一種用于混凝土結構的健康監測系統技術方案

本發明專利技術是一種用于混凝土結構的健康監測系統，系統包括：傳感器子系統、數據采集子系統、通訊系統以及監控中心。傳感器子系統包含壓電智能骨料等傳感器，壓電智能骨料用于對混凝結構的裂縫進行監測，壓電力傳感器用于采集結構的沖擊荷載，加速度傳感器獲取結構振動信息；數據采集子系統主要由數據采集卡和壓電陶瓷驅動電源、電荷放大器等附屬設備構成；通信子系統則采用有線方式，以太網建立TCP/IP協議的形式與上位機進行通信；監控中心主要包括主動監測模塊、被動監測模塊以及加速度監測模塊等軟件功能模塊。本發明專利技術操作簡單、人機交互性強，后期也可根據實際需要進行擴展，非常適用于實際工程中對混凝土結構的健康監測。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及土木工程結構監測
，具體涉及一種用于混凝土結構的結構健康監測系統。
技術介紹
當前，我國處于大規模的基礎設施建設時期，混凝土結構作為一種應用最普遍的結構形式，被廣泛地應用于各類工程結構的建設。在其漫長的服役過程中，不可避免地發生材料老化及損傷，從而降低結構的可靠性，因此結構可靠問題一直受到廣泛的關注。結構健康監測作為一種能夠通過獲取結構的相關信息，及時發現結構的損傷，進而向用戶做出安全預警的技術，是近年來土木工程領域的研究熱點之一。然而，傳統的混凝土結構無損檢測手段(如超聲脈沖法、回彈法等)，通過直接測量結構的相關物理量，雖然可以快速地實現對結構局部損傷的檢測，但是作為局部的離線式檢測方法，存在信息的滯后性，無法實現真正的實時在線的“結構損傷診斷和健康監測”。伴隨著基于現代智能結構的思想發展起來的結構健康監測技術,它集成了傳感技術、計算機技術、信息處理與損傷識別技術、模式識別等多學科知識，為實現傳統的離線、靜態、被動的損傷檢測向實時、在線、動態的監測與控制轉變提供了可能。其中，在混凝土結構的健康監測領域，基于壓電陶瓷智能材料的健康監測技術由于在混凝土監測方面的眾多優勢，其研究已經取得了豐碩的階段性成果。如利用壓電陶瓷的正逆壓電效應發射檢測信號對結構的健康狀態進行主被動監測；利用響應速度快、線性關系好等特點制作成具有高靈敏度的動態力傳感器、加速度傳感器等。但遺憾的是由于缺少相應配套監測平臺的開發，使得此項技術還未實現工程實用化。只是停留在理論仿真和實驗室試驗研究階段。特別是在壓電監測系統的硬件集成性的研究、開發針對壓電問題的通用型分析軟件以及相應平臺的健壯性、可靠性等方面有待解決。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種用于混凝土結構的便攜式結構健康監測系統，該系統通過壓電系列傳感器可以實現對混凝土結構的裂縫、沖擊荷載以及加速度等多物理量進行監測，同時通過系統的軟件平臺實現對結構健康狀態的評估和安全預警等功能。本專利技術的技術方案是一種用于混凝土結構的健康監測系統，該系統包括傳感器子系統、數據采集子系統、通訊系統以及監控中心；所述的傳感器子系統包含壓電智能骨料、壓電力傳感器以及內裝IC的壓電式加速度傳感器；所述數據采集子系統主要有數據采集平臺和附屬設備構成；所述通信子系統則采用有線方式；所述監控中心則有軟硬件構成，軟件部分主要包括主動監測模塊、被動監測模塊以及加速度監測模塊等功能模塊。硬件則有電腦、備用電源構成；其特征在于所述健康監測系統的工作流程為傳感器子系統通過傳感器感知待測結構的相關物理量，然后將各類傳感器信號通過數據采集子系統控制數據采集平臺實現采集以及信號的初步處理，再通過通信系統將數據上傳到監控中心，在監控中心則完成的進一步處理，如濾波、損傷識別、安全預警以及數據存儲功能。壓電智能骨料壓電智能骨料用于對混凝結構的裂縫進行監測，壓電力傳感器用于采集結構的沖擊荷載，加速度傳感器獲取結構振動信息。傳感器子系統中的壓電智能骨料傳感器的布置方式是將壓電智能骨料以列陣的形式構成傳感-驅動掃描通道，布置于建筑的結構單元中。數據采集平臺包括CompactRIO 9074嵌入式平臺和NI 9263,NI 9221和NI 9234等數據采集卡；附屬設備有壓電陶瓷驅動電源、電荷放大器等構成。壓電陶瓷驅動電源輸入端與NI 9263輸出端相連，壓電陶瓷驅動電源輸出端與壓電智能骨料相連接；電荷放大器的輸入端與壓電力傳感相連，其輸出端與NI 9234相連。其包含的主動監測模塊、被動監測模塊以及加速度監測模塊等功能模塊，可實現混凝土裂縫損傷的在線監測、沖擊荷載監測以及結構振動信息采集等。主動監測模塊包括監測信號的發射與采集、信號的在線處理與分析、損傷識別以及安全預警、數據的存儲等功能。