CN103852492A - 基于压电陶瓷的预应力管道压浆密实性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法，其包括步骤：在预应力管道外壁顶部粘结压电陶瓷传感器，在预应力管道外壁底部相应位置粘结压电陶瓷驱动器，在预应力管道外壁与驱动器或传感器之间均设有绝缘层；利用任意信号函数发生器产生激励信号，采用高压信号放大器将激励信号放大，利用放大的激励信号对压电陶瓷驱动器进行激励，使预应力管道内部产生应力波，应力波对压电陶瓷传感器作用产生电信号；利用高频信号采集***采集传感器产生的电信号，利用小波包能量分析方法来判断预应力管道压浆密实性。本发明方法能精确快速的找到压浆不密实的位置，反应灵敏、操作简便、成本低廉。

Description

基于压电陶瓷的预应力管道压浆密实性监测方法

技术领域

本发明涉及预应力混凝土结构监测领域，更具体涉及一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法。

背景技术

预应力混凝土结构孔道压浆效果对保证预应力的可靠性至关重要,浆体与预应力管道之间的粘结是否完好直接影响预应力混凝土桥梁的耐久性和安全性。但由于压浆工艺和某些人为因素，预应力管道压浆常不饱满，导致预应力钢筋没有完全被浆体包裹起来，而且预应力筋一旦锈蚀不能马上被发现，可能使氯化钠、水、空气大量进入管道内部，造成预应力筋锈蚀、断面锐减、断丝及内力损失严重等致命的质量问题，最终导致预应力失效，有效预应力不足，由此可导致预应力混凝土桥梁发生垮塌，造成极大经济损失。

目前对预应力管道压浆质量的监测方法主要有地质雷达法、冲击回波法和超声波法。而由于金属预应力管道和密集钢束屏蔽干扰及介电常数难以精确等问题限制了地质雷达法在预应力管道压浆密实性监测的应用；冲击回波法监测效率低且冲击回波扫描设备对被测面的表面光滑度和平整程度均有较高要求，在表面情况恶劣时容易出现信号丢失的测试点，造成对测试结果难以判断；而应用较广泛的超声波法同样存在不足之处，例如受混凝土强度等级、波纹管的类型、以及混凝土与传感器之间的耦合等多方面因素的影响产生很多干扰波，检测结果受人为因素影响比较大，对操作人员的技术水平有较高要求，检测位置须在可触及范围内等。因此需要提供一种反应灵敏、操作简便、成本低廉的对预应力管道压浆质量的监测方法。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是提供一种灵敏度高，快速准确的基于压电陶瓷和小波包分析的预应力管道压浆密实性监测方法。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法，所述的监测方法使用的一种基于压电陶瓷技术的监测***包括：压电陶瓷驱动器，压电陶瓷传感器，高频信号采集***，任意信号函数发生器，高压信号放大器，计算机分析***；所述的压电陶瓷传感器通过导线与高频信号采集***连接，该高频信号采集***连接计算机分析***，任意信号函数发生器经高压信号放大器与压电陶瓷驱动器连接；压电陶瓷传感器接收的信号经高频信号采集***传至计算机分析***，任意信号函数发生器产生的信号经高压信号放大器放大后激励压电陶瓷驱动器；所述的监测方法步骤包括：在预应力管道外壁顶部粘结压电陶瓷传感器，在预应力管道外壁底部相应位置粘结压电陶瓷驱动器，在预应力管道外壁与驱动器或传感器之间均设有绝缘层；利用任意信号函数发生器产生激励信号，采用高压信号放大器将激励信号放大，利用放大的激励信号对压电陶瓷驱动器进行激励，使预应力管道内部产生应力波，应力波对压电陶瓷传感器作用产生电信号；利用高频信号采集***采集传感器产生的电信号，利用小波包能量分析方法来判断预应力管道压浆密实性。

