[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

技術領域

本發明涉及一種監測水工混凝土強度指標的測試裝置和方法，具體涉及到一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監測裝置及方法。

背景技術

擋水建筑物在承受上游巨大水壓力的同時，還要承受著諸如地震、氣候驟變、混凝土收縮破壞、老化、腐蝕等的破壞。大體積水工混凝土結構在澆筑過程中會產生大量的水化熱，隨著時間的推移，混凝土內部的溫度會逐漸降低至一個相對穩定的值，在此期間，混凝土強度一直處于變化中，若溫度控制不當極易導致裂縫的產生和發展。對于水工混凝土強度指標的監控，急切需要新材料及新技術的引入，達到實時、高效及準確的監測及控制。

壓電陶瓷在土木、航天、建筑以及材料科學方面具有廣泛的應用，范圍涵蓋與電學相關的傳感器領域到與力學相關的結構、振動領域，應用前景廣闊，并且壓電陶瓷傳感器具有頻響范圍寬、響應速度快、結構簡單、功耗少、成本低等優點，由其構成的結構監測系統能夠靈敏的感應監測到結構損傷的存在和強度的變化情況。壓電陶瓷材料用于大體積水工混凝土結構監測和診斷，具有成本低廉、響應快、能耗低、靈敏度高等許多優點，但水工混凝土結構多體型龐大、施工過程復雜、服役時間長，而壓電陶瓷片自身材質較脆、對外界環境反應極為敏感，直接埋設于被監測主體結構中，極易造成壓電陶瓷片的損壞。因此，將壓電陶瓷應用到大體積水工混凝土結構中，對水工混凝土強度指標的測試仍是一個空白。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種可保證結構監測的有效性和長期性的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監測裝置及方法。

技術方案：本發明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，包括波形發生器、驅動器、傳感器、信號接收設備、數字濾波器、數字示波器和模糊推理系統；波形發生器發出信號后依次經過驅動器、傳感器、信號接收設備、數字濾波器、數字示波器和模糊推理系統；

所述驅動器和傳感器均為壓電陶瓷機敏模塊（CPSM，Concrete?PZT?Smart?Module），所述驅動器和所述傳感器分別埋入在待測水工混凝土試件的兩端；

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。

借助本發明裝置，通過在水工混凝土試塊中安放壓電陶瓷機敏模塊對作為驅動器和傳感器，采用波動法，收集混凝土試塊在澆筑過程中的應力波振幅，應用模糊推理方法分析構建了混凝土試塊強度與應力波幅值的數學關系模型，從而實現混凝土強度的間接監測。本發明裝置除了混凝土壓電陶瓷機敏模塊之外，通常需要配備信號生成設備和信號采集設備等，其與混凝土壓電陶瓷機敏模塊構成一套結構監測系統，制作混凝土壓電陶瓷機敏模塊時不可避免的出現漏電現象，接收到的信號中可能混有交流電的頻率，故將傳感器連接數字濾波器；經過濾波器的信號通過示波器可以測量出收到的應力波的幅值，以此用于混凝土強度監測。

制備機敏模塊時，對于壓電陶瓷片的外包混凝土來講，其僅起到一個傳遞應力的作用，而非承力的主體，故在制作過程中無需加入粗集料和鋼筋等材料，所述外包混凝土由水、細集料的水泥砂漿進行澆筑，這樣可減少粗集料及鋼筋和其他性質分布不均勻的配料在壓電陶瓷片上產生的局部應力集中；對于壓電陶瓷片需綜合考慮其容易破壞的性質、壓電陶瓷機敏模塊接收和發射信號的應用性質等多種因素，并且，還要去除其表面的氧化膜，以保證壓電陶瓷機敏模塊具有良好的電荷傳輸功能；對于信號線，待表面干燥后焊接導線，焊接點盡量保證足夠小，以保證表面所涂防水層足夠薄，焊接完成再用酒精清洗；考慮到壓電陶瓷片自身材質較脆，而外包混凝土又是一種復雜的多物相復合材料，若不作任何處理就將壓電陶瓷片直接埋入混凝土模塊中，在混凝土凝結過程中，混凝土體積會逐漸縮小而產生收縮應力，導致埋入其中的壓電陶瓷片上形成應力集中，損傷壓電陶瓷片，并且單組分硫化硅橡膠質地柔軟，防水性好，且能夠較好的避免壓電陶瓷片埋入混凝土中可能出現的應力集中現象,基于上述兩個方面的因素在壓電陶瓷片外圍覆蓋一層單組分硫化硅橡膠以達到保護埋入混凝土中的壓電陶瓷片的效果，具體見附圖3所示；應力、位移從壓電陶瓷片向外層混凝土傳遞過程中沿極化方向上呈圓形等勢面，故將壓電陶瓷機敏模塊的體型確定為圓柱形；壓電陶瓷機敏模塊放在水泥混凝土標準養護箱里養護28天后，壓電陶瓷機敏模塊中壓電陶瓷片外包混凝土達到一定強度后，即可用于后續水工混凝土結構的強度監測。