一種水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置，包括振動臺（1）、波形發(fā)生器（2）、驅(qū)動器（3）、傳感器（4）、數(shù)字濾波器（6）、數(shù)字化采集器（5）、小波包分析系統(tǒng)（7）及被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體（8）；所述被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體（8）設(shè)置在振動臺（1）上，所述波形發(fā)生器（2）對所述驅(qū)動器（3）發(fā)出掃頻信號后，激勵所述驅(qū)動器（3）產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體（8）中傳播被傳感器（4）接收，應(yīng)力波信號依次再經(jīng)過數(shù)字濾波器（6）、數(shù)字化采集器（5）和小波包分析系統(tǒng)（7）。本發(fā)明的測試平臺對實現(xiàn)水工混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有重要意義，具有高精度、布設(shè)簡單、監(jiān)測成本低、工作效率高、工程適用性強等優(yōu)點。
【專利說明】一種水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]裂縫是水工混凝土結(jié)構(gòu)老化和病變的主要反應(yīng)，對混凝土結(jié)構(gòu)的危害很大。其是水工混凝土結(jié)構(gòu)最常見的損傷病變，其產(chǎn)生和發(fā)展是結(jié)構(gòu)功能衰退的重要特征之一，對結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性、耐久性、承載能力等具有重要影響，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)破壞失事。對于裂縫損傷的有效識別是水工混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和診斷的一項重要內(nèi)容，急切需要成熟的新材料及新技術(shù)的引入，達到對水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷的實時、高效及準(zhǔn)確的監(jiān)測及控制。
[0003]壓電陶瓷傳感器具有頻響范圍寬、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、功耗少、成本低等優(yōu)點，由其構(gòu)成的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠靈敏的感應(yīng)監(jiān)測到結(jié)構(gòu)損傷的存在和強度的變化情況。在水工混凝土結(jié)構(gòu)健康主動監(jiān)測過程中，被作為傳感器和驅(qū)動器，在一定程度上削弱了外界環(huán)境變化對壓電陶瓷片的影響，可以延長壓電陶瓷片的使用壽命，保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的有效性和長期性。
[0004]由于混凝土裂縫損傷的復(fù)雜性，確定損傷的敏感頻率非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置及方法。
[0006]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，信號的幅值是對混凝土強度較為敏感的參數(shù)，故信號幅值可以作為損傷識別的重要特征參量；混凝土裂縫損傷給信號主頻帶來的影響較小，但變化時信號幅值的衰減程度具有明顯的影響，說明信號主頻是影響信號對損傷敏感性的重要因素；建議采用掃頻信號作為損傷監(jiān)測信號，掃頻信號頻率具有一定的變化范圍，有助于提高信號對損傷的敏感性。
[0007]基于上述研究的啟發(fā)，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)損傷的動荷載試驗，通過在混凝土模型中成對埋設(shè)的混凝土壓電陶瓷機敏模塊(CPSM, Concrete PZT Smart Module),發(fā)明了基于波動分析法的混凝土裂縫損傷主動監(jiān)測的實現(xiàn)方法，以CPSM掃頻信號為分析對象，引入小波包工具對信號進行分析的基礎(chǔ)上，試驗研究了一種基于信號節(jié)點能量的損傷識別方法。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置，如圖1所示，包括振動臺、波形發(fā)生器、驅(qū)動器、傳感器、數(shù)字濾波器、數(shù)字化采集器、小波包分析系統(tǒng)及被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體；所述被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體設(shè)置在振動臺上，所述波形發(fā)生器對所述驅(qū)動器發(fā)出掃頻信號后，激勵所述驅(qū)動器產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體中傳播被傳感器接收，應(yīng)力波信號依次再經(jīng)過數(shù)字濾波器、數(shù)字化采集器和小波包分析系統(tǒng)；
[0009]所述驅(qū)動器和傳感器均為壓電陶瓷機敏模塊，所述驅(qū)動器和所述傳感器分別埋入或粘貼在待測水工混凝土結(jié)構(gòu)體的兩端；
[0010]所述壓電陶瓷機敏模塊包括壓電陶瓷片、硫化硅橡膠層、信號線和外包混凝土，所述硫化硅橡膠層包覆在所述壓電陶瓷片的外圍，包覆有硫化硅橡膠層的壓電陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信號線的一端焊接在壓電陶瓷片上，另一端穿過外包混凝土與其他元器件連接。