优选地，所述的压电陶瓷传感器为多个压电陶瓷片，在所述的多个压电陶瓷片上均涂有环氧树脂防水层。

优选地，所述的压电陶瓷驱动器为多个压电陶瓷片，在所述的多个压电陶瓷片上均涂有环氧树脂防水层。

优选地，所述的压电陶瓷片为翻边压电陶瓷片，其上下表面镀银，将下表面银电极引至上表面，两者之间设置一条无镀银的隔离带将上下表面的银极隔离开。

优选地，所述的在预应力管道外壁与驱动器或传感器之间的绝缘层为环氧树脂绝缘层。

（三）有益效果

本发明的基于压电陶瓷的监测方法为预应力管道压浆密实性的实时监测提供了新的途径。与现有技术相比，本发明可以实现快速检测、能精确的找到压浆不密实的位置，反应灵敏、操作简便、成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的监测***的结构图；

图2是本发明所述的监测***的框架示意图；

图3是本发明所述的基于波动法压电智能结构***示意图；

图4是本发明所述的监测***沿桥梁纵向布置示意图；

图5是本发明所述的翻边压电陶瓷片示意图；

图中：1预应力管道，2压电陶瓷传感器，3压电陶瓷驱动器，4预应力筋，5任意函数信号发生器，6高压信号放大器，7高频信号采集***；8混凝土，9预应力混凝土梁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明提出一种基于压电陶瓷和小波包分析的预应力管道压浆密实性监测方法，该监测方法可对预应力管道压浆密实性实施高灵敏度且快速准确的主动监测。

本发明的技术方案是一种基于压电陶瓷的预应力管道压浆密实性监测方法，它包括基于压电陶瓷传感器和驱动器的监测***的建立和预应力管道压浆密实性的监测和评定方法；

所述基于压电陶瓷的监测***，其建立步骤为：由于预应力管道压浆不密实情况通常出现在预应力管道内部的顶部位置，所以选择在预应力管道外壁的顶部位置粘贴多个作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，在其外壁底部位置粘贴多个作为压电陶瓷驱动器的压电陶瓷片，以此形成压电智能结构***。所述压电陶瓷片上均涂有一层环氧树脂防水层，且所有压电陶瓷片与所述预应力管道外壁之间均设有绝缘层；所述用作压电陶瓷传感器的压电陶瓷片分别通过导线与高频信号采集***连接，所述高频信号采集***接入计算机；所述用作驱动器的压电陶瓷片均与任意信号函数发生器连接。由任意函数信号发生器经高压信号放大器放大信号后激励压电陶瓷驱动器，其压电陶瓷传感器与高频信号采集***相连，压电陶瓷传感器接收的信号经高频信号采集***将数据传至计算机分析***；

当压电陶瓷驱动器与传感器之间的介质没有空洞或密实时，即压浆密实性良好，其计算机分析***所分析出的信号能量指标与压浆密实性良好处的信号能量指标基本保持一致。当压电陶瓷驱动器与传感器之间的介质存在空洞即压浆不密实时，其计算机分析***所分析出的信号能量指标小于压浆密实性良好处的信号能量指标。

本发明所述压电陶瓷片的安装方法具体步骤为：由于压电陶瓷片需要安装在预应力管道外壁上，在安装压电陶瓷片之前先要对管道外壁粘贴处进行打磨光滑处理，确保压电陶瓷能与预应力管道壁紧密结合；在打磨光滑后的预粘贴处均匀涂上薄薄一层环氧树脂绝缘层。由于压电陶瓷片上下表面为镀银的两电极，而PZT又需要粘贴在预应力管道外壁上不能直接在该面上焊接导线，为保证压电陶瓷片下表面与钢管壁平整结合，按照镀银方案的不同选取翻边压电陶瓷片。

所述翻边压电陶瓷片制作工艺为：工厂加工时将下表面银电极引至上表面，两者之间设置一条无镀银的隔离带将上下表面的银极隔离开，焊导线时只需分别在上表面的两电极上引出导线，这样导线可直接焊接在同一表面同时保证粘贴面的平整。

