[发明专利]一种基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土湿度的长期监测方法，具体而言是一种基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法。

背景技术

混凝土内部湿度是影响混凝土构件工作性能的一个重要因素。众多研究表明，混凝土含水率（相对湿度）的大小对混凝土硬化、强度、钢筋锈蚀、硫酸盐侵、氯盐侵蚀等耐久性问题以及混凝土构件的动力特性等都有十分重要的影响。目前国内外对相对湿度的测量方法大体分为三类: 第一种是将干湿球温度计接到数字表上直接显示湿度值；第二种方法是将湿度传感器与数字表共同组成湿度测量仪；第三种方法是采用干湿球温度计，测量干球和湿球之间的温差, 然后查相对温度表而得到湿度值。由于传感器技术等原因, 湿度测量一直是国际公认的难题，不同方法对于混凝土内部相对湿度的测量结果差异也很大。在混凝土内部湿度检测方面目前还鲜有研究，很多学者借鉴空气湿度的测量方法，在混凝土结构内部预留孔洞，把孔洞内空间湿度作为混凝土内部湿度的参考值，这种方法的缺陷是所测的结果并非混凝土真实湿度值，而且受环境扰动较大。美国伊利诺伊斯大学香槟分校采用电容式RH传感器研发了一种测定混凝土内部相对湿度的仪器，这种传感器在RH<80%时精度较高, 但在较高湿度的情况下测试精度难以得到保证。清华大学黄瑜等人采用电容式数字温湿度传感器，测量了普通混凝土和高强混凝土试件单面干燥条件下内部不同深度处的相对湿度。这两种方法均将传感器密封在试件内部，这样可以避免预留孔与环境发生湿度交换。但同时也存在传感稳定性问题，即传感器长期置于混凝土内部，受湿度和温度条件的影响，其测量特征值会发生漂移，精度会有所下降。

发明内容

针对现有技术中混凝土内部湿度的检测方法存在传感稳定问题，本发明提供一种简便的混凝土内部湿度监测方法，实现对混凝土构件内部湿度进行长期监测。

本发明所提供的混凝土湿度监测方法是一种新型的无损检测（NDT）方法，采用在混凝土内部设置压电智能骨料传感器（Smart Aggregate Transducer），将相关功能器件进行集成，形成一套使用简便，经济实用的数据采集系统，并结合Matlab等相关信号处理软件的使用，对混凝土构件的湿度进行长期监测。

该方法基于波动法原理，将压电智能骨料传感器埋于混凝土材料内部需要监测湿度的区域中，在埋入过程中保持压电智能骨料传感器方向和位置的准确性。将监测系统中的相关组件连接好，打开各仪器电源，通过信号发生器对压电智能骨料驱动器发出低频激励信号，该激励信号的频率为1～10Hz。如果激励信号功率过小，可通过功率放大器进行放大，压电智能骨料驱动器产生逆压电效应，将电信号转化为振动信号，布置在其他位置的压电智能骨料传感器接收到应力波信号后，产生正压电效应，将振动信号再次转换为电信号并输入到示波器进行存储记忆。对接收信号可进行滤波和降噪后，借助接收信号在混凝土内部的传播的波的幅值、能量、平均功率等来确认混凝土内部不同位置的湿度。

上述方法中，通过信号发生器对压电智能骨料驱动器发出低频激励信号通常为简谐波或正弦波扫频，恰当频率的波形不仅能捕捉到混凝土中水分的细微变化，而且能够简化数据处理过程。

下面就如何借助接收信号在混凝土内部的传播的波的幅值、能量、平均功率以及湿度指数来确认混凝土内部不同位置的湿度作以说明。

首先，借鉴小波分析处理数据过程中采用均方差来定义损伤指标的方法，定义湿度指数Moisture Index (MI)：

（1）

其中I_i可为第i种工况下所接收波形信号的幅值、能量或者是平均功率。I₀为干燥状态下所接收波形信号的幅值、能量或者是平均功率，ω为激励信号频率影响系数，d为传感器之间距离对信号的影响系数，k为混凝土种类影响系数。不同频率的简谐波、不同的传播距离和不同种类的混凝土都会导致波形信号的衰减程度不同，在应用此湿度监测方法前可对不同激励简谐波、不同传感器距离和不同种类混凝土的监测系统进行标定，即确定ω，d和k的值，也可直接应用已标定过的固定激励频率和固定传感器距离的监测系统。

在进行计算波形信号的幅值、能量或者平均功率前，可对噪音影响明显的波形信号进行降噪滤波处理。然后对降噪后的信号波形在时域内进行正弦函数拟合，得到波形信号的正弦函数后可进一步计算波形信号的幅值、能量或者平均功率。其中波形信号的能量根据以下公式（2）计算：

（2）