專利名稱：一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化監(jiān)測傳感器的制作方法
一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化監(jiān)測
傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預(yù)警和傳感器及電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種低 成本、可以在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物中大規(guī)模布局，全方位建筑物聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力和 裂縫監(jiān)控的傳感器。
背景技術(shù)：
大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)通過測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)與環(huán)境參數(shù)，并通過結(jié)構(gòu)分析和實(shí)驗(yàn)比 照，以期實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的檢測、識別與評估。結(jié)構(gòu)損傷可能是由于受到環(huán)境作用(如地震， 強(qiáng)風(fēng)，地基不均勻下沉等)、人為破壞或者長期累積疲勞所造成的。通過分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)， 可以掌握結(jié)構(gòu)的受力變化或變形狀態(tài)，最重要的監(jiān)測是否存在損傷。一旦檢測到損傷，就要 給出相應(yīng)的預(yù)警。大型結(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容包括(1)結(jié)構(gòu)的固定模態(tài)及其相對應(yīng)的阻尼；(2)結(jié)構(gòu)在正常荷載及風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及力學(xué)狀態(tài)；(3)結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件(比如強(qiáng)烈地震、臺風(fēng)或地基不均勻下沉等)之后的損傷情 況；(4)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實(shí)疲勞狀況；(5)重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如橋墩處的支座)和附屬設(shè)施的工作狀態(tài)；(6)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件，比如風(fēng)速、溫度、地面運(yùn)動等。其中最重要的是在結(jié)構(gòu)遭遇突發(fā)事件(比如強(qiáng)烈地震、臺風(fēng)或地基不均勻下沉 等)后的健康監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷(如混凝土裂縫或鋼筋形變等)監(jiān)測，并給出相應(yīng)的預(yù)警。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估發(fā)展的最重要目標(biāo)，是實(shí)時對結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測 與評估，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對設(shè)計(jì)荷載工況參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并對結(jié)構(gòu)的傳力受力機(jī)理 進(jìn)行深入探討和研究，為結(jié)構(gòu)理論研究提供長期連續(xù)的實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)。解決問題的關(guān)鍵在 于實(shí)現(xiàn)低成本、廣覆蓋的建筑物的實(shí)時健康監(jiān)測。以振動分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測與健康評價(jià)方法是這個領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容。 這種方法用模態(tài)參數(shù)構(gòu)造能夠反映結(jié)構(gòu)動力特性的動力指紋或狀態(tài)特征，通過對比完好狀 態(tài)和受損狀態(tài)的動力學(xué)特征來評價(jià)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。解決問題的核心仍然是實(shí)現(xiàn)低成本、 廣覆蓋的建筑物聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化以及混凝上裂縫等結(jié)構(gòu)形變的實(shí)時監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是解決對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物健康大規(guī)模地、長期地、實(shí)時地監(jiān)測的問題，提供一種能連續(xù)監(jiān)測建筑物聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化以及裂縫的傳感 器，具有低成本、高可靠性、可以密集布局監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時監(jiān)測大面積區(qū)域內(nèi)建筑物的聲音、振 動、應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫，從而進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)健康分析和預(yù)警。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力 變化監(jiān)測傳感器，其特征在于包括至少一個聲音振動和應(yīng)力變化傳感單元、一個信號處理 單元、信號傳送單元和一個供電單元。每個聲音振動和應(yīng)力變化傳感單元包含至少一個共 聚物壓電聲音振動傳感器和至少一個應(yīng)力變化傳感器。同一個傳感單元中的所有傳感器與 一個信號處理單元互聯(lián)，一個信號處理單元與一個信號傳送單元相連，每個單元都由供電 單元提供能量。特定建筑物健康鹽測單元結(jié)構(gòu)，即聲音振動、應(yīng)力變化和裂縫傳感單元，其特征在 于所述監(jiān)測單元包含一個或多個共聚物壓電聲音振動傳感器和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化傳感器。傳 感單元能夠獲得0. OlHz到IOk Hz的聲音、振動，能夠獲得0. OlkPa到IOOOkPa的結(jié)構(gòu)應(yīng)力 變化，能夠監(jiān)測混凝土裂縫和結(jié)構(gòu)變形。