CN116482218A - 混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，包括可植入式自发自收传感模块的设计制作过程和基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法。本发明的可植入式的集成传感模块提供另一种新型的传感器与结构之间的耦合方式，可以保证传感器在结构服役期间长期稳定的工作，使用时便于管理，损坏时易于更换；自发自收的传感模块，内嵌的压电传感阵列可以在结构中安装较少的传感模块，又可以充分捕捉结构的损伤信息，减少安装时的工作量，而且可以更加精确的对结构中的损伤进行定位成像，对结构的状态进行评估。
Description
技术领域
本发明属于工程结构损伤检测与监测领域。
背景技术
钢筋混凝土结构在其服役期间由于环境的长期作用和外部载荷的作用，会给结构带来损伤而影响结构的性能。对结构的损伤进行探测和评估是一项较为困难但亟需解决的任务。
基于应力波传播的损伤检测方法可以通过信号处理方法获取由于损伤引发的散射信号，对散射信号进行分析，进而得到损伤的位置和条件等信息来评估结构的状态，可以通过改变信号的频率来改变探测信号的波长以实现对不同尺寸的损伤进行检测。在钢筋混凝土结构中基于应力波的传播检测方法需要寻找一种适当的传感器与结构之间的耦合方式以满足传感器可以长期稳定的工作来监测结构的状态条件，同时传感器在使用的过程还应当便于管理和维护更新。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法。
技术方案如下：
混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，包括：
步骤1可植入式自发自收传感模块的设计制作过程；
步骤2基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法。
所述步骤1中可植入式自发自收传感模块的设计制作过程，包括以下步骤：
步骤1.1：将选定好的柱状压电陶瓷传感器11采用环氧树脂封装，然后与导线屏蔽管14相连，两个柱状压电陶瓷传感器沿高度方向放置，中间添加一层屏蔽层13；
步骤1.2：柱状压电陶瓷传感11的正负极用导线相连，然后穿过导线屏蔽管14，与多孔航空插头15相连；利用高强低收缩的灌浆料16封装为传感模块1；
步骤1.3：浇筑时将多孔航空插头固定在模块界面的正上方，模块制作完成之后，通过航空插头与外部的设备相连，来控制传感器驱动和接收应力波信号。
所述步骤2中损伤定位成像方法，其过程包括以下步骤：
步骤2.1：根据待测结构2的实际情况布置传感模块1，然后将传感模块1通过多孔航空插头15与外部设备依次连接，使用设备包括：多通道信号发生器与采集器3，信号放大器4，信号显示器5与电脑6；
步骤2.2：首先利用触发指令发出激励信号，通过波形显示器检查信号是否正常，若是信号发生畸变，应重新检查线路连接，重新调试使用设备；
步骤2.3：待使用设备正常工作后，首先采集获取各条路径的基准信号yh i(t)，其中，i＝1,2,…,N，N表示传感路径数量，所述基准信号指的是在无损伤状态的信号；然后在结构损伤状态下获取各条路径的损伤信号yd i(t)；
步骤2.4：在检测区域中，当传感器配置满足近场条件时，以可植入式传感模块的中心为原点建立极坐标系，S2.1～S2.4表示模块中传感单元的位置，其中S2.1作为驱动，S2.1坐标位置为L0(R0,θ0))，S2.2～S2.4作为接收，假设损伤位置的坐标为L(R,θ)，激励信号采用汉宁窗调制的五峰波，用y0表示，其中心频率用f0表示，则在基准状态下的信号表示为：
其中，Y0(ω)表示激励信号y0的傅里叶变换表达式，j表示虚数单位，f表示频率；ri表示激励传感器与接收传感器之间的距离，yD i(t)表示直达波信号，yB i(t)表示边界反射信号，v表示波的传播速度；在损伤状态时，损伤视为二次波源，其信号表示为：
其中，yS i(t)表示损伤散射信号，R0表示激励传感器与损伤之间的距离，Ri表示接收传感器与损伤之间的距离；
利用基线相减的方法，损伤散射信号表示为：
其中，(4)式改写为：
其中，R表示在可植入传感模块中选取的参考传感器与损伤之间的距离，n表示可植入传感模块中传感器阵元的个数；
由(5)式看出在近场条件时，转向矢量表示为：
将信号的协方差矩阵构造为：
Cnear-field＝E[YS(t)YR(t)H] (7)
