[發明專利]一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監測裝置和方法

有效

• 申請號: 201310409239.X
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103472095A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 蘇懷智;張楠;楊孟;田始光;沈壽亮
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 繆友菊

1.一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監測裝置，其特征在于：包括波形發生器（1）、驅動器（2）、傳感器（3）、信號接收設備（4）、數字濾波器（5）、數字示波器（6）和模糊推理系統（7）；波形發生器（1）發出信號后依次經過驅動器（2）、傳感器（3）、信號接收設備（4）、數字濾波器（5）、數字示波器（6）和模糊推理系統（7）；

所述驅動器（2）和傳感器（3）均為壓電陶瓷機敏模塊，所述驅動器（2）和所述傳感器（3）分別埋入在待測水工混凝土試件（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.根據權利要求1所述的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監測裝置，其特征在于：所述壓電陶瓷機敏模塊為圓柱形。

3.根據權利要求1所述的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監測裝置，其特征在于：所述外包混凝土（9）由水、細集料的水泥砂漿進行澆筑。

4.根據權利要求1所述的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監測裝置進行水工混凝土強度監測的方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）建立混凝土水化過程中應力波振幅變化與強度的映射關系；

（2）由應力波振幅變化與強度的映射關系構建模糊推理系統平臺；

（3）由波形發生器發射信號，激勵待測水工混凝土試件中的驅動器產生應力波，應力波在待測水工混凝土試件中傳播，通過另一端的傳感器接收；應力波經過信號接收設備、數字濾波器的濾去其中的低頻噪聲信號后，通過示波器測量出收到的應力波的幅值，將采集的應力波幅值輸入訓練好的模糊推理系統平臺，即可獲得混凝土的抗壓強度預測值。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：

步驟（1）中，應力波在混凝土中的傳播沿極化方向看作一維縱向傳播；微小單元的波動方程表示為A∂σ∂zdz+Aρ∂2u∂t2dz=0,]]>

式中：σ為軸向應力；u為軸向位移；A為微小單元截面積；ρ為混凝土密度；表征微小單元的應力差；表征微小區間的慣性力；

忽略應變速度的影響，設E為混凝土彈性模量，ε為軸向應變，由虎克定律可得σ=Eϵ=-E∂u∂z,]]>由上述兩公式可得∂2u∂z2=1cb2∂2u∂t2(cb2=E/ρ);]]>式中：u為單元位移；E為介質材料的彈性模量；ρ是介質材料的密度；

一定時間段內簡諧波的能量可以表示為式中：p為簡諧波的能量，A為簡諧波的振幅，ω為角頻率；

上式可以表示為由該式得出，簡諧波的振幅受介質彈性模量的影響；通過監測介質中彈性波的振幅間接獲知混凝土在水化階段的強度發展情況。

6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：

步驟（2）中，根據混凝土的強度和其中傳播的應力波波幅的應關系，建立模糊規則；使用中心平均去模糊化法，即最大隸屬度法與重心法兩者的折中，若模糊推理結果由N個模糊集合組成，令為第i個模糊集合的中心，為該模糊集合所對應的最大隸屬度，則通過中心平均去模糊化方法得到的清晰值對于有N個元素的離散論域，模糊集合的中心實質上就是模糊單點值y_i，最大隸屬度實質上就是y_i對應的隸屬度μ(y_i)，則利用中心平均去模糊化方法得到的清晰y^*為式中，y_i為模糊單點值，μ(y_i)為y_i對應的最大隸屬度，y^*為輸出值。