CN101216443B - 一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料 - Google Patents

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一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料，涉及一种结构健康监测元件，该智能骨料包括PZT片、硅胶防水层、屏蔽导线、屏蔽接头、细石混凝土或砂浆外包层；智能骨料的外部为细石混凝土或砂浆外包层，PZT片位于智能骨料的内部，其上涂有硅胶防水层，PZT片与屏蔽导线的一端相连接，屏蔽导线的另一端与屏蔽接头相连接，屏蔽接头与信号发射及采集***相连接。本发明为混凝土结构健康监测的主要元件，具有灵敏度高、体积小、重量轻、强度大、不影响结构整体受力性能的特点。

Description

一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料
技术领域
本发明涉及一种土木工程结构健康监测元件，特别是涉及一种用于对混凝土结构进行健康监测的压电智能骨料。
背景技术
混凝土结构一般使用年限长，并且一旦建造很难替换。但任何混凝土结构的性能都会随时间劣化，这主要由于材料本身老化、过度使用、超载、环境侵蚀、缺乏维护和检测手段难以满足要求等因素造成的。混凝土结构健康检测***能够及时地诊断缺陷(裂纹、锈蚀等)的位置和程度，使结构得到及时的修复和加固，以确保结构的完整性和可靠性。目前，有很多的结构损伤检测方法用到各种混凝土结构和它们的构件中，如经典的静态应变(或位移)测试和振动识别方法；非破坏性检测方法，如声发射技术、超声法、红外热像法、脉冲雷达法和X射线等。但多数方法都是定性的，而且在进行结构损伤检测的时候要使用沉重的设备，有时候还需要中断正常的生产活动。这些方法也最终难以实现结构健康状态的实时监测。
然而，智能材料的出现(如压电材料、光纤传感器、磁致伸缩材料和水泥基智能复合材料等)为混凝土结构长期的、实时的健康监测提供了新的方法。
以压电陶瓷(学名锆钛酸铅，简称PZT)为代表的压电智能材料具有一项实用性很强的特殊功能，即压电效应，包括正压电效应和逆压电效应。当对压电原件施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，且电荷密度与外力成正比例，这种现象称为正压电效应。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力。利用压电材料的正压电效应，可将其制成传感器(信号接收器)；反之，在压电元件上下表面上施加电压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，即逆压电效应。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转化为机械能的能力。利用压电材料的逆压电效应，可将其制成做动器(信号发生器)。利用PZT的压电效应制成传感器和作动器并与结构相互作用，可以实现对结构的健康监测。
由于外界环境如温度、湿度等对压电材料的影响较大，将PZT埋入到结构当中去可以排除外界对其的影响，大大延长其使用寿命。但是PZT材料质地较脆，如果直接将其埋入结构中，主体结构的施工过程极易造成其损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于对混凝土结构进行健康监测的压电智能骨料。该压电智能骨料包括PZT片、硅胶防水层、屏蔽导线、屏蔽接头、细石混凝土或砂浆外包层。本发明为混凝土结构健康监测的主要元件，具有灵敏度高、体积小、重量轻、强度大、不影响结构整体受力性能的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料，该智能骨料包括PZT片、硅胶防水层、屏蔽导线、屏蔽接头、细石混凝土或砂浆外包层；智能骨料的外部为细石混凝土或砂浆外包层，PZT片位于智能骨料的内部，其上涂有硅胶防水层，PZT片与屏蔽导线的一端相连接，屏蔽导线的另一端与屏蔽接头相连接，屏蔽接头与信号发射及采集***相连接。
如上所述的一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料，该压电智能骨料为圆柱形，其体积为8～15cm3。
如上所述的一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料，该压电智能骨料的制作方法为：先将PZT片与屏蔽导线的一端焊接在一起，再将焊接屏蔽导线后的PZT片表面均匀涂抹一层硅胶作为防水层；待硅胶风干后，将PZT片放入在填装有部分细石混凝土或砂浆的钢模中，然后在其上面继续添加细石混凝土或砂浆，待细石混凝土或者砂浆振捣密实后，将其放入养护室内养护28天，待骨料达到一定强度后脱模即为压电智能骨料。
本发明的优点与效果是：
1.本发明的砂浆块或细石混凝土块可以起到保护PZT片的作用，避免其PZT片在结构施工过程中受到破坏；同时，可有效减小外界环境如温度、湿度的改变对其检测造成影响。
