[發明專利]一種用于混凝土結構健康監測的球形智能骨料

無效

• 申請號: 201310296411.5
• 申請日: 2013-07-16
• 公開（公告）號: CN103364489A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 李宗津;陸有源;張津瑞
• 申請（專利權）人: 廣州市香港科大霍英東研究院
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

?本發明涉及混凝土結構健康監測領域，尤其涉及一種新型的對混凝土結構進行穩定、長期以及全面的健康監測的智能骨料傳感器。

背景技術

目前，混凝土結構健康監測所用的傳感器多為需要特殊工序來安裝入混凝土結構內部的傳感器，所述工序往往要求在建筑該結構時即同時安裝入相應傳感器，因此需提前規劃。同時由于這些傳感器的設計多采用碟形或者環形，監測范圍帶有明顯的方向性，通常在偏離傳感器探測方向一定角度的區域，傳感器的監測靈敏度將明顯下降，因此其探測“視野狹窄”。

申請號為201010607717.4申請日為2010年12月27日的國內發明專利申請公開了一種鋼筋混凝土結構建筑物聲音振動和結構應力變化監測的傳感器，該傳感器由分布在建筑物混凝土結構中或表面的傳感單元、信號處理單元、信號傳送單元和供電單元組成，通過將獲得的數據通過無源電纜發送到監測基站，能夠實現對混凝土結構的健康監測。該傳感器中的結構應力變化傳感器在使用前需要沿混凝土柱長度方向預澆筑從而實現與整個柱子合為一體，而該傳感器中的聲音振動傳感器需要安裝于混凝土柱表面。該方法能夠對監測區域內建筑物聲音、振動、應力變化、裂縫等異常情況進行監測及預警，但卻存在上述的給工程人員帶來麻煩的問題，且其傳感器設計為碟形，存在“視野狹窄”問題，同時其安裝在建筑物表面的傳感器容易受到外界環境的影響從而影響其監測效果。而本方法所述的智能骨料傳感器通過與混凝土中粗骨料一起埋入的方式，不會給工程人員帶來麻煩，受到外界環境影響小，同時由于其球狀形狀也很好地解決了“視野狹窄”問題。

再者，目前用于混凝土結構裂縫探測等健康狀況的傳感器多為基于壓電效應的壓電傳感器，但是傳統的壓電傳感器由于使用PZT等純陶瓷材料作為換能元件，其聲阻抗、彈性模量等材料參數與混凝土材料大相徑庭，因此造成聲信號在混凝土與傳感器的界面大量被反射，降低了監測的靈敏度與精度。申請號為201110226252.2申請日為2011年8月8日的國內發明專利申請公開了一種免電磁干擾的埋入式混凝土結構多功能壓電智能骨料，該骨料的組成包括金屬屏蔽底座、金屬屏蔽蓋、d33模式壓電陶瓷片、絕緣橡圈、導電片、環氧樹脂絕緣層、屏蔽導線及屏蔽接頭，其可實現免電磁干擾情況下對混凝土內部動力損傷演化的全過程監測。但由于該發明的核心元件為壓電陶瓷即PZT，仍存在如上所述的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種用于混凝土結構健康監測的智能骨料，由于該智能骨料具有特殊的球形設計，將其埋置于混凝土中后可以實現“全視野”探測，即監測靈敏度與信號的入射角度無關，無監測死角。該智能骨料本身具有與混凝土材料接近的聲阻抗以及彈性模量，因此，由于界面反射等引起的信號能量損失被減到最小，保證了智能骨料接收信號的高靈敏度和高信噪比，同時由于該智能骨料主要由水泥基材料制備，保證了智能骨料具有與混凝土材料本身相似的耐久性，以實現穩定的長期的全面的混凝土結構的健康監測。

為了解決上述技術問題，本發明提出了一種傳感器，這種傳感器的大小接近混凝土中的粗骨料，其主體包括由PZT壓電陶瓷顆粒、水泥粉末、環氧樹脂等復合而成的空心球形復合材料顆粒，形成于該復合材料顆粒內外表面的正負電極，封裝于所述復合材料顆粒外且設置有電磁屏蔽層的封裝結構，以及與所述正負電極、電磁屏蔽層連接的線纜或者微型無線收發裝置。

進一步地，所述封裝結構包括由水泥及環氧樹脂混合而成的封裝層，以及形成于封裝層外表面的電磁屏蔽層。

進一步地，所述線纜為包括內芯及金屬屏蔽層的同軸電纜，所述正電極連接至所述內芯，所述負電極及電磁屏蔽層均連接至所述金屬屏蔽層。

進一步地，所述微型無線收發裝置為內置于空心球形復合材料顆粒內腔的微型信號接收放大及無線收發裝置，該裝置的信號接收線分正負兩條信號線，正信號線連接至正電極，負信號線連接至負電極。

進一步地，微型信號接收放大及無線收發設備可細分為信號接收模塊和信號發送模塊，信號接收模塊將由復合材料顆粒在探測到聲信號時產生的電荷信號成一定比例轉化為電壓信號，同時將復合材料顆粒的高輸出阻抗變為信號接收模塊輸出的低輸出阻抗。信號發送模塊則通過數模轉換與無線發射裝置將電壓信號以電磁波的形式發送給監測終端使用。

進一步地，所述復合材料顆粒為球形，顆粒內部為球形空腔，所述封裝結構為球形。

進一步地，所述智能骨料顆粒擁有與混凝土材料接近的聲阻抗及彈性模量參數，因此擁有很高的靈敏度和信噪比，同時相比傳統壓電傳感器其頻率響應范圍也大大拓寬。