專利名稱：基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統及方法
技術領域：
本發明涉及結構裂縫監測領域，特別涉及一種用于結構損傷監測的壓電超聲-機敏網格系統及方法。
背景技術：
目前，大部分大型混凝土結構其病害發展、性能退化及結構失效均源于裂縫等損傷的發生和發展，因此，結構損傷問題是混凝土結構健康和安全研究最重要的內容。及時發現、掌握混凝土損傷情況，就能及時把握結構狀態，采取有效措施(如灌漿、加固等)，降低養護要求，延長結構使用壽命，避免因損壞、垮塌給生命和財產帶來損失。但是，常見的點式和分布式等傳感方法難以實現裂縫損傷傳感，如目前常見的結構健康和安全傳感方法主要有以應變、撓度傳感為主的點式傳感方法及以光纖和同軸電纜傳感器為主的分布式傳感方法；前者主要通過傳感結構的宏觀響應(頻率，撓度等)分析結構狀態。由于混凝土材料的特殊剛性材質及橋梁的大尺度性質，即使局部裂縫已經引起嚴重鋼筋銹蝕、結構內部應力重組、甚至結構失效，大型混凝土結構宏觀表現可能仍然不明顯，因此在裂縫狀態傳感上收效甚微。而后者或者由于脆弱材質(分布式光纖)，或者需要埋入結構內部(同軸電纜)等原因，也難以實際應用于結構裂縫傳感。另外，由2004年張奔牛等人提出的模擬皮膚神經系統的機敏網仿生傳感方法使用延展性遠強于光纖材料的漆包銅線同時作為傳感和通信材料，在結構表面上形成擬神經系統的網絡狀坐標；使用在同一端集成的信號發送/接收器電路作為漆包線通斷判斷。一旦結構上出現裂縫，粘貼其上的漆包線就會相應斷裂，通過檢測漆包線的通斷情況就可獲知裂縫狀態。雖然，機敏網方法能夠實現表面結構裂縫損傷傳感，但不能實現裂縫內部損傷和結構應力場分析。該方法實現了對混凝土結構表面裂縫發生、發展、位置、長度、寬度、形狀等關鍵量的精確長期在線傳感。并應用于重慶綦江太平莊大橋、土坎烏江大橋(連續剛構梁橋)和馬桑溪長江大橋(斜拉橋)等多座橋梁。雖然如此，機敏網仿生傳感方法仍然不能夠獲得結構變形場、裂縫內部深度和范圍等非表觀信息。而這些信息對于掌握結構損傷發生前病害誘因及病害發生后損壞程度具有重要價值。因此急需一種能實現對結構損傷進行全方位監測的系統和方法。
發明內容
有鑒于此，本發明所要解決的技術問題是提供一種能實現對結構損傷進行全方位監測的系統和方法。本發明的目的之一是提出一種基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統；本發明的目的之二是提出一種基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法。本發明的目的是這樣實現的
本發明的目的之一是通過以下技術方案來實現的
本發明提供的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，包括上位機、控制電路、緊密粘貼于待監測結構上的壓電超聲陣列和機敏線網格；所述壓電超聲陣列包括壓電超聲發射單元和壓電超聲接收單元；
所述壓電超聲接收單元中的各壓電超聲接收元件與機敏線相連，所述機敏線由絕緣金屬線組成，每一根線都設置相應編號，通過檢測機敏線上是否有超聲接收元件產生的電信號，判斷機敏線是否斷裂，從而獲取裂縫的出現、位置、長度、形狀以及擴展信息；所述機敏網格由以網狀方式分布的機敏線構成；所述機敏線與控制電路相連；
所述壓電超聲發射單元由壓電超發射元件組成，所述各壓電超發射元件直接與控制電路中相連，當機敏網格確定了裂縫位置后，控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件測量裂縫深度。進一步，所述壓電超聲接收單元中設置有編號的壓電超聲接收元件分布于機敏網格的網節點上，所述壓電超聲發射單元中設置有編號的壓電超聲發射元件分布于機敏網格四周，所述壓電超聲發射元件的編號與接收元件編號相對應。進一步，所述機敏線包括數個直徑不同的絕緣金屬線，作用于裂縫寬度的檢測。進一步，還包括與壓電超聲接收元件相連的專用信號線，所述專用信號線與控制電路相連，用于直接向控制電路傳輸由待監測結構應力變化而導致壓電超聲接收元件產生的電信號，獲取待檢測結構表面應力變化的信息。進一步，所述控制電路包括信號放大電路、微控制器、A/D采樣電路、多路選擇器、存儲器和超聲波發射電路；
所述信號放大電路，用于對壓電超聲接收元件產生的微弱電信號進行放大，以便信號的后續的處理；所述的微控制器，用于對整個控制電路的邏輯控制；所述A/D采樣電路，用于將壓電超聲接收元件產生的模擬電信號轉換為數字信號，以便用于數字電路處理；所述多路選擇器，用于微控制器單獨選通每一個壓電超聲發射元件、壓電超聲接收元件以及機敏線中的每一根絕緣金屬線；所述的存儲器，用于控制電路中對處理后的信號進行簡單的存儲；所述超聲波發射電路，用于產生一個與壓電超聲發射元件相匹配的超聲波信號。進一步，還包括上位機，所述控制電路與上位機連接，所述上位機為計算機，用于接收控制電路發送的數據，并將數據進行處理，以動畫的形式顯示出裂縫的三維圖像。進一步，所述機敏線包括4個直徑不同的絕緣金屬線。本發明的目的之二是通過以下技術方案來實現的