傳感單元的共聚物壓電傳感器，感知聲音振動和結(jié) 構(gòu)應(yīng)力變化，感知結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫，感知信號經(jīng)過無源電纜(比如，超強(qiáng)韌性高密度 聚乙烯(HDPE)、低電容-89pF/m、可達(dá)IOOm或更長)連接到信號處理單元，之后進(jìn)行采樣量 化，通過信號傳送單元向外發(fā)送。本發(fā)明的有益效果是提供了一種能夠?qū)︿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的建筑物健康大規(guī)模 地、長期地、實(shí)時地監(jiān)測的傳感器，提供一種全結(jié)構(gòu)、大范圍、連續(xù)建筑物監(jiān)測方法，具有低 成本、可以密集布局監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時監(jiān)測大面積區(qū)域內(nèi)建筑物的聲音、振動、應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)形 變和混凝土裂縫的異常情況，從而進(jìn)行建筑物建構(gòu)健康分析和預(yù)警。
具體實(shí)施方式
和

本申請的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例，結(jié)合附圖進(jìn)行說明。圖1給出的是基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物的聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化監(jiān)測的 傳感器的實(shí)施例。結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化傳感器，如圖2所示，沿混凝土柱長度方向預(yù)澆筑，和整個 柱子結(jié)合一體。該傳感器能夠監(jiān)測柱體本身的細(xì)微應(yīng)力變化，從而監(jiān)測柱子的結(jié)構(gòu)健康狀 況。聲音振動傳感器，如圖4，附著到柱子表面并固定，柱子的受外界影響產(chǎn)生的聲音和振動 能夠被該共聚物聲音振動傳感器所接收，從而監(jiān)測柱子的結(jié)構(gòu)健康狀況。上述兩個傳感器 通過無源電纜連接到信號處理單元、信號傳送單元和供電單元。圖2是一個應(yīng)力傳感器的示例，整個傳感器由共聚物壓電傳感器、塑料保護(hù)頭、塑 料保護(hù)尾和無源電纜組成。共聚物傳感器體剖面圖如圖3所示，從外而內(nèi)依次是硬質(zhì)保護(hù) 層、填充層，傳感器中心是共聚物壓電材料。硬質(zhì)保護(hù)層由柔韌性好的金屬材料構(gòu)成，如銅， 因此整個傳感器具有一定柔軟度，也保持良好韌性。圖4是一個聲音振動傳感器的示例，整個傳感器由共聚物壓電傳感器、固定板和 無源電纜組成。傳感器的縱向剖面圖如圖5所示，從上至下依次是固定板、填充層、共聚物 壓電材料、填充層和硬質(zhì)保護(hù)層組成。實(shí)施安裝時將固定板通過膠結(jié)、機(jī)械緊固的方式固定 在混凝土柱表面。以上內(nèi)容是結(jié)合一種實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明 的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本 發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化監(jiān)測傳感器，其特征在于 包括至少一個聲音振動和應(yīng)力變化傳感單元、一個信號處理單元、信號傳送單元和一個供 電單元。所述每個聲音振動和應(yīng)力傳感單元包含至少一個共聚物壓電聲音振動傳感器和至 少一個應(yīng)力變化傳感器。同一個傳感單元中的所有傳感器與一個信號處理單元互聯(lián)，一個 信號處理單元與一個信號傳送單元相連，上述每個單元都由供電單元提供能量。
2.如權(quán)利要求1所述的特定聲音振動監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述監(jiān)測單元包含 一個或多個共聚物壓電聲音、振動傳感單元，傳感單元能夠獲得0. OlHz到IOk Hz的聲音、 振動。
3.如權(quán)利要求1所述的特定結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化和裂縫傳感監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述監(jiān)測單元包含一個或多個共聚物結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化傳感單元。該傳感單元能夠獲得0. OlkPa 到IOOOkPa的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，能夠監(jiān)測混凝土裂縫和結(jié)構(gòu)變形。
4.如權(quán)利要求2和3所述的特定傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述傳感單元的共聚物 壓電傳感器，感知聲音、振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，感知結(jié)構(gòu)形變和混凝土裂縫，感知信號經(jīng)過 無源電纜(比如，超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯(HDPE)、低電容-89pF/m、可達(dá)IOOm或更長)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物聲音振動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化監(jiān)測傳感器，該傳感器由分布在建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中或表面的傳感單元、信號處理單元、信號傳送單元和供電單元組成。傳感單元采用一個或多個感知0.01Hz到10kHz的聲音、振動和0.01kPa到1000kPa結(jié)構(gòu)應(yīng)力的共聚物壓電傳感器組成。信號處理單元對接收的傳感單元的感知信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后。信號傳送單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測基站。供電電源負(fù)責(zé)整個傳感器供電。本發(fā)明的傳感器具有成本低、安裝易和組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意大區(qū)域建筑物的長期健康實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。
文檔編號G01H11/08GK102147284SQ20101060771
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者馮曉星, 王新安, 王金泊, 葛彬杰 申請人:深圳思量微系統(tǒng)有限公司