2.本发明的体积小、重量轻，且具有一定的强度，将其埋入混凝土结构当中不会影响结构的整体受力性能，还可以起到与普通骨料相同的作用。
3.本发明采用屏蔽导线与PZT片连接，有助于PZT片抵抗噪声的干扰。
4.本发明可以作为传感器和作动器使用，在结构健康监测中不必再使用其它结构驱动装置，且能耗小，可节约资金。
附图说明
图1为正压电效应原理示意图；
图2为逆压电效应原理示意图；
图3为本发明压电智能骨料的纵向剖面示意图；
图4为本发明对混凝土结构进行健康监测的原理示意图；
图5为本发明对混凝土结构进行健康监测的检测信号图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行详细说明。
如图所示，图1表示正压电效应过程，当对压电原件施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，且电荷密度与外力成正比例，这种现象称为正压电效应。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力。利用压电材料的正压电效应，可将其制成传感器(信号接收器)；图2表示逆压电效应过程，在压电元件上下表面上施加电压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，即逆压电效应。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转化为机械能的能力。利用压电材料的逆压电效应，可将其制成作动器(信号发生器)。
压电材料的正、逆压电效应均可以用压电方程来描述。通常情况下，根据埋置有PZT片的结构或构件振动时的边界条件，选用e型压电方程。在不考虑温度应力和热位移的情况下，e型压电方程可以用方程组(1)表示
T＝cES-eE(1)
D＝etS+eE
式中，T、D、S及E分别为应力、电位移、应变及电场强度向量，cE为短路状态下弹性刚度矩阵，e为机械夹持时的介电常数矩阵，e和et分别为压电应力常数矩阵及其转置矩阵。
图3为本发明结构组成的纵向剖面示意图。该压电智能骨料包括PZT片1、硅胶防水层2、屏蔽导线3、屏蔽接头4、细石混凝土或砂浆外包层5；本发明的压电智能骨料呈圆柱形，骨料外部为细石混凝土或砂浆外包层5，PZT片1位于骨料内部，其上涂有硅胶防水层2，PZT片与屏蔽导线3的一端相连接，屏蔽导线3的另一端与屏蔽接头4相连接，屏蔽接头4与信号发射及采集***相连接。采用屏蔽导线及屏蔽接头可以抵抗噪声的干扰。
本发明的制作过程共分七步。第一步：将PZT片1与屏蔽导线3的一端焊接，屏蔽导线的另一端与屏蔽接头4焊接。然后在PZT片表面涂抹硅胶作为防水层，并将硅胶防水层2在自然状态下风干24小时；第二步：准备好制作本发明的工具，包括骨料成型钢模，木底座等；第三步：在钢模底部包裹一层塑料薄膜，然后将其固定于木支座内；第四步：搅拌细石混凝土或砂浆，当被监测体结构的混凝土强度等级较低时，可采用砂浆作为主料。反之，当主体结构的混凝土强度较高时，可采用细石混凝土作为主料；第五步：为方便脱模，在成型钢模内均匀涂抹一层机油作为脱模剂；第六步：向钢模内添加少量细石混凝土或者砂浆，振捣密实后将PZT片平放入其内。再继续向钢模内添加细石混凝土或者砂浆，用小铁棒沿钢模四周轻轻敲打，待细石混凝土或者砂浆振捣密实后即可；第七步：将骨料放入养护室内养护28天，骨料达到一定强度后脱模即可使用。
如图4、5所示，在混凝土结构内部埋置本发明的压电智能骨料，其中一端作为信号发射器，另一端作为信号接收器。结构在荷载作用下，损伤程度不断的增加。在发射信号幅值不变的情况下，由于损伤程度加重，本发明的压电智能骨料接收信号的幅值不断减小，从而实现对混凝土结构健康状况的有效监测。

Claims (3)

1.一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料，其特征在于，该智能骨料包括PZT片(1)、硅胶防水层(2)、屏蔽导线(3)、屏蔽接头(4)以及细石混凝土或砂浆外包层(5)；智能骨料的外部为细石混凝土或砂浆外包层(5)，PZT片(1)位于智能骨料的内部，其上涂有硅胶防水层(2)，PZT片(1)与屏蔽导线(3)的一端相连接，屏蔽导线(3)的另一端与屏蔽接头(4)相连接，屏蔽接头(4)与信号发射及采集***相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料，其特征在于，该压电智能骨料为圆柱形，其体积为8～15cm3。
3.根据权利要求1所述的一种用于土木工程结构健康监测的压电智能骨料，其特征在于，该压电智能骨料的制作方法为：先将PZT片与屏蔽导线的一端焊接在一起，再将焊接屏蔽导线后的PZT片表面均匀涂抹一层硅胶作为防水层；待硅胶风干后，将PZT片放入在填装有部分细石混凝土或砂浆的钢模中，然后在其上面继续添加细石混凝土或砂浆，待细石混凝土或者砂浆振捣密实后，将其放入养护室内养护28天，待骨料达到一定强度后脱模即为压电智能骨料。
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