本發明提供的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法，包括以下步驟
S1:根據壓電超聲陣列和機敏網格建立相應的網絡坐標系；
S2:通過網格中的專用信號線采集壓電超聲接收元件上產生的電信號，根據電信號變化判斷結構應力的變化；
53:通過判斷機敏網格中的機敏線是否有電信號，從而判斷機敏線是否斷裂；
54:如果否，則返回步驟S2 ；
55:如果是，則通過斷裂機敏線的編號和相關算法，確定裂縫的出現時間、位置、長度、寬度、形狀以及擴展信息，并通過控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件，檢測裂縫的深度。進一步，還包括以下步驟
56:將所有的信息通過控制電路傳送到上位機中，通過三維圖像顯示出應力的變化、裂縫信息，從而實現結構損傷信息的全方位監控。進一步，所述結構裂縫狀態參數包括裂縫損傷出現時間、位置、長度、寬度、深度、形狀和結構應力變化；
所述裂縫損傷出現時間通過檢測機敏線上是否有電信號來實現；所述裂縫損傷位置、形狀和長度是通過檢測機敏網格中斷裂的機敏線編號來獲取；所述裂縫損傷的寬度由不同直徑的機敏線來確定；所述裂縫的擴展由長期的監測實現；所述裂縫損傷的深度由距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件來實現；所述結構應力的變化，通過檢測壓電超聲接收元件上變化的電信號來實現。本發明的優點在于本發明采用壓電超聲陣列和機敏網格結合實現對結構損傷全方位的立體監測，在控制電路的作用下選擇距離裂縫位置最佳的一個壓電超聲發射元件和接收元件來檢測裂縫的深度。通過檢測機敏網格的機敏線上電信號的通斷檢測裂縫出現時間、長度、位置以及形狀。通過判斷斷裂機敏線的直徑，實現寬度的測量。通過長期的監測對比來觀察裂縫的擴展。通過檢測壓電超聲接收元件上產生的電信號的變化，來實現結構應力的變化的檢測。最后將所有的信息通過控制電路傳送到上位機電腦中，通過三維圖像顯示出應力的變化、裂縫信息，從而實現結構損傷信息的全方位監控。同時將監測的數據發送到上位機電腦中，以三維圖像的形式呈現出來，更為直觀的了解結構狀態。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中
圖1為裂縫立體監測方法示意圖2為壓電超聲發射元件部分電路示意圖3為壓電超聲接收元件部分電路示意圖4為機敏網格意圖5為三維圖像顯示示意圖6為基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法流程圖。圖中，機敏線和信號線匯總1、壓電超聲發射元件2、壓電超聲接收元件3、信號線
4、機敏線5、應力變化程度6、裂縫長度寬度形狀等信息7、裂縫深度8。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。圖1為裂縫立體監測方法示意圖，圖2為壓電超聲發射元件部分示意圖，圖3為壓電超聲接收元件部分電路示意圖，圖4為機敏線網格示意圖，圖5為三維圖像顯示示意圖，圖6為基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法流程圖，圖中，機敏線和信號線匯總1、壓電超聲發射元件2、壓電超聲接收元件3、信號線4、機敏線5、應力變化程度6、裂縫長度寬度形狀等信息7、裂縫深度8 ;如圖所示本發明提供的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，包括上位機、控制電路、緊密粘貼于待監測結構上的壓電超聲陣列和機敏線網格；所述壓電超聲陣列包括壓電超聲發射單元和壓電超聲接收單元；所述壓電超聲接收單元中的各壓電超聲接收元件與機敏線相連，所述機敏線由絕緣金屬線組成，每一根線都設置相應編號，通過檢測機敏線上是否有超聲接收元件產生的電信號，判斷機敏線是否斷裂，從而獲取裂縫的出現、位置、長度、形狀以及擴展信息；所述機敏網格由以網狀方式分布的機敏線構成；所述機敏線與控制電路相連；
