[发明专利]一种用于混凝土结构的健康监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程结构监测技术领域，具体涉及一种用于混凝土结构的结构健康监测系统。

背景技术

当前，我国处于大规模的基础设施建设时期，混凝土结构作为一种应用最普遍的结构形式，被广泛地应用于各类工程结构的建设。在其漫长的服役过程中，不可避免地发生材料老化及损伤，从而降低结构的可靠性，因此结构可靠问题一直受到广泛的关注。结构健康监测作为一种能够通过获取结构的相关信息，及时发现结构的损伤，进而向用户做出安全预警的技术，是近年来土木工程领域的研究热点之一。

然而，传统的混凝土结构无损检测手段（如超声脉冲法、回弹法等），通过直接测量结构的相关物理量，虽然可以快速地实现对结构局部损伤的检测，但是作为局部的离线式检测方法，存在信息的滞后性，无法实现真正的实时在线的“结构损伤诊断和健康监测”。

伴随着基于现代智能结构的思想发展起来的结构健康监测技术，它集成了传感技术、计算机技术、信息处理与损伤识别技术、模式识别等多学科知识，为实现传统的离线、静态、被动的损伤检测向实时、在线、动态的监测与控制转变提供了可能。其中，在混凝土结构的健康监测领域，基于压电陶瓷智能材料的健康监测技术由于在混凝土监测方面的众多优势，其研究已经取得了丰硕的阶段性成果。如利用压电陶瓷的正逆压电效应发射检测信号对结构的健康状态进行主被动监测；利用响应速度快、线性关系好等特点制作成具有高灵敏度的动态力传感器、加速度传感器等。

但遗憾的是由于缺少相应配套监测平台的开发，使得此项技术还未实现工程实用化。只是停留在理论仿真和实验室试验研究阶段。特别是在压电监测系统的硬件集成性的研究、开发针对压电问题的通用型分析软件以及相应平台的健壮性、可靠性等方面有待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于混凝土结构的便携式结构健康监测系统，该系统通过压电系列传感器可以实现对混凝土结构的裂缝、冲击荷载以及加速度等多物理量进行监测，同时通过系统的软件平台实现对结构健康状态的评估和安全预警等功能。

本发明的技术方案是：一种用于混凝土结构的健康监测系统，该系统包括：传感器子系统、数据采集子系统、通讯系统以及监控中心；

所述的传感器子系统包含压电智能骨料、压电力传感器以及内装IC的压电式加速度传感器；

所述数据采集子系统主要有数据采集平台和附属设备构成；

所述通信子系统则采用有线方式；

所述监控中心则有软硬件构成，软件部分主要包括主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等功能模块。硬件则有电脑、备用电源构成；其特征在于：

所述健康监测系统的工作流程为：传感器子系统通过传感器感知待测结构的相关物理量，然后将各类传感器信号通过数据采集子系统控制数据采集平台实现采集以及信号的初步处理，再通过通信系统将数据上传到监控中心，在监控中心则完成的进一步处理，如滤波、损伤识别、安全预警以及数据存储功能。

压电智能骨料压电智能骨料用于对混凝结构的裂缝进行监测，压电力传感器用于采集结构的冲击荷载，加速度传感器获取结构振动信息。

传感器子系统中的压电智能骨料传感器的布置方式是将压电智能骨料以列阵的形式构成传感-驱动扫描通道，布置于建筑的结构单元中。

数据采集平台包括CompactRIO 9074嵌入式平台和NI 9263、NI 9221和NI 9234等数据采集卡；附属设备有压电陶瓷驱动电源、电荷放大器等构成。

压电陶瓷驱动电源输入端与NI 9263输出端相连，压电陶瓷驱动电源输出端与压电智能骨料相连接；电荷放大器的输入端与压电力传感相连，其输出端与NI 9234相连。

其包含的主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等功能模块，可实现混凝土裂缝损伤的在线监测、冲击荷载监测以及结构振动信息采集等。

主动监测模块包括监测信号的发射与采集、信号的在线处理与分析、损伤识别以及安全预警、数据的存储等功能。发射的信号可有100Hz-10kHz的扫频波和正弦波两种，发射方式有连续式和间断式；信号的在线处理与分析包括信号的滤波消噪、时域和频域分析等；损伤识别方法采用信号幅值的能量值作为损伤指数；安全预警可实现声光预警；数据存储采用常用的EXCEL表格形式。