本发明所述基于小波包能量的分析：由于应力波在混凝土及预应力筋材两种不同介质中及预应力管道界面上传播这一过程比较复杂，当预应力管道压浆不密实出现空洞后更加复杂，所采集信号的幅值是信号能量的体现，作为驱动器的压电陶瓷片在电信号的作用下通过振动产生高频应力波，该应力波在混凝土内部传播时在损伤界面上将发生反射和折射等现象，导致通过相应位置上应力波信号的变化，从而表现出压电陶瓷传感器输出的电信号的变化，通过比较压电陶瓷传感器输出信号之间的差异来实现压浆密实性状况的识别。

本发明中采用小波包能量进行分析判断，以小波包分解后的小波包能量为变量，计算不同状态下应力波能量与健康状态下的应力波能量的RMSD值。均方根偏差（RMSD）是一种比较健康状态与损伤状态的信号之间差别的合适的损伤指标。

损伤指标定义为： $I=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{(E_{i,j}-E_{h,j})}^2}{\underset{j}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(E_{h,j}\right)}^2}}$

传感器信号被一个n级的小波包分解2ⁿ的信号组{X₁,X₂…X₂ ⁿ}。E_i,j是损伤状态下分解信号的能量，

表达式为 $E_{i,j}={\left|\right|X_j\left|\right|}_2^2={x^2}_{j,2}+{x^2}_{j,2}+...+{x^2}_{j,m},$

而X_j=[x_j,1,x_j,2…x_j,m]，其中i为时间指标，j为频带（j=1,2,…2ⁿ），m为采样数据个数；E_h,j是健康状态下的能量指标。

本发明中可选取预应力管道中压浆密实的压电陶瓷信号为健康状态下的信号。所测压浆密实性良好位置的E_h,j应与健康状态下所测的E_h,j相近，该区域的损伤指数I应近似于0；相反若监测区域存在压浆不密实的情况，其E_h,j肯定与健康状态下所测的E_h,j相差较大，则该区域的损伤指数I较大。压浆密实性越差，损伤指数则越趋向于1。

基于压浆密实性较差的压电陶瓷传感器测到的信号能量指标和压电陶瓷传感器在压浆密实度良好位置上测得的信号能量指标，可以得出每一个压电陶瓷输出的损伤指标，进而得出各个压电陶瓷传感器所在位置的预应力管道压浆密实性状况。

本发明检测***的建立具体分为以下几个步骤：

1、预应力管道的外壁顶部粘贴多个压电陶瓷片作为传感器，预应力管道外壁底部相应的位置粘贴多个压电陶瓷片作为驱动器。所述压电陶瓷片均为翻边压电陶瓷片。

2、利用任意函数发生器对压电陶瓷驱动器进行激励，采用高压放大器将激励信号放大，使预应力管道内部产生应力波，通过应力波对压电陶瓷传感器作用，进而产生电信号。

3、利用高频数据采集***采集各个传感器的电压信号。

本发明所涉及的技术原理；用任意函数发生器激励位于底部的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器受到激励后产生贯穿预应力管道的应力波。粘贴在预应力管道顶部的压电陶瓷传感器受到应力波后产生电荷。高频信号采集***收集传感器上的电压信号，利用小波包能量方法分析该信号，以此来判断预应力管道压浆密实性状况。

基于压电陶瓷的监测方法为预应力管道压浆密实性的实时监测提供了新的途径。压电陶瓷材料具有压电效应，利用它的压电效应可将其制作成为传感器和驱动器实现对预应力管道压浆密实性的实施快速有效且精准的主动监测。

