[发明专利]一种基于压电传感技术的预应力钢筒混凝土管砂浆保护层开裂监测的装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于压电传感技术的预应力钢筒混凝土管砂浆保护层开裂监测的装置，以锆钛酸铅系压电陶瓷片（PZT）作为传感器埋入在砂浆保护层的内部，用于发射信号及信号的接收，该信号以机械体波的形式在砂浆内进行传播。发射端的PZT压电陶瓷片被激发振动产生应力波之后在砂浆内部进行传播，当传播至砂浆开裂处时，由于散射、绕射、反射等原因会造成应力波产生能量损失，当其最终传播至PZT压电陶瓷片接收端时，将会引起振动产生电信号。通过对比完好砂浆情况下和砂浆开裂情况下的电信号的幅值、波形、能量等物理量确定砂浆开裂的存在、位置及数量。本发明装置具备成本低、灵敏度高、稳定性好等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于压电传感技术的裂缝监测装置及方法。

背景技术

PCCP管是我国近十几年来在引进和消化吸收国外先进技术和关键设备基础之上研究发展起来的第一代预应力混凝土压力管，目前在南水北调等国家战略输水工程之中大量采用，具有很强的工程应用背景。而砂浆保护层位于PCCP结构的最外层，承担了抗渗、抗碳化、抗硫酸盐、抗氯离子侵袭等任务，保证了内部的预应力钢丝和钢筒免受水和其他腐蚀介质的侵蚀，从而保障PCCP管的结构安全性和使用寿命。因此，PCCP管砂浆保护层对PCCP结构的使用和维护有着十分重要的意义。而目前针对工程材料损伤开裂的无损监测研究主要集中在混凝土和钢结构上，针对砂浆还缺乏有效可行的方法和深入研究。基于以上几点，开发一种成本低廉，且可以试用于PCCP管实际工作运行状态的砂浆保护层开裂监测方法及装置就显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电传感技术的预应力钢筒混凝土管(PCCP)砂浆保护层开裂监测的装置及方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于压电传感技术的预应力钢筒混凝土管(PCCP)砂浆保护层开裂监测的装置，括示波器、数据分析系统、动态数据采集系统和预埋在PCCP监测段内的锆钛酸铅系压电陶瓷片。

所述PCCP监测段为两端敞口且内部中空的管段，PCCP监测段包括内管芯混凝土、外管芯混凝土和砂浆保护层，内管芯混凝土为管壁的最内层，内管芯混凝土的外表面套设有钢筒，钢筒的外表面包裹有外管芯混凝土，外管芯混凝土上缠绕有预应力钢丝，砂浆保护层将外管芯混凝土和预应力钢丝包裹。

若干所述锆钛酸铅系压电陶瓷片预埋在PCCP监测段的砂浆保护层内，每三个锆钛酸铅系压电陶瓷片分布在砂浆保护层的同一横截面上，这三个锆钛酸铅系压电陶瓷片沿砂浆保护层的周向等间距布置，这三个锆钛酸铅系压电陶瓷片组成一个压电陶瓷片组，若干压电陶瓷片组沿砂浆保护层的轴向等间距布置。

所述示波器与一个锆钛酸铅系压电陶瓷片连接，该锆钛酸铅系压电陶瓷片作为信号发射端。所述动态数据采集系统与信号发射端相邻的锆钛酸铅系压电陶瓷片连接，该锆钛酸铅系压电陶瓷片作为信号接收端。所述示波器通过正弦信号激发所连接的锆钛酸铅系压电陶瓷片振动，锆钛酸铅系压电陶瓷片产生振动并生成应力波，信号接收端的锆钛酸铅系压电陶瓷片因应力波产生电信号，动态数据采集系统接收该电信号，并将电信号传送至数据分析系统进行数据储存和分析处理。

进一步，所述锆钛酸铅系压电陶瓷片上设置有正负极接线头，正负极接线头伸出PCCP监测段的砂浆保护层。

所述示波器与锆钛酸铅系压电陶瓷片上的正负极接线头连接，动态数据采集系统与锆钛酸铅系压电陶瓷片上的正负极接线头连接。

进一步，所述锆钛酸铅系压电陶瓷片距离砂浆保护层的外表面1~2mm。

一种基于压电传感技术的预应力钢筒混凝土管(PCCP)砂浆保护层开裂监测的方法，基于上述的装置，包括以下步骤：

1)浇筑两个所述PCCP监测段的内管芯混凝土和外管芯混凝土，并在每个外管芯混凝土的表面缠绕预应力钢丝。