專利名稱：基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種用于結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)的壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
目前，大部分大型混凝土結(jié)構(gòu)其病害發(fā)展、性能退化及結(jié)構(gòu)失效均源于裂縫等損傷的發(fā)生和發(fā)展，因此，結(jié)構(gòu)損傷問題是混凝土結(jié)構(gòu)健康和安全研究最重要的內(nèi)容。及時(shí)發(fā)現(xiàn)、掌握混凝土損傷情況，就能及時(shí)把握結(jié)構(gòu)狀態(tài)，采取有效措施(如灌漿、加固等)，降低養(yǎng)護(hù)要求，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，避免因損壞、垮塌給生命和財(cái)產(chǎn)帶來?yè)p失。但是，常見的點(diǎn)式和分布式等傳感方法難以實(shí)現(xiàn)裂縫損傷傳感，如目前常見的結(jié)構(gòu)健康和安全傳感方法主要有以應(yīng)變、撓度傳感為主的點(diǎn)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(jié)構(gòu)的宏觀響應(yīng)(頻率，撓度等)分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)。由于混凝土材料的特殊剛性材質(zhì)及橋梁的大尺度性質(zhì)，即使局部裂縫已經(jīng)引起嚴(yán)重鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重組、甚至結(jié)構(gòu)失效，大型混凝土結(jié)構(gòu)宏觀表現(xiàn)可能仍然不明顯，因此在裂縫狀態(tài)傳感上收效甚微。而后者或者由于脆弱材質(zhì)(分布式光纖)，或者需要埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部(同軸電纜)等原因，也難以實(shí)際應(yīng)用于結(jié)構(gòu)裂縫傳感。另外，由2004年張奔牛等人提出的模擬皮膚神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)敏網(wǎng)仿生傳感方法使用延展性遠(yuǎn)強(qiáng)于光纖材料的漆包銅線同時(shí)作為傳感和通信材料，在結(jié)構(gòu)表面上形成擬神經(jīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀坐標(biāo)；使用在同一端集成的信號(hào)發(fā)送/接收器電路作為漆包線通斷判斷。一旦結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)裂縫，粘貼其上的漆包線就會(huì)相應(yīng)斷裂，通過檢測(cè)漆包線的通斷情況就可獲知裂縫狀態(tài)。雖然，機(jī)敏網(wǎng)方法能夠?qū)崿F(xiàn)表面結(jié)構(gòu)裂縫損傷傳感，但不能實(shí)現(xiàn)裂縫內(nèi)部損傷和結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分析。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫發(fā)生、發(fā)展、位置、長(zhǎng)度、寬度、形狀等關(guān)鍵量的精確長(zhǎng)期在線傳感。并應(yīng)用于重慶綦江太平莊大橋、土坎烏江大橋(連續(xù)剛構(gòu)梁橋)和馬桑溪長(zhǎng)江大橋(斜拉橋)等多座橋梁。雖然如此，機(jī)敏網(wǎng)仿生傳感方法仍然不能夠獲得結(jié)構(gòu)變形場(chǎng)、裂縫內(nèi)部深度和范圍等非表觀信息。而這些信息對(duì)于掌握結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生前病害誘因及病害發(fā)生后損壞程度具有重要價(jià)值。因此急需一種能實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的目的之一是提出一種基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；本發(fā)明的目的之二是提出一種基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)、控制電路、緊密粘貼于待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上的壓電超聲陣列和機(jī)敏線網(wǎng)格；所述壓電超聲陣列包括壓電超聲發(fā)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(jī)敏線相連，所述機(jī)敏線由絕緣金屬線組成，每一根線都設(shè)置相應(yīng)編號(hào)，通過檢測(cè)機(jī)敏線上是否有超聲接收元件產(chǎn)生的電信號(hào)，判斷機(jī)敏線是否斷裂，從而獲取裂縫的出現(xiàn)、位置、長(zhǎng)度、形狀以及擴(kuò)展信息；所述機(jī)敏網(wǎng)格由以網(wǎng)狀方式分布的機(jī)敏線構(gòu)成；所述機(jī)敏線與控制電路相連；
所述壓電超聲發(fā)射單元由壓電超發(fā)射元件組成，所述各壓電超發(fā)射元件直接與控制電路中相連，當(dāng)機(jī)敏網(wǎng)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(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件測(cè)量裂縫深度。進(jìn)一步，所述壓電超聲接收單元中設(shè)置有編號(hào)的壓電超聲接收元件分布于機(jī)敏網(wǎng)格的網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上，所述壓電超聲發(fā)射單元中設(shè)置有編號(hào)的壓電超聲發(fā)射元件分布于機(jī)敏網(wǎng)格四周，所述壓電超聲發(fā)射元件的編號(hào)與接收元件編號(hào)相對(duì)應(yīng)。進(jìn)一步，所述機(jī)敏線包括數(shù)個(gè)直徑不同的絕緣金屬線，作用于裂縫寬度的檢測(cè)。進(jìn)一步，還包括與壓電超聲接收元件相連的專用信號(hào)線，所述專用信號(hào)線與控制電路相連，用于直接向控制電路傳輸由待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化而導(dǎo)致壓電超聲接收元件產(chǎn)生的電信號(hào)，獲取待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力變化的信息。進(jìn)一步，所述控制電路包括信號(hào)放大電路、微控制器、A/D采樣電路、多路選擇器、存儲(chǔ)器和超聲波發(fā)射電路；
