CN102147284A - 一种钢筋混凝土结构建筑物声音振动和结构应力变化监测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢筋混凝土结构的建筑物声音振动和结构应力变化监测传感器，该传感器由分布在建筑物钢筋混凝土结构中或表面的传感单元、信号处理单元、信号传送单元和供电单元组成。传感单元采用一个或多个感知0.01Hz到10kHz的声音、振动和0.01kPa到1000kPa结构应力的共聚物压电传感器组成。信号处理单元对接收的传感单元的感知信号或数据进行预处理之后。信号传送单元将数据发送到监测基站。供电电源负责整个传感器供电。本发明的传感器具有成本低、安装易和组网灵活的特点，能够实现任意大区域建筑物的长期健康实时监测和预警。
Description
【技术领域】
本发明涉及建筑物结构健康监测预警和传感器及电路设计领域，具体涉及一种低成本、可以在钢筋混凝土结构建筑物中大规模布局，全方位建筑物声音振动和结构应力和裂缝监控的传感器。
【背景技术】
大型结构健康监测技术通过测量结构响应与环境参数，并通过结构分析和实验比照，以期实现结构损伤的检测、识别与评估。结构损伤可能是由于受到环境作用(如地震，强风，地基不均匀下沉等)、人为破坏或者长期累积疲劳所造成的。通过分析结构响应数据，可以掌握结构的受力变化或变形状态，最重要的监测是否存在损伤。一旦检测到损伤，就要给出相应的预警。
大型结构健康检测系统的监控内容包括：
(1)结构的固定模态及其相对应的阻尼；
(2)结构在正常荷载及风载作用下的结构响应及力学状态；
(3)结构在突发事件(比如强烈地震、台风或地基不均匀下沉等)之后的损伤情况；
(4)结构构件的真实疲劳状况；
(5)重要非结构构件(如桥墩处的支座)和附属设施的工作状态；
(6)结构所处的环境条件，比如风速、温度、地面运动等。
其中最重要的是在结构遭遇突发事件(比如强烈地震、台风或地基不均匀下沉等)后的健康监测和结构的疲劳损伤(如混凝土裂缝或钢筋形变等)监测，并给出相应的预警。
结构健康监测和安全评估发展的最重要目标，是实时对结构的运营状态进行监测与评估，根据监测数据分析结果，对设计荷载工况参数进行验证，并对结构的传力受力机理进行深入探讨和研究，为结构理论研究提供长期连续的实测试验数据。解决问题的关键在于实现低成本、广覆盖的建筑物的实时健康监测。
以振动分析为基础的结构状态监测与健康评价方法是这个领域的主要研究内容。这种方法用模态参数构造能够反映结构动力特性的动力指纹或状态特征，通过对比完好状态和受损状态的动力学特征来评价结构的健康状态。解决问题的核心仍然是实现低成本、广覆盖的建筑物声音、振动和结构应力变化以及混凝上裂缝等结构形变的实时监测。
【发明内容】
本发明的主要目的就是解决对钢筋混凝土结构的建筑物健康大规模地、长期地、实时地监测的问题，提供一种能连续监测建筑物声音振动和结构应力变化以及裂缝的传感器，具有低成本、高可靠性、可以密集布局监测点，实时监测大面积区域内建筑物的声音、振动、应力变化、结构形变和混凝土裂缝，从而进行建筑物结构健康分析和预警。
为实现上述目的，本发明提供一种钢筋混凝土结构的建筑物声音振动和结构应力变化监测传感器，其特征在于：包括至少一个声音振动和应力变化传感单元、一个信号处理单元、信号传送单元和一个供电单元。每个声音振动和应力变化传感单元包含至少一个共聚物压电声音振动传感器和至少一个应力变化传感器。同一个传感单元中的所有传感器与一个信号处理单元互联，一个信号处理单元与一个信号传送单元相连，每个单元都由供电单元提供能量。
特定建筑物健康盐测单元结构，即声音振动、应力变化和裂缝传感单元，其特征在于：所述监测单元包含一个或多个共聚物压电声音振动传感器和结构应力变化传感器。传感单元能够获得0.01Hz到10k Hz的声音、振动，能够获得0.01kPa到1000kPa的结构应力变化，能够监测混凝土裂缝和结构变形。传感单元的共聚物压电传感器，感知声音振动和结构应力变化，感知结构形变和混凝土裂缝，感知信号经过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、低电容-89pF/m、可达100m或更长)连接到信号处理单元，之后进行采样量化，通过信号传送单元向外发送。
本发明的有益效果是：提供了一种能够对钢筋混凝土结构的建筑物健 康大规模地、长期地、实时地监测的传感器，提供一种全结构、大范围、连续建筑物监测方法，具有低成本、可以密集布局监测点，实时监测大面积区域内建筑物的声音、振动、应力变化、结构形变和混凝土裂缝的异常情况，从而进行建筑物建构健康分析和预警。
【具体实施方式和附图说明】
本申请的特征及优点将通过实施例，结合附图进行说明。
图1给出的是基于钢筋混凝土结构的建筑物的声音振动和结构应力变化监测的传感器的实施例。结构应力变化传感器，如图2所示，沿混凝土柱长度方向预浇筑，和整个柱子结合一体。该传感器能够监测柱体本身的细微应力变化，从而监测柱子的结构健康状况。声音振动传感器，如图4，附着到柱子表面并固定，柱子的受外界影响产生的声音和振动能够被该共聚物声音振动传感器所接收，从而监测柱子的结构健康状况。上述两个传感器通过无源电缆连接到信号处理单元、信号传送单元和供电单元。
图2是一个应力传感器的示例，整个传感器由共聚物压电传感器、塑料保护头、塑料保护尾和无源电缆组成。共聚物传感器体剖面图如图3所示，从外而内依次是硬质保护层、填充层，传感器中心是共聚物压电材料。硬质保护层由柔韧性好的金属材料构成，如铜，因此整个传感器具有一定柔软度，也保持良好韧性。
图4是一个声音振动传感器的示例，整个传感器由共聚物压电传感器、固定板和无源电缆组成。传感器的纵向剖面图如图5所示，从上至下依次是固定板、填充层、共聚物压电材料、填充层和硬质保护层组成。实施安装时将固定板通过胶结、机械紧固的方式固定在混凝土柱表面。
以上内容是结合一种实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种钢筋混凝土结构的建筑物声音振动和结构应力变化监测传感器，其特征在于：包括至少一个声音振动和应力变化传感单元、一个信号处理单元、信号传送单元和一个供电单元。所述每个声音振动和应力传感单元包含至少一个共聚物压电声音振动传感器和至少一个应力变化传感器。同一个传感单元中的所有传感器与一个信号处理单元互联，一个信号处理单元与一个信号传送单元相连，上述每个单元都由供电单元提供能量。
2.如权利要求1所述的特定声音振动监测单元结构，其特征在于：所述监测单元包含一个或多个共聚物压电声音、振动传感单元，传感单元能够获得0.01Hz到10k Hz的声音、振动。
3.如权利要求1所述的特定结构应力变化和裂缝传感监测单元结构，其特征在于：所述监测单元包含一个或多个共聚物结构应力变化传感单元。该传感单元能够获得0.01kPa到1000kPa的结构应力变化，能够监测混凝土裂缝和结构变形。
4.如权利要求2和3所述的特定传感单元结构，其特征在于：所述传感单元的共聚物压电传感器，感知声音、振动和结构应力变化，感知结构形变和混凝土裂缝，感知信号经过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、低电容-89pF/m、可达100m或更长)。
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