[发明专利]一种基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法

摘要

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。

主权项

一种基于压电智能骨料的混凝土湿度监测方法，该方法包括以下步骤：步骤(1)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；步骤(2)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；步骤(3)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；步骤(4)借助接收信号在混凝土内部传播的波的幅值、能量、平均功率来确认混凝土内部不同位置的湿度；所述步骤(4)中，借助接收信号在混凝土内部传播的波的幅值、能量、平均功率与系统试验标定作比较以确认混凝土内部不同位置的湿度；所述系统试验标定包括以下步骤：步骤(a)在混凝土试件内部不同距离埋入压电智能骨料传感器，两传感器相距一定距离，该距离可调整，与预埋在待监测的混凝土结构中预埋的传感器间距保持一致；该混凝土试件与待监测的混凝土结构的混凝土类型、组分、龄期相同；步骤(b)将混凝土试件放入干燥箱内干燥，直至干燥状态，该状态下试件重量不再减小，为验证试验结果的稳定性，试件数量取多个；步骤(c)取出试件，称重得到全干状态下的试件重量G1，此时相对湿度为0％，渗水深度为0mm，称重完毕后马上利用监测系统进行信号测量，得到全干状态下接收信号的波形信息,步骤(d)相对湿度的标定：将混凝土试件置于恒湿箱中，根据精度要求在0％～100％范围内不同相对湿度下养护至重量不变，称重记为Gi，并在此重量下进行信号测量，得到不同相对湿度下的波形信息；渗水深度的标定：依次将试件分别置于不同深度的水中浸泡，根据精度要求选择N种深度划分，每隔固定时间取出，浸泡时间要保证在此深度下，混凝土已完全浸透，擦干表面水分并称重，得到其他N种不同渗水深度工况下的试件总重量GN+1，每次称重完毕后立即进行信号测量，得到不同含水率下的波形信息；对于每一种工况，均按照固定频率简谐波1Hz、5Hz、10Hz以及正弦扫频1‑100Hz单个脉冲波的顺序进行试验；简谐波用于比较不同含水率条件下的接收波波形的幅值差异，并通过后期数据处理计算相关湿度评价指标；正弦扫频得到不同频率的波在不同湿度条件下的损耗情况，在不同湿度工况下进行扫频，然后对扫频信号进行傅里叶变换，进行频域分析，确定湿度对不同激励频率信号的影响，用于选取适用于监测的激励频率；在简谐波测量阶段，分别采用1Hz、5Hz、10Hz三种频率进行主动监测，首先由信号发生器发射固定频率的简谐波，信号经功率放大器放大后输入位于试件一端的压电智能骨料驱动器，压电材料将电信号转换为振动信号，并以波的形式在混凝土介质中传播，位于试件另一端的压电智能骨料传感器接收到信号后再次将振动信号转换为电信号，并传输到示波器中存储记忆；步骤(e)数据处理与分析：饱和状态和全干状态下，试件总质量之差，即吸水总质量，不同工况下的吸水质量与吸水总质量之比即为该工况下的含水率；渗水深度与试件总高之比即为该工况下的渗水深度占总高的百分比；在不同含水率条件下，分析接收到的简谐波幅值平均值，得到波形幅值随渗水深度的变化趋势；计算不同工况下的单周波形能量；同时，根据采集到的波形计算出了采样总时长内，进一步计算得到波形总能量，得出相同频率下波形能量随渗水高度的变化趋势；计算不同频率简谐波的平均功率随渗水深度的变化趋势，进一步，采用归一化的方法，线性归一化平均功率，得到归一化后的平均功率值随渗水深度的变化趋势；根据幅值的相对大小、能量以及平均功率对混凝土构件中的含水情况做出初步定性判别；通过公式计算湿度指数，其中为MIi湿度指数，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，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的值可以得到不同渗水深度、含水量下混凝土的湿度指数；最终得到本龄期、本类混凝土，在本激励频率、标距条件下的混凝土湿度指数与渗水深度之间一对一的关系。