所述信號(hào)放大電路，用于對(duì)壓電超聲接收元件產(chǎn)生的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，以便信號(hào)的后續(xù)的處理；所述的微控制器，用于對(duì)整個(gè)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(chǎn)生的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便用于數(shù)字電路處理；所述多路選擇器，用于微控制器單獨(dú)選通每一個(gè)壓電超聲發(fā)射元件、壓電超聲接收元件以及機(jī)敏線中的每一根絕緣金屬線；所述的存儲(chǔ)器，用于控制電路中對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)；所述超聲波發(fā)射電路，用于產(chǎn)生一個(gè)與壓電超聲發(fā)射元件相匹配的超聲波信號(hào)。進(jìn)一步，還包括上位機(jī)，所述控制電路與上位機(jī)連接，所述上位機(jī)為計(jì)算機(jī)，用于接收控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以動(dòng)畫的形式顯示出裂縫的三維圖像。進(jìn)一步，所述機(jī)敏線包括4個(gè)直徑不同的絕緣金屬線。本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟
S1:根據(jù)壓電超聲陣列和機(jī)敏網(wǎng)格建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系；
S2:通過網(wǎng)格中的專用信號(hào)線采集壓電超聲接收元件上產(chǎn)生的電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)變化判斷結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化；
53:通過判斷機(jī)敏網(wǎng)格中的機(jī)敏線是否有電信號(hào)，從而判斷機(jī)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(jī)敏線的編號(hào)和相關(guān)算法，確定裂縫的出現(xiàn)時(shí)間、位置、長(zhǎng)度、寬度、形狀以及擴(kuò)展信息，并通過控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件，檢測(cè)裂縫的深度。進(jìn)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(jī)中，通過三維圖像顯示出應(yīng)力的變化、裂縫信息，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷信息的全方位監(jiān)控。進(jìn)一步，所述結(jié)構(gòu)裂縫狀態(tài)參數(shù)包括裂縫損傷出現(xiàn)時(shí)間、位置、長(zhǎng)度、寬度、深度、形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化；
所述裂縫損傷出現(xiàn)時(shí)間通過檢測(cè)機(jī)敏線上是否有電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)；所述裂縫損傷位置、形狀和長(zhǎng)度是通過檢測(cè)機(jī)敏網(wǎng)格中斷裂的機(jī)敏線編號(hào)來獲?。凰隽芽p損傷的寬度由不同直徑的機(jī)敏線來確定；所述裂縫的擴(kuò)展由長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)；所述裂縫損傷的深度由距離裂縫位置最佳的一對(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件來實(shí)現(xiàn)；所述結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化，通過檢測(cè)壓電超聲接收元件上變化的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明采用壓電超聲陣列和機(jī)敏網(wǎng)格結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷全方位的立體監(jiān)測(cè)，在控制電路的作用下選擇距離裂縫位置最佳的一個(gè)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件來檢測(cè)裂縫的深度。通過檢測(cè)機(jī)敏網(wǎng)格的機(jī)敏線上電信號(hào)的通斷檢測(cè)裂縫出現(xiàn)時(shí)間、長(zhǎng)度、位置以及形狀。通過判斷斷裂機(jī)敏線的直徑，實(shí)現(xiàn)寬度的測(cè)量。通過長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)對(duì)比來觀察裂縫的擴(kuò)展。通過檢測(cè)壓電超聲接收元件上產(chǎn)生的電信號(hào)的變化，來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化的檢測(cè)。