其中，YS(t)＝[h{yS 1(t)},h{yS 2(t)},…,h{yS N(t)}]T,YR(t)＝[h{yR 1(t)},h{yR 2(t)},…,h{yR N(t)}]T,h{·}表示希尔伯特变换；信号yR i(t)＝yS i(t)+ni(t)，ni(t)表示噪声信号，上标H表示复共轭转置；
通过特征值分解方法对信号的协方差矩阵进行分解：
其中，U＝[μ1,μ2,…,μN]，∑表示对角矩阵，其对角线上的值按特征值的大小降序排列；US＝[μ1]，表示由最大特征值对应的特征向量构成的信号子空间，UN＝[μ2,…,μN]，表示由剩余(N-1)个特征值对应的特征向量构成的噪声子空间；
根据信号子空间和噪声子空间的正交性，即A(R,θ)H UN＝0，其中，A(R,θ)表示转向矢量的矩阵表达为：A(R,θ)＝[anear-field 1(R,θ),anear-field 2(R,θ),…,anear-field N(R,θ)]T，则二维空间谱函数Pnear-field MUSIC(R,θ)的表达式构造为：
通过改变参数R和θ的值，对检测或监测区域的每个位置进行搜索，绘出空间谱图像，对结构中的损伤进行成像。
进一步地，传感器模块包括八个传感器单元，驱动信号由一个传感单元发出，应力波在待测结构上传播，其他七个传感单元接收信号，捕捉结构的损伤信息。
进一步地，为了传感器阵列能够获取足够的损伤信息，柱状压电陶瓷传感器的数量大于四对。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、可植入式的集成传感模块提供另一种新型的传感器与结构之间的耦合方式，可以保证传感器在结构服役期间长期稳定的工作，使用时便于管理，损坏时易于更换；
2、自发自收的传感模块，内嵌的压电传感阵列可以在结构中安装较少的传感模块，又可以充分捕捉结构的损伤信息，减少安装时的工作量；
3、自发自收传感模块捕捉到的阵列应力波信号包含丰富的结构状态信息，通过空间谱函数可以更加精确的对结构中的损伤进行定位成像，对结构的状态进行评估。
附图说明
图1为柱状压电陶瓷细部构造；
图2为本发明实施例可植入式传感模块的内部构造组成；
图3为本发明实施例制作完成的传感模块；
图4为可植入式传感模块的装配过程；
图5为可植入式传感模块检测示意图；
图6为可植入式传感模块应力波传播机制；
图7为基于可植入式传感模块损伤成像方法。
其中，
传感模块1，柱状压电陶瓷传感器11，传感器阵列12，屏蔽层13，导线屏蔽管14，多孔航空插头15，灌浆料16，
待检测结构2，
多通道信号发生器与采集器3，
信号放大器4，
信号显示器5，
电脑6。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明通过将柱状压电陶瓷传感器组成的阵列用高强低收缩性的灌浆料封装在模块中，将模块植入到待测结构中，通过模块的阵列形式实现自发自收来获取结构的应力波传播信号，实现对结构的损伤进行定位成像和评估。
作为实施例，可植入式传感模块的几何尺寸可以根据待测结构的尺寸进行调整，为了保证检测的精度，柱状压电陶瓷传感器阵列的数目建议不宜小于四对，共八个传感器单元，即八个柱状压电陶瓷传感器，每对由两个传感器单元通过屏蔽层间隔；每个传感器单元既可以作为驱动器也可以作为传感器。
八个传感器单元(柱状压电陶瓷传感器)组合成自发自收传感模块。
可植入式自发自收传感模块安装便利，在损坏时易于更换，不仅方便使用时的统一管理延长传感器的使用年限，而且自发自收的模块可以在检测结构中减少模块的安装数量，同时又可以有效的捕捉到结构的损伤信息，对结构的状态条件进行评估，对损伤进行定位成像，提高检测效率，可以应用到结构的损伤检测与状态监测领域中。
一种基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式自发自收传感模块设计与损伤测试方法，包括：
步骤1可植入式自发自收传感模块的设计制作过程；
步骤2基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法。
详述如下：
步骤1中，可植入式自发自收传感模块的设计制作过程，主要包括以下步骤：
步骤1.1：根据待检测结构2的尺寸大小确定合适的可植入式传感模块1的大小，其直径为D，高度为H；然后确定柱状压电陶瓷传感器11的尺寸大小，其内径为Di，外径为Do，高度为Hc，如图1所示；为了保证检测时的精度，传感器阵列能够获取足够的损伤信息，柱状压电陶瓷传感器的数量不宜少于四对；如图2所示，将选定好的柱状压电陶瓷传感器采用环氧树脂封装，然后与导线屏蔽管相连，这样可以防止传感器在模块浇筑的过程中受到损害，还可以起到防水绝缘的作用，同时导线屏蔽管可以起到固定传感器的作用，两个柱状压电陶瓷传感器11沿高度方向放置，中间添加一层屏蔽层13，以减少在使用过程中由于直达波过大造成的干扰，多个柱状压电陶瓷传感器11形成传感器阵列12；