实施例：

如图4所示，在一个预应力波纹管外侧顶部和底部粘贴压电陶瓷片，分别作为传感器和驱动器，在所述压电陶瓷片上均涂有一层双酚A型环氧树脂防水层。

所述压电陶瓷片的粘贴位置预先涂有绝缘层，所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层。

本实例中监测方法的具体操作步骤为：

a、如图4所示，在内径d为60mm，外径D为73mm，壁厚标称值为2.5mm的圆形预应力波纹管内张拉7根公称直径15.2mm的预应力钢绞线，压浆，自然养护，封锚后浇筑C40的混凝土。制作长和宽为300×300mm混凝土用作梁体试件。试件长度依试验需要确定。

b、选择在波纹管中间位置，弯曲位置及封锚位置作为测试段，测试段的个数依试验要求选定。在各测试区域波纹管外壁的顶部和底部分别粘贴压电陶瓷传感器和驱动器，每组选择在对应的位置一组为压电陶瓷传感器5片，压电陶瓷驱动器2片。

c、对压电陶瓷片进行编号。将传感器与驱动器分别编号，并从左至右依次编号。每个测试区域的监测***传感器个数为两片，一个为试验时用，另一个为在浇筑混凝土梁体试件过程中破坏压电陶瓷传感器时备用。编号时对备用传感器另行编号。

d、由任意函数信号发生器5的信号频率为500Hz-10KHz的信号激励压电陶瓷驱动器3，如图1所示，利用高频数据采集***采集并记录各个压电陶瓷传感器2的信号。选择一个压浆密实的位置的压电陶瓷传感器2的信号为压浆密实性良好的信号参考。

e、利用下式计算各个压电陶瓷传感器2的损伤指标，比较各个压电陶瓷传感器2所得的损伤指标大小从而得出预应力管道某一监测区域的压浆密实性状况，

$I=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{(E_{i,j}-E_{h,j})}^2}{\underset{j}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(E_{h,j}\right)}^2}}$

式中E_i,j是损伤状态下分解信号的能量指标，E_h,j是健康状态下的能量指标。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法，其特征在于，所述的监测方法使用的基于压电陶瓷技术的监测***包括：压电陶瓷驱动器，压电陶瓷传感器，高频信号采集***，任意信号函数发生器，高压信号放大器，计算机分析***；所述的压电陶瓷传感器通过导线与高频信号采集***连接，该高频信号采集***连接计算机分析***，任意信号函数发生器经高压信号放大器与压电陶瓷驱动器连接；压电陶瓷传感器接收的信号经高频信号采集***传至计算机分析***，任意信号函数发生器产生的信号经高压信号放大器放大后激励压电陶瓷驱动器；所述的监测方法包括步骤：在预应力管道外壁顶部粘结压电陶瓷传感器，在预应力管道外壁底部相应位置粘结压电陶瓷驱动器，在预应力管道外壁与驱动器或传感器之间均设有绝缘层；利用任意信号函数发生器产生激励信号，采用高压信号放大器将激励信号放大，利用放大的激励信号对压电陶瓷驱动器进行激励，使预应力管道内部产生应力波，应力波对压电陶瓷传感器作用产生电信号；利用高频信号采集***采集传感器产生的电信号，利用小波包能量分析方法来判断预应力管道压浆密实性。

2.根据权利要求1的一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法，其特征在于，所述的压电陶瓷传感器为多个压电陶瓷片，在所述的多个压电陶瓷片上均涂有一层环氧树脂防水层。

3.根据权利要求1的一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法，其特征在于，所述的压电陶瓷驱动器为多个压电陶瓷片，在所述的多个压电陶瓷片上均涂有一层环氧树脂防水层。

4.根据权利要求2或3的一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法，其特征在于，所述的压电陶瓷片为翻边压电陶瓷片，其上下表面镀银，将下表面银电极引至上表面，两者之间设置一条无镀银的隔离带将上下表面的银极隔离开。

5.根据权利要求1一种基于压电陶瓷技术的预应力管道压浆密实性的监测方法，其特征在于，所述的在预应力管道外壁与驱动器或传感器之间的绝缘层为环氧树脂绝缘层。

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