最后將所有的信息通過控制電路傳送到上位機(jī)電腦中，通過三維圖像顯示出應(yīng)力的變化、裂縫信息，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷信息的全方位監(jiān)控。同時(shí)將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)電腦中，以三維圖像的形式呈現(xiàn)出來，更為直觀的了解結(jié)構(gòu)狀態(tài)。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖1為裂縫立體監(jiān)測(cè)方法示意圖2為壓電超聲發(fā)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(jī)敏網(wǎng)格意圖5為三維圖像顯示示意圖6為基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法流程圖。圖中，機(jī)敏線和信號(hào)線匯總1、壓電超聲發(fā)射元件2、壓電超聲接收元件3、信號(hào)線
4、機(jī)敏線5、應(yīng)力變化程度6、裂縫長(zhǎng)度寬度形狀等信息7、裂縫深度8。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖1為裂縫立體監(jiān)測(cè)方法示意圖，圖2為壓電超聲發(fā)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(jī)敏線網(wǎng)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(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法流程圖，圖中，機(jī)敏線和信號(hào)線匯總1、壓電超聲發(fā)射元件2、壓電超聲接收元件3、信號(hào)線4、機(jī)敏線5、應(yīng)力變化程度6、裂縫長(zhǎng)度寬度形狀等信息7、裂縫深度8 ;如圖所示本發(fā)明提供的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)、控制電路、緊密粘貼于待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上的壓電超聲陣列和機(jī)敏線網(wǎng)格；所述壓電超聲陣列包括壓電超聲發(fā)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(jī)敏線相連，所述機(jī)敏線由絕緣金屬線組成，每一根線都設(shè)置相應(yīng)編號(hào)，通過檢測(cè)機(jī)敏線上是否有超聲接收元件產(chǎn)生的電信號(hào)，判斷機(jī)敏線是否斷裂，從而獲取裂縫的出現(xiàn)、位置、長(zhǎng)度、形狀以及擴(kuò)展信息；所述機(jī)敏網(wǎng)格由以網(wǎng)狀方式分布的機(jī)敏線構(gòu)成；所述機(jī)敏線與控制電路相連；
所述壓電超聲發(fā)射單元由壓電超發(fā)射元件組成，所述各壓電超發(fā)射元件直接與控制電路中相連，當(dāng)機(jī)敏網(wǎng)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(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件測(cè)量裂縫深度。所述壓電超聲接收單元中設(shè)置有編號(hào)的壓電超聲接收元件分布于機(jī)敏網(wǎng)格的網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上，所述壓電超聲發(fā)射單元中設(shè)置有編號(hào)的壓電超聲發(fā)射元件分布于機(jī)敏網(wǎng)格四周，所述壓電超聲發(fā)射元件的編號(hào)與接收元件編號(hào)相對(duì)應(yīng)。所述機(jī)敏線包括數(shù)個(gè)直徑不同的絕緣金屬線，作用于裂縫寬度的檢測(cè)。還包括與壓電超聲接收元件相連的專用信號(hào)線，所述專用信號(hào)線與控制電路相連，用于直接向控制電路傳輸由待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化而導(dǎo)致壓電超聲接收元件產(chǎn)生的電信號(hào)，獲取待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力變化的信息
本實(shí)施例中每一個(gè)壓電超聲接收元件正負(fù)極都連接有4根直徑不同的絕緣金屬線，這4根線為機(jī)敏線，然后將每一個(gè)壓電超聲接收元件的機(jī)敏線按照一定的方向布置，就形成一個(gè)網(wǎng)格的體系，其中每一根機(jī)敏線都有相應(yīng)的編號(hào)，再與控制電路相連。由于結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力的變化，就會(huì)導(dǎo)致壓電超聲接收元件有電信號(hào)產(chǎn)生，控制電路通過多路選擇器依次選通每一根機(jī)敏線，檢測(cè)機(jī)敏線上是否有電信號(hào)，如果沒有電信號(hào)則說明此機(jī)敏線已斷裂，通過查看斷裂的時(shí)間，就可以確定出裂縫時(shí)間，統(tǒng)計(jì)斷裂機(jī)敏線的位置；然后確定裂縫的位置、長(zhǎng)度、形狀、擴(kuò)展情況；由于不同直徑的絕緣金屬線具有不同的極限拉應(yīng)變，因此通過判斷斷裂機(jī)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(hào)放大電路、微控制器、A/D采樣電路、多路選擇器、存儲(chǔ)器和超聲波發(fā)射電路；