發射的信號可有IOOHz-IOkHz的掃頻波和正弦波兩種，發射方式有連續式和間斷式；信號的在線處理與分析包括信號的濾波消噪、時域和頻域分析等；損傷識別方法采用信號幅值的能量值作為損傷指數；安全預警可實現聲光預警；數據存儲采用常用的EXCEL表格形式。傳感器子系統是健康監測系統最基礎的子系統，該部分用于對應力，應變，溫度，位移等多物理量進行感知，并以光、電、聲等物理形式輸出，傳遞給數據采集子系統。數據采集子系統則是控制采集傳感系統的各種數據并對信號進行初步處理(如信號調理，數模轉換(A/D)等)，一般安裝于待測結構附近。通信子系統是將采集并處理過的數據通過打包或數據流等形式傳輸到監控中心。一般分為有線和無線兩種通信方式。監控中心是健康監測系統的核心，布置位置也往往選擇比較安全的室內。它往往包含著損傷識別子系統、安全預警子系統、數據庫管理子系統等。主要功能是對獲取的所有結構進行全面分析，利用損傷識別系統對結構的損傷進行定位和程度判定，并最終對結構的健康狀態做出安全評估，如若發現異常，及時發出聲光電等報警信息。同時也擔任著大量監測信息和分析結果等所有數據的存儲、查詢等管理任務。所述的傳感器子系統包含壓電智能骨料、壓電力傳感器以及內裝IC的壓電式加速度傳感器。壓電智能骨料用于對混凝結構的裂縫進行監測，主要采用列陣的形式布置于混凝土結構內部，既可作為傳感器接收信號，也可兼做驅動器發射信號，使用方式采用“一發一收”或“一發多收”等形式；壓電力傳感器用于采集結構的沖擊荷載，一般布置于結構內部；加速度傳感器附于結構外部，用于獲取結構振動信息。所述數據采集子系統主要有數據采集平臺和附屬設備構成。所述數據采集平臺包括美國國家儀器公司生產的CompactRIO 9074嵌入式平臺以及NI 9263,NI 9221和NI 9234等數據采集卡。其中NI 9263用于壓電智能骨料監測信號的發射；NI 9221用于采集壓電智能骨料接收到的信號；NI 9234則用于對壓電力傳感器和加速度信號的采集與轉化。所述附屬設備包括壓電陶瓷驅動電源和電荷放大器。壓電陶瓷驅動電源布置于NI9263板卡的輸出端，信號經NI 9263輸出，通過壓電陶瓷驅動電源放大后傳遞給壓電智能骨料驅動器；電荷放大器布置于壓電力傳感器的輸出端，采集到的電荷信號經壓電力傳感器輸入到電荷放電器內轉化為電壓信號，輸入到NI 9234板卡內。所述通信子系統則采用有線方式，通過以太網建立TCP/IP協議的形式與上位機進行通信。所述監控中心則有軟硬件構成，軟件部分主要包括主動監測模塊、被動監測模塊以及加速度監測模塊等功能模塊。硬件則有電腦、備用電源等構成。所述軟件部分中的主動監測模塊主要包括信號的發射與采集、信號處理分析、損傷識別、狀態評估與安全預警和數據存儲等功能。用于控制NI 9263、NI 9221板卡，可實現對混凝土結構裂縫的監測。所述被動監測模塊和加速度監測模塊則控制NI 9234，用于對動態荷載和振動信息的采集、處理和安全預警。所述的電腦主要作為系統軟件運行的搭載平臺以及數據存儲管理，考慮野外工作，往往選用便攜式筆記本。備用電源可選用常規的UPS電源即可滿足需要。本專利技術的優點是(I)本專利技術將多種壓電陶瓷混凝土結構健康監測技術進行了集成化處理，可完成對混凝土裂縫、動態荷載以及加速度的同步監測，實現了壓電陶瓷混凝土結構健康監測技術從實驗室研究到工程應用的轉化。(2)本專利技術采用嵌入式平臺本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于混凝土結構的健康監測系統，該系統包括：傳感器子系統、數據采集子系統、通訊系統以及監控中心；所述的傳感器子系統包含壓電智能骨料、壓電力傳感器以及內裝IC的壓電式加速度傳感器；所述數據采集子系統主要有數據采集平臺和附屬設備構成；所述通信子系統則采用有線方式；所述監控中心則有軟硬件構成，軟件部分主要包括主動監測模塊、被動監測模塊以及加速度監測模塊等功能模塊；硬件則有電腦、備用電源構成；其特征在于：所述健康監測系統的工作流程為：傳感器子系統通過傳感器感知待測結構的相關物理量，然后將各類傳感器信號通過數據采集子系統控制數據采集平臺實現采集以及信號的初步處理，再通過通信系統將數據上傳到監控中心，在監控中心則完成的進一步處理，如濾波、損傷識別、安全預警以及數據存儲功能。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：閻石，吳建新，孫威，
申請(專利權)人：沈陽建筑大學，
類型：發明
國別省市：