[0011]對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般使用dSPACE(digital Signal Processing And ControlEngineering)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其用于信號的數(shù)字化采集，dSPACE由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，硬件系統(tǒng)具有高速的處理功能，軟件系統(tǒng)包括從Simulink模型到dSPACE實時代碼自動生成的工具和對實驗進行可視化、自動化管理的一系列軟件。
[0012]小波包分析系統(tǒng)，主要由一個三層樹狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其組成示意圖見附圖2。小波分解是將信號分解成低頻？工和高頻01各占一半的頻帶，低頻P1中失去的信息由高頻D1捕獲；在下一層分解中，又將P1分解成低頻P2和高頻D2兩部分，兩部分各占P1部分的一半，低頻P2失去的信息由D2捕獲。小波包分解不同于小波分解，小波包不僅對低頻部分進行分解，而且也對高頻部分進行分解。小波包分解是一種比小波分解更精細的分解方法。小波在
有限持續(xù)時間內(nèi)的均值為零，表達式為丨::"H {t)dt = O，選取Ψ⑴為小波母函數(shù)，則函數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置，其特征在于:包括振動臺(I)、波形發(fā)生器(2)、驅(qū)動器(3)、傳感器(4)、數(shù)字濾波器(6)、數(shù)字化采集器(5)、小波包分析系統(tǒng)(7)及被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體(8);所述被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體(8)設(shè)置在振動臺(I)上，所述波形發(fā)生器(2)對所述驅(qū)動器(3)發(fā)出掃頻信號后，激勵所述驅(qū)動器(3)產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在被測水工混凝土結(jié)構(gòu)體(8)中傳播被傳感器(4)接收，應(yīng)力波信號依次再經(jīng)過數(shù)字濾波器(6)、數(shù)字化采集器(5)和小波包分析系統(tǒng)(7)； 所述驅(qū)動器(3)和傳感器(4)均為壓電陶瓷機敏模塊，所述驅(qū)動器(3)和所述傳感器(4)分別埋入或粘貼在待測水工混凝土結(jié)構(gòu)體(8)的兩端； 所述壓電陶瓷機敏模塊包括壓電陶瓷片(10)、硫化硅橡膠層(12)、信號線(11)和外包混凝土(9)，所述硫化硅橡膠層(12)包覆在所述壓電陶瓷片(10)的外圍，包覆有硫化硅橡膠層(12)的壓電陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中；所述信號線(11)的一端焊接在壓電陶瓷片(10)上，另一端穿過外包混凝土(9)與其他元器件連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置，其特征在于:所述壓電陶瓷機敏模塊為圓柱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測裝置進行水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)波形發(fā)生器發(fā)射正弦掃頻激勵信號，激勵壓電陶瓷機敏模塊驅(qū)動器發(fā)射應(yīng)力波信號; (2)應(yīng)力波信號在待測水工混凝土結(jié)構(gòu)體中傳播，被設(shè)置在待測水工混凝土結(jié)構(gòu)體中的壓電陶瓷機敏模塊傳感器接收； (3)信號經(jīng)過數(shù)字濾波器的濾波，濾去信號中低頻噪聲信號，然后被數(shù)字化采集器采集; (4)信號傳遞到小波包分析系統(tǒng)，利用小波包分解不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的小波信號，獲取不同節(jié)點的小波包節(jié)點能量，通過同一節(jié)點能量下的變化情況判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況，最終達到混凝土結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)控。
4.根據(jù)權(quán)利要求權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:步驟(4)中，信號被N層小波包分解為2"個信號集…，X2]，其中Xj表示為Xj = (XjjllXjj2,...,Xj-J, m為樣本數(shù)目； 分解信號的小波包節(jié)點能量Eu表示力E , =||X| =X2j, +X2ja +- + x；,m，式中:i為時間指標(biāo)；j為頻帶(1，2，…，2n); 指標(biāo)i處的小波包節(jié)點能量向量Ej轟示為Ei = Ei,\,Ei,2,--^Ejy 。
5.根據(jù)權(quán)利要求權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:步驟(4)中，將結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的能量作為基準(zhǔn)信號能量，依據(jù)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下信號能量與基準(zhǔn)信號能量的比較，來刻畫



J7 _ P結(jié)構(gòu)的損傷程度；由小波包節(jié)點能量構(gòu)建損傷指標(biāo)為7 =’式中為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的小波包節(jié)點能量；Ei j為結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下的小波包節(jié)點能量。
【文檔編號】G01N29/04GK103472142SQ201310408943
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】蘇懷智, 張楠, 楊孟, 張林海 申請人:河海大學(xué)