步骤1.2：柱状压电陶瓷传感器的正负极用导线相连，然后穿过导线屏蔽管14，与多孔航空插头15相连；使用高强低收缩性能的灌浆料16作为传感模块的封装材料，既可以在传感器阵列使用时起到保护作用，又可以为应力波的传播过程提供媒介，保证传感模块的正常工作；
步骤1.3：如图3所示，浇筑时将多孔航空插头15固定在模块界面的正上方，这样模块制作完成之后，通过多孔航空插头与外部的设备相连，来控制整个模块传感器驱动和接收应力波信号。
步骤2中，基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法，其过程包括以下步骤：
步骤2.1：图4所示，根据待测结构的实际情况钻取孔位布置传感模块，然后将传感模块通过多孔航空插头与外部设备依次连接，使用设备包括：多通道信号发生器与采集器3，信号放大器4，信号显示器5与电脑6，如图5所示；基于可植入式传感器模块(即八个传感器单元)的应力波传播机制如图6所示，驱动信号由一个传感单元发出，应力波在待测结构上传播，其他七个传感单元接收信号，捕捉结构的损伤信息；
步骤2.2：在检测时首先利用触发指令发出激励信号，通过波形显示器检查信号是否正常，若是信号发生畸变，应重新检查线路连接，重新调试使用设备后继续测试；
步骤2.3：待使用设备正常工作后，首先采集获取各条路径的基准信号(在无损伤状态下)yh i(t)(i＝1,2,…,N,N表示传感路径数量)，然后在结构损伤状态下获取各条路径的损伤信号yd i(t)；
步骤2.4：如图7所示，在检测区域中，当传感器配置满足近场条件时，以可植入式传感模块的中心为原点建立极坐标系，S2.1～S2.4表示模块中传感单元的位置，其中S2.1作为驱动(坐标位置为L0(R0,θ0))，其余作为接收，假设损伤位置的坐标为L(R,θ)，激励信号采用汉宁窗调制的五峰波，用y0表示，其中心频率用f0表示，则在基准状态下的信号可以表示为：
其中，Y0(ω)表示激励信号y0的傅里叶变换表达式，j表示虚数单位，f表示频率；ri表示激励传感器与接收传感器之间的距离，yD i(t)表示直达波信号，yB i(t)表示边界反射信号，v表示波的传播速度。在损伤状态时，损伤可以视为二次波源，其信号可以表示为：
其中，yS i(t)表示损伤散射信号，R0表示激励传感器与损伤之间的距离，Ri表示接收传感器与损伤之间的距离。利用基线相减的方法，损伤散射信号可以表示为：
其中，(4)式可以改写为：
其中，R表示在可植入传感模块中选取的参考传感器与损伤之间的距离，n表示可植入传感模块中传感器阵元的个数。由(5)式可以看出在近场条件时，转向矢量可以表示为：
将信号的协方差矩阵构造为：
Cnear-field＝E[YS(t)YR(t)H] (7)
其中，YS(t)＝[h{yS 1(t)},h{yS 2(t)},…,h{yS N(t)}]T,YR(t)＝[h{yR 1(t)},h{yR 2(t)},…,h{yR N(t)}]T,h{·}表示希尔伯特变换；信号yR i(t)＝yS i(t)+ni(t)，ni(t)表示噪声信号。上标H表示复共轭转置。
通过特征值分解方法对信号的协方差矩阵进行分解：
其中，U＝[μ1,μ2,…,μN]，∑表示对角矩阵，其对角线上的值按特征值的大小降序排列；US＝[μ1]，表示由最大特征值对应的特征向量构成的信号子空间，UN＝[μ2,…,μN]，表示由剩余(N-1)个特征值对应的特征向量构成的噪声子空间。根据信号子空间和噪声子空间的正交性，即A(R,θ)H UN＝0，其中，A(R,θ)表示转向矢量的矩阵表达为：A(R,θ)＝[anear -field 1(R,θ),anear-field 2(R,θ),…,anear-field N(R,θ)]T，则二维空间谱函数Pnear-field MUSIC(R,θ)的表达式可以构造为：
通过改变参数R和θ的值，对检测或监测区域的每个位置进行搜索，绘出空间谱图像，对结构中的损伤进行成像。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (5)
1.混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，包括：
步骤1可植入式自发自收传感模块的设计制作过程；
步骤2基于柱状压电陶瓷阵列的可植入式传感模块的损伤定位成像方法。
