置設置於被測混凝土結構的另一端，包括第二陶瓷片、第二環氧樹脂防水層、第二混凝土保護層、無線射頻模塊、採樣模塊、電源模塊和電荷放大器，所述的第二陶瓷片外部設置有第二環氧樹脂防水層，第二環氧樹脂防水層的外部設置有第二混凝土保護層；第二陶瓷片的輸出端連接電荷放大器的輸入端，電荷放大器的輸出端連接採樣模塊的一路輸入端，採樣模塊的輸出端連接無線射頻模塊的一路輸入端，電源模塊的兩路輸出端分別連接採樣模塊的另一路輸入端和無線射頻模塊的另一路輸入端。
2.根據權利要求1所述的用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置，其特徵在於，所述的第一混凝土保護層和第二混凝土保護層均為圓柱體，圓柱體高的取值範圍為20~40cm，直徑的取值範圍為25~40cm。
3.採用權利要求1所述的用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置進行監測的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1、將信號發射裝置安裝至被測混凝土結構的一端，將信號接收裝置安裝至被測混凝土結構的另一端； 步驟2、調節發射裝置中的函數發生器產生正弦掃頻波，並將產生的正弦掃頻波發送至壓電陶瓷驅動電源； 步驟3、壓電陶瓷驅動電源驅動第一陶瓷片振動，第一陶瓷片振動將獲得的正弦掃頻波傳播至被測混凝土結構中； 步驟4、接收裝置中的第二陶瓷片接收被測混凝土結構中的正弦掃頻波，並將接收到的正弦掃頻波發送至電荷放大器中； 步驟5、電荷放大器將正弦掃頻波的電荷信號轉換為電壓信號，並將該電壓信號傳遞給採樣模塊； 步驟6、採樣模塊將電壓信號進行數模轉換，並將轉換後的信號發送至無線射頻模塊； 步驟7、無線射頻模塊通過無線網絡將信號發至上位機中計算被測混凝土結構的健康指數； 步驟7-1、根據每個採樣點的電壓值，獲得被測混凝土結構的信號能量值，公式如下:
4.根據權利要求3所述的採用用於混凝土結構的無線智能骨料健康監測裝置進行檢測的方法，其特徵在於，所述的正弦掃頻波的頻率範圍為IOOHz~10kHz，時間間隔為I~20s，幅值範圍為5~15V。
【文檔編號】G01N27/00GK103792263SQ201410038282
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】閻石, 馬浩焱, 綦寶暉, 孫威, 劉福學 申請人:瀋陽建築大學