[發明專利]基于壓電阻抗原理的覆冰監測裝置及方法

在審

• 申請號: 201811267970.2
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109211980A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 周文松;李惠;張鑫
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N27/02
• 分類號: G01N27/02;G01B7/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 宋詩非

基于壓電阻抗原理的覆冰監測裝置及方法，涉及結構監測和無損檢測的研究領域。本發明是為了解決現有覆冰監測方法具有局限性的問題。本發明本發明提出基于壓電阻抗原理的覆冰監測裝置及方法，將輕薄型壓電傳感器粘貼于被測結構表面，通過測量得到壓電傳感器的電阻抗曲線，分析電阻抗曲線的變化特征，實現對結構物表面覆冰的開始時間和覆冰量的精確在線測量。

技術領域

本發明屬于結構監測和無損檢測的研究領域，尤其涉及固體表面覆冰的檢測與監測。

背景技術

在冰凍氣象條件下，工程結構表面會產生結冰現象。各種工程結構表面覆冰可能導致嚴重危害，如輸電線路覆冰輕則引起線路閃絡和跳閘，嚴重時會造成斷線、倒塔等事故；公路路面覆冰會影響行車安全，給人民的生命財產安全帶來嚴重威脅；斜拉橋上的斜拉索覆冰會改變斜拉索截面形狀，形成不穩定的氣動外形，引發各種類型風致振動，嚴重影響斜拉索及橋梁結構本身的安全，斜拉索覆冰墜落對橋上路人和行車安全也造成極大威脅和傷害；風力發電機葉片覆冰會導致其疲勞荷載增加，影響葉片結構壽命，改變葉片氣動外形，影響發電效率等。覆冰現象與特定的氣象條件有關，往往在短時間內發生且發展很快，精確的覆冰開始時間和覆冰量估計是采用除冰方法解決覆冰問題的關鍵。在覆冰早期，少量覆冰時除冰效果最好。

覆冰監測方法通常分為間接法和直接法兩種。前者通過間接信息判斷是否覆冰，如根據氣象條件，包括溫度、濕度、降水、風速等信息預測覆冰情況；又如覆冰導致的結構質量變化從而導致結構振動特性發生改變，使用加速度傳感器測量結構振動分析振動頻率來判斷覆冰量等；間接法很難給出精確的覆冰開始時間和覆冰量。直接法由覆冰導致的一些物理特征的變化來衡量，例如力學特性、光的反射特性、導電導熱特性變化等來判斷覆冰。具體方法常見有：超聲法，用于測量冰厚，但需要將超聲傳感器放置于待測結構內部。光反射法，利用光纖接收到的反射強度對透明冰的厚度進行估計。光學非接觸法，用激光束射至覆冰表面，通過測量折射光的范圍對覆冰特征進行估計。電阻或電容法，兩個圓柱形探針之間的電容和電阻變化來估計結冰量，當結冰發生時，電容增加而電阻降低。上述各種方法均有其特殊的適用范圍和使用不足之處，如超聲法很難用于斜拉索表面覆冰監測。光發射法在長期使用時易受灰塵影響。光學非接觸法依賴于大體積設備，且一般用于遠程臨時測量。電阻或電容法傳感器結構稍復雜等。

發明內容

本發明是為了解決現有覆冰監測方法具有局限性的問題，現提供基于壓電阻抗原理的覆冰監測裝置及方法。

基于壓電阻抗原理的覆冰監測裝置，包括：壓電傳感器和阻抗分析儀，

壓電傳感器的采集端固定在結構體表面、并與結構體構成機電耦合系統，壓電傳感器用于采集電阻抗信號，壓電傳感器的電阻抗信號輸出端連接阻抗分析儀的電阻抗信號輸入端，阻抗分析儀用于將獲得的電阻抗信號繪制成電阻抗曲線。

上述裝置還包括顯示設備，顯示設備用于將阻抗分析儀繪制的電阻抗曲線顯示出來。

基于壓電阻抗原理的覆冰監測方法，包括以下步驟：

構造機電耦合系統步驟：將壓電傳感器的采集端固定在結構體表面，使壓電傳感器與結構體構成機電耦合系統；

繪制參考曲線步驟：使結構體表面結冰獲得不同的結冰厚度集，利用壓電傳感器采集電阻抗信號，根據電阻抗信號繪制電阻抗曲線，將該電阻抗曲線作為不同厚度下的參考曲線；

繪制監測曲線步驟：在結構體表面實際結冰過程中，利用壓電傳感器實時采集電阻抗信號，每N個電阻抗信號繪制成一條電阻抗曲線，并將該電阻抗曲線作為該工況下的監測曲線；

覆冰監測步驟：將監測曲線分別與不同厚度下的參考曲線進行對比，找出監測曲線最接近的參考曲線，則結構體表面實際結冰厚度最接近該參考曲線所對應的結冰厚度越接近，其中N為正整數。

上述方法所述的覆冰監測步驟中還包括：

根據下式獲得當前工況下的相對均方根偏差R：