所述信號(hào)放大電路，用于對(duì)壓電超聲接收元件產(chǎn)生的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，以便信號(hào)的后續(xù)的處理；所述的微控制器，用于對(duì)整個(gè)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(chǎn)生的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便用于數(shù)字電路處理；所述多路選擇器，用于微控制器單獨(dú)選通每一個(gè)壓電超聲發(fā)射元件、壓電超聲接收元件以及機(jī)敏線中的每一根絕緣金屬線；所述的存儲(chǔ)器，用于控制電路中對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)；所述超聲波發(fā)射電路，用于產(chǎn)生一個(gè)與壓電超聲發(fā)射元件相匹配的超聲波信號(hào)。還包括上位機(jī)，所述控制電路與上位機(jī)連接，所述上位機(jī)為計(jì)算機(jī)，用于接收控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以動(dòng)畫的形式顯示出裂縫的三維圖像。所述機(jī)敏線包括4個(gè)直徑不同的絕緣金屬線。本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟
S1:根據(jù)壓電超聲陣列和機(jī)敏網(wǎng)格建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系；
S2:通過網(wǎng)格中的專用信號(hào)線采集壓電超聲接收元件上產(chǎn)生的電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)變化判斷結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化；
S3:通過判斷機(jī)敏網(wǎng)格中的機(jī)敏線是否有電信號(hào)，從而判斷機(jī)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(jī)敏線的編號(hào)和相關(guān)算法，確定裂縫的出現(xiàn)時(shí)間、位置、長(zhǎng)度、寬度、形狀以及擴(kuò)展信息，并通過控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件，檢測(cè)裂縫的深度。S6:將所有的信息通過控制電路傳送到上位機(jī)中，通過三維圖像顯示出應(yīng)力的變化、裂縫信息，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷信息的全方位監(jiān)控。所述裂縫損傷出現(xiàn)時(shí)間通過檢測(cè)機(jī)敏線上是否有電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)；
所述裂縫損傷位置、形狀和長(zhǎng)度是通過檢測(cè)機(jī)敏網(wǎng)格中斷裂的機(jī)敏線編號(hào)來獲取；所述裂縫損傷的寬度由不同直徑的機(jī)敏線來確定；
所述裂縫的擴(kuò)展由長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)；
所述裂縫損傷的深度由距離裂縫位置最佳的一對(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件來實(shí)現(xiàn)；所述結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化，通過檢測(cè)壓電超聲接收元件上變化的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括上位機(jī)、控制電路、緊密粘貼于待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上的壓電超聲陣列和機(jī)敏網(wǎng)格；所述壓電超聲陣列包括壓電超聲發(fā)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(jī)敏線相連，所述機(jī)敏線由絕緣金屬線組成，每一根線都設(shè)置相應(yīng)編號(hào)，通過檢測(cè)機(jī)敏線上是否有超聲接收元件產(chǎn)生的電信號(hào)，判斷機(jī)敏線是否斷裂，從而獲取裂縫的出現(xiàn)、位置、長(zhǎng)度、形狀以及擴(kuò)展信息；所述機(jī)敏網(wǎng)格由以網(wǎng)狀方式分布的機(jī)敏線構(gòu)成；所述機(jī)敏線與控制電路相連； 所述壓電超聲發(fā)射單元由壓電超發(fā)射元件組成，所述各壓電超發(fā)射元件直接與控制電路中相連，當(dāng)機(jī)敏網(wǎng)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(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件測(cè)量裂縫深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述壓電超聲接收單元中設(shè)置有編號(hào)的壓電超聲接收元件分布于機(jī)敏網(wǎng)格的網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上，所述壓電超聲發(fā)射單元中設(shè)置有編號(hào)的壓電超聲發(fā)射元件分布于機(jī)敏網(wǎng)格四周，所述壓電超聲發(fā)射元件的編號(hào)與接收元件編號(hào)相對(duì)應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)敏線包括數(shù)個(gè)直徑不同的絕緣金屬線，作用于裂縫寬度的檢測(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于還包括與壓電超聲接收元件相連的專用信號(hào)線，所述專用信號(hào)線與控制電路相連，用于直接向控制電路傳輸由待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化而導(dǎo)致壓電超聲接收元件產(chǎn)生的電信號(hào)，獲取待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力變化的信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述控制電路包括信號(hào)放大電路、微控制器、A/D采樣電路、多路選擇器、存儲(chǔ)器和超聲波發(fā)射電路； 