所述壓電超聲發射單元由壓電超發射元件組成，所述各壓電超發射元件直接與控制電路中相連，當機敏網格確定了裂縫位置后，控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件測量裂縫深度。所述壓電超聲接收單元中設置有編號的壓電超聲接收元件分布于機敏網格的網節點上，所述壓電超聲發射單元中設置有編號的壓電超聲發射元件分布于機敏網格四周，所述壓電超聲發射元件的編號與接收元件編號相對應。所述機敏線包括數個直徑不同的絕緣金屬線，作用于裂縫寬度的檢測。還包括與壓電超聲接收元件相連的專用信號線，所述專用信號線與控制電路相連，用于直接向控制電路傳輸由待監測結構應力變化而導致壓電超聲接收元件產生的電信號，獲取待檢測結構表面應力變化的信息
本實施例中每一個壓電超聲接收元件正負極都連接有4根直徑不同的絕緣金屬線，這4根線為機敏線，然后將每一個壓電超聲接收元件的機敏線按照一定的方向布置，就形成一個網格的體系，其中每一根機敏線都有相應的編號，再與控制電路相連。由于結構表面應力的變化，就會導致壓電超聲接收元件有電信號產生，控制電路通過多路選擇器依次選通每一根機敏線，檢測機敏線上是否有電信號，如果沒有電信號則說明此機敏線已斷裂，通過查看斷裂的時間，就可以確定出裂縫時間，統計斷裂機敏線的位置；然后確定裂縫的位置、長度、形狀、擴展情況；由于不同直徑的絕緣金屬線具有不同的極限拉應變，因此通過判斷斷裂機敏線的直徑，就可以得知裂縫的寬度。所述控制電路包括信號放大電路、微控制器、A/D采樣電路、多路選擇器、存儲器和超聲波發射電路；
所述信號放大電路，用于對壓電超聲接收元件產生的微弱電信號進行放大，以便信號的后續的處理；所述的微控制器，用于對整個控制電路的邏輯控制；所述A/D采樣電路，用于將壓電超聲接收元件產生的模擬電信號轉換為數字信號，以便用于數字電路處理；所述多路選擇器，用于微控制器單獨選通每一個壓電超聲發射元件、壓電超聲接收元件以及機敏線中的每一根絕緣金屬線；所述的存儲器，用于控制電路中對處理后的信號進行簡單的存儲；所述超聲波發射電路，用于產生一個與壓電超聲發射元件相匹配的超聲波信號。還包括上位機，所述控制電路與上位機連接，所述上位機為計算機，用于接收控制電路發送的數據，并將數據進行處理，以動畫的形式顯示出裂縫的三維圖像。所述機敏線包括4個直徑不同的絕緣金屬線。本發明實施例還提供了一種基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法，包括以下步驟
S1:根據壓電超聲陣列和機敏網格建立相應的網絡坐標系；
S2:通過網格中的專用信號線采集壓電超聲接收元件上產生的電信號，根據電信號變化判斷結構應力的變化；
S3:通過判斷機敏網格中的機敏線是否有電信號，從而判斷機敏線是否斷裂；54:如果否，則返回步驟S2 ；
55:如果是，則通過斷裂機敏線的編號和相關算法，確定裂縫的出現時間、位置、長度、寬度、形狀以及擴展信息，并通過控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件，檢測裂縫的深度。S6:將所有的信息通過控制電路傳送到上位機中，通過三維圖像顯示出應力的變化、裂縫信息，從而實現結構損傷信息的全方位監控。所述裂縫損傷出現時間通過檢測機敏線上是否有電信號來實現；
所述裂縫損傷位置、形狀和長度是通過檢測機敏網格中斷裂的機敏線編號來獲取；所述裂縫損傷的寬度由不同直徑的機敏線來確定；
所述裂縫的擴展由長期的監測實現；
所述裂縫損傷的深度由距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件來實現；所述結構應力的變化，通過檢測壓電超聲接收元件上變化的電信號來實現。以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，其特征在于包括上位機、控制電路、緊密粘貼于待監測結構上的壓電超聲陣列和機敏網格；所述壓電超聲陣列包括壓電超聲發射單元和壓電超聲接收單元； 所述壓電超聲接收單元中的各壓電超聲接收元件與機敏線相連，所述機敏線由絕緣金屬線組成，每一根線都設置相應編號，通過檢測機敏線上是否有超聲接收元件產生的電信號，判斷機敏線是否斷裂，從而獲取裂縫的出現、位置、長度、形狀以及擴展信息；所述機敏網格由以網狀方式分布的機敏線構成；所述機敏線與控制電路相連； 所述壓電超聲發射單元由壓電超發射元件組成，所述各壓電超發射元件直接與控制電路中相連，當機敏網格確定了裂縫位置后，控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件測量裂縫深度。
2.根據權利要求1所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，其特征在于所述壓電超聲接收單元中設置有編號的壓電超聲接收元件分布于機敏網格的網節點上，所述壓電超聲發射單元中設置有編號的壓電超聲發射元件分布于機敏網格四周，所述壓電超聲發射元件的編號與接收元件編號相對應。