2.如权利要求1所述的混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，所述步骤1中可植入式自发自收传感模块的设计制作过程，包括以下步骤：
步骤1.1：将选定好的柱状压电陶瓷传感器(11)采用环氧树脂封装，然后与导线屏蔽管(14)相连，两个柱状压电陶瓷传感器沿高度方向放置，中间添加一层屏蔽层(13)；
步骤1.2：柱状压电陶瓷传感(11)的正负极用导线相连，然后穿过导线屏蔽管(14)，与多孔航空插头(15)相连；利用高强低收缩的灌浆料(16)封装为传感模块(1)；
步骤1.3：浇筑时将多孔航空插头固定在模块界面的正上方，模块制作完成之后，通过航空插头与外部的设备相连，来控制传感器驱动和接收应力波信号。
3.如权利要求1所述的混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，所述步骤2中损伤定位成像方法，其过程包括以下步骤：
步骤2.1：根据待测结构(2)的实际情况布置传感模块(1)，然后将传感模块(1)通过多孔航空插头(15)与外部设备依次连接，使用设备包括：多通道信号发生器与采集器(3)，信号放大器(4)，信号显示器(5)与电脑(6)；
步骤2.2：首先利用触发指令发出激励信号，通过波形显示器检查信号是否正常，若是信号发生畸变，应重新检查线路连接，重新调试使用设备；
步骤2.3：待使用设备正常工作后，首先采集获取各条路径的基准信号yh i(t)，其中，i＝1,2,…,N，N表示传感路径数量，所述基准信号指的是在无损伤状态的信号；然后在结构损伤状态下获取各条路径的损伤信号yd i(t)；
步骤2.4：在检测区域中，当传感器配置满足近场条件时，以可植入式传感模块的中心为原点建立极坐标系，S2.1～S2.4表示模块中传感单元的位置，其中S2.1作为驱动，S2.1坐标位置为L0(R0,θ0))，S2.2～S2.4作为接收，假设损伤位置的坐标为L(R,θ)，激励信号采用汉宁窗调制的五峰波，用y0表示，其中心频率用f0表示，则在基准状态下的信号表示为：
其中，Y0(ω)表示激励信号y0的傅里叶变换表达式，j表示虚数单位，f表示频率；ri表示激励传感器与接收传感器之间的距离，yD i(t)表示直达波信号，yB i(t)表示边界反射信号，v表示波的传播速度；在损伤状态时，损伤视为二次波源，其信号表示为：
其中，yS i(t)表示损伤散射信号，R0表示激励传感器与损伤之间的距离，Ri表示接收传感器与损伤之间的距离；
利用基线相减的方法，损伤散射信号表示为：
其中，(4)式改写为：
其中，R表示在可植入传感模块中选取的参考传感器与损伤之间的距离，n表示可植入传感模块中传感器阵元的个数；
由(5)式看出在近场条件时，转向矢量表示为：
将信号的协方差矩阵构造为：
Cnear-field＝E[YS(t)YR(t)H] (7)
其中，YS(t)＝[h{yS 1(t)},h{yS 2(t)},…,h{yS N(t)}]T,YR(t)＝[h{yR 1(t)},h{yR 2(t)},…,h{yR N(t)}]T,h{·}表示希尔伯特变换；信号yR i(t)＝yS i(t)+ni(t)，ni(t)表示噪声信号，上标H表示复共轭转置；
通过特征值分解方法对信号的协方差矩阵进行分解：
其中，U＝[μ1,μ2,…,μN]，∑表示对角矩阵，其对角线上的值按特征值的大小降序排列；US＝[μ1]，表示由最大特征值对应的特征向量构成的信号子空间，UN＝[μ2,…,μN]，表示由剩余(N-1)个特征值对应的特征向量构成的噪声子空间；
根据信号子空间和噪声子空间的正交性，即A(R,θ)HUN＝0，其中，A(R,θ)表示转向矢量的矩阵表达为：A(R,θ)＝[anear-field 1(R,θ),anear-field 2(R,θ),…,anear-field N(R,θ)]T，则二维空间谱函数Pnear-field MUSIC(R,θ)的表达式构造为：
通过改变参数R和θ的值，对检测或监测区域的每个位置进行搜索，绘出空间谱图像，对结构中的损伤进行成像。
4.如权利要求3所述的混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，传感器模块包括八个传感器单元，驱动信号由一个传感单元发出，应力波在待测结构上传播，其他七个传感单元接收信号，捕捉结构的损伤信息。
5.如权利要求2所述的混凝土结构可植入式压电传感模块设计及损伤成像方法，其特征在于，为了传感器阵列能够获取足够的损伤信息，柱状压电陶瓷传感器的数量大于四对。
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