所述信號(hào)放大電路，用于對(duì)壓電超聲接收元件產(chǎn)生的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，以便信號(hào)的后續(xù)的處理；所述的微控制器，用于對(duì)整個(gè)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(chǎn)生的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便用于數(shù)字電路處理；所述多路選擇器，用于微控制器單獨(dú)選通每一個(gè)壓電超聲發(fā)射元件、壓電超聲接收元件以及機(jī)敏線中的每一根絕緣金屬線；所述的存儲(chǔ)器，用于控制電路中對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)；所述超聲波發(fā)射電路，用于產(chǎn)生一個(gè)與壓電超聲發(fā)射元件相匹配的超聲波信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于還包括上位機(jī)，所述控制電路與上位機(jī)連接，所述上位機(jī)為計(jì)算機(jī)，用于接收控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以動(dòng)畫的形式顯示出裂縫的三維圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)敏線包括4種直徑不同的絕緣金屬線。
8.基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟 S1:根據(jù)壓電超聲陣列和機(jī)敏網(wǎng)格建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系； S2:通過網(wǎng)格中的專用信號(hào)線采集壓電超聲接收元件上產(chǎn)生的電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)變化判斷結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化； S3:通過判斷機(jī)敏網(wǎng)格中的機(jī)敏線是否有電信號(hào)，從而判斷機(jī)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(jī)敏線的編號(hào)和相關(guān)算法，確定裂縫的出現(xiàn)時(shí)間、位置、長(zhǎng)度、寬度、形狀以及擴(kuò)展信息，并通過控制電路選擇距離裂縫位置最佳的一對(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件，檢測(cè)裂縫的深度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)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(jī)中，通過三維圖像顯示出應(yīng)力的變化、裂縫信息，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷信息的全方位監(jiān)控。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述結(jié)構(gòu)裂縫狀態(tài)參數(shù)包括裂縫損傷出現(xiàn)時(shí)間、位置、長(zhǎng)度、寬度、深度、形狀、擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化； 所述裂縫損傷出現(xiàn)時(shí)間通過檢測(cè)機(jī)敏線上是否有電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)；所述裂縫損傷位置、形狀和長(zhǎng)度是通過檢測(cè)機(jī)敏網(wǎng)格中斷裂的機(jī)敏線編號(hào)來獲?。凰隽芽p損傷的寬度由不同直徑的機(jī)敏線來確定；所述裂縫的擴(kuò)展由長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)；所述裂縫損傷的深度由距離裂縫位置最佳的一對(duì)壓電超聲發(fā)射元件和接收元件來實(shí)現(xiàn)；所述結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化，通過檢測(cè)壓電超聲接收元件上變化的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓電超聲-機(jī)敏網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，包括上位機(jī)、控制電路、緊密粘貼于待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上的壓電超聲發(fā)射元件、壓電超聲接收元件和機(jī)敏網(wǎng)格；壓電超聲接收元件通過以網(wǎng)格方式分布的機(jī)敏線和信號(hào)線與控制電路相連，壓電超聲發(fā)射元件和控制電路相連。本發(fā)明采用壓電超聲陣列和機(jī)敏網(wǎng)格來實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷全方位的立體監(jiān)測(cè)，在控制電路作用下，選擇距離裂縫位置最佳的壓電超聲發(fā)射元件和接收元件檢測(cè)裂縫深度；通過檢測(cè)壓電超聲接收元件電信號(hào)的變化，檢測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化；通過檢測(cè)機(jī)敏線的通斷來獲取裂縫的出現(xiàn)、位置、寬度、長(zhǎng)度、形狀以及擴(kuò)展等信息。最后將所有的信息通過控制電路傳送到上位機(jī)中，以三維圖像的形式呈現(xiàn)出來，更為直觀的了解結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01B17/06GK103018329SQ20121056130
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者張奔牛, 李星星, 楊光 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)