3.根據權利要求1所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，其特征在于所述機敏線包括數個直徑不同的絕緣金屬線，作用于裂縫寬度的檢測。
4.根據權利要求1所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，其特征在于還包括與壓電超聲接收元件相連的專用信號線，所述專用信號線與控制電路相連，用于直接向控制電路傳輸由待監測結構應力變化而導致壓電超聲接收元件產生的電信號，獲取待檢測結構表面應力變化的信息。
5.根據權利要求1所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，其特征在于所述控制電路包括信號放大電路、微控制器、A/D采樣電路、多路選擇器、存儲器和超聲波發射電路； 所述信號放大電路，用于對壓電超聲接收元件產生的微弱電信號進行放大，以便信號的后續的處理；所述的微控制器，用于對整個控制電路的邏輯控制；所述A/D采樣電路，用于將壓電超聲接收元件產生的模擬電信號轉換為數字信號，以便用于數字電路處理；所述多路選擇器，用于微控制器單獨選通每一個壓電超聲發射元件、壓電超聲接收元件以及機敏線中的每一根絕緣金屬線；所述的存儲器，用于控制電路中對處理后的信號進行簡單的存儲；所述超聲波發射電路，用于產生一個與壓電超聲發射元件相匹配的超聲波信號。
6.根據權利要求1所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，其特征在于還包括上位機，所述控制電路與上位機連接，所述上位機為計算機，用于接收控制電路發送的數據，并將數據進行處理，以動畫的形式顯示出裂縫的三維圖像。
7.根據權利要求1所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統，其特征在于所述機敏線包括4種直徑不同的絕緣金屬線。
8.基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法，其特征在于包括以下步驟 S1:根據壓電超聲陣列和機敏網格建立相應的網絡坐標系； S2:通過網格中的專用信號線采集壓電超聲接收元件上產生的電信號，根據電信號變化判斷結構應力的變化； S3:通過判斷機敏網格中的機敏線是否有電信號，從而判斷機敏線是否斷裂；54:如果否，則返回步驟S2 ； 55:如果是，則通過斷裂機敏線的編號和相關算法，確定裂縫的出現時間、位置、長度、寬度、形狀以及擴展信息，并通過控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件，檢測裂縫的深度。
9.根據權利要求8所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法，其特征在于還包括以下步驟 56:將所有的信息通過控制電路傳送到上位機中，通過三維圖像顯示出應力的變化、裂縫信息，從而實現結構損傷信息的全方位監控。
10.根據權利要求8所述的基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測方法，其特征在于所述結構裂縫狀態參數包括裂縫損傷出現時間、位置、長度、寬度、深度、形狀、擴展和結構應力變化； 所述裂縫損傷出現時間通過檢測機敏線上是否有電信號來實現；所述裂縫損傷位置、形狀和長度是通過檢測機敏網格中斷裂的機敏線編號來獲取；所述裂縫損傷的寬度由不同直徑的機敏線來確定；所述裂縫的擴展由長期的監測實現；所述裂縫損傷的深度由距離裂縫位置最佳的一對壓電超聲發射元件和接收元件來實現；所述結構應力的變化，通過檢測壓電超聲接收元件上變化的電信號來實現。
全文摘要
本發明公開了一種基于壓電超聲-機敏網格的結構損傷監測系統及方法，包括上位機、控制電路、緊密粘貼于待監測結構上的壓電超聲發射元件、壓電超聲接收元件和機敏網格；壓電超聲接收元件通過以網格方式分布的機敏線和信號線與控制電路相連，壓電超聲發射元件和控制電路相連。本發明采用壓電超聲陣列和機敏網格來實現對結構損傷全方位的立體監測，在控制電路作用下，選擇距離裂縫位置最佳的壓電超聲發射元件和接收元件檢測裂縫深度；通過檢測壓電超聲接收元件電信號的變化，檢測結構應力變化；通過檢測機敏線的通斷來獲取裂縫的出現、位置、寬度、長度、形狀以及擴展等信息。最后將所有的信息通過控制電路傳送到上位機中，以三維圖像的形式呈現出來，更為直觀的了解結構狀態。
文檔編號G01B17/06GK103018329SQ20121056130
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者張奔牛, 李星星, 楊光 申請人:重慶交通大學