專利名稱：一種實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種監(jiān)測裝置，具體來說是實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的裝置。
背景技術(shù)：
在高樓大廈、地鐵隧道、車站、橋梁、大壩的各種建設(shè)中，都少不了使用混凝土材 料。建成的混凝土工程，受靜壓(工程本身自重應(yīng)力)和動(dòng)壓(如來自載重火車、汽車的 壓力，大型商場或酒店經(jīng)受密集活動(dòng)人群的壓力，水壩受洪水的沖擊)的作用，常常發(fā)生混 凝土工程或建筑物，由于受應(yīng)力作用而導(dǎo)致發(fā)生破壞的重大惡性事故，給人命、財(cái)產(chǎn)造成了 不可彌補(bǔ)的損失。 為了防止這類重大惡性事故的發(fā)生，對于鋼筋混凝土工程，如地鐵隧道、車站、大 壩、橋梁及人員活動(dòng)密集的高樓大廈等，其傳統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性監(jiān)測方法是混凝土澆 灌前，在主要受力承載點(diǎn)的鋼筋上，采用粘貼應(yīng)力、應(yīng)變片的方法，監(jiān)測這些工程的穩(wěn)定性。 該方法雖然可以直接測量出應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，但一旦埋設(shè)，無法更改，如果元件失效 了 ，就無法再繼續(xù)測量了 。而對于沒有預(yù)埋應(yīng)力、應(yīng)變片的工程而言，則無法在工程的使用 過程中進(jìn)行該項(xiàng)監(jiān)測工作。 鋼筋混凝土工程的這種監(jiān)測方法，只有在已經(jīng)發(fā)生了明顯破壞、出現(xiàn)塑性變形的 情況下，才能檢測到數(shù)據(jù)的變化，其無法進(jìn)行早期預(yù)報(bào)或安全處理——很難及時(shí)地預(yù)測混 凝土結(jié)構(gòu)什么時(shí)間會發(fā)生冒頂、斷裂事故，以及可能發(fā)生事故的區(qū)域和規(guī)模。即，其監(jiān)測的 仍然是應(yīng)力作用的結(jié)果，而不是破壞過程，只有材料發(fā)生了塑性變化，才造成應(yīng)力、應(yīng)變的 變化。
實(shí)用新型內(nèi)容為了彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于，提供一種實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝 土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的裝置，能夠連續(xù)、可靠地對鋼筋、混凝土材料工程之穩(wěn)定性，實(shí)施安全 本實(shí)用新型的構(gòu)思，來自煤礦大面積冒頂事故(沖擊地壓)監(jiān)測原理的啟發(fā)。礦井 大面積冒頂事故的監(jiān)測技術(shù)的原理為巖石在受到礦山壓力作用發(fā)生破壞時(shí)，會產(chǎn)生彈性 應(yīng)力波(微震信號)。由于巖石是非均質(zhì)的脆性材料，結(jié)構(gòu)上含有弱面、節(jié)理和瑕疵，因此， 在相同礦山壓力作用下，弱面和瑕疵發(fā)育的部分首先破壞，此時(shí)產(chǎn)生的微震信號比較弱，釋 放的能量也比較小(即巖層破壞的前兆信息)；強(qiáng)度和材質(zhì)比較好的部分承受的應(yīng)力比較 大，破壞時(shí)產(chǎn)生的微震信號比較強(qiáng)，釋放的能量也比較大(即發(fā)生事故前產(chǎn)生的信息)。利 用巖石材料的這種特性而開發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井大面積冒頂?shù)难b置和分析方法，已經(jīng)在煤礦 逐漸進(jìn)行了推廣、應(yīng)用。 鋼筋混凝土構(gòu)件是由一定比例的水泥、沙子、石塊和鋼筋混合、澆灌組成的材料。 由于混凝土材料主要成份為沙子、石塊，因此，與巖石材料存在著很大的相似性，同樣具有 均值性差，弱面多和瑕疵發(fā)育的特點(diǎn)，同時(shí)，在澆灌過程中由于攪拌、振動(dòng)不充分，含有部分氣孔；混凝土材料的這種特性提示我們，可以將煤礦取得的一些研究成果應(yīng)用到混凝土材 料工程中來。 鋼筋混凝土構(gòu)件與巖石除了有上述共性外，還有一些不同之處。鋼筋混凝土材料 比巖石材料的強(qiáng)度大得多，水泥的標(biāo)號越高，混凝土構(gòu)件承載性越強(qiáng)，發(fā)生破壞時(shí)，釋放出 的微震信號就越強(qiáng)；但前期破壞時(shí)，信號較弱。研究表明隨著水泥標(biāo)號不同，混凝土材料 發(fā)生破壞時(shí)釋放出的微震信號主頻在460Hz 930Hz范圍內(nèi)；由于混凝土材料發(fā)生破壞時(shí) 釋放出微震信號主頻與巖石材料有很大的不同，因此，在礦井大面積冒頂監(jiān)測中使用的微 震信號傳感元件不能使用在混凝土材料工程中，必須研發(fā)適合混凝土材料的微震信號傳感 元件。 混凝土工程監(jiān)測所受的環(huán)境噪音信號與礦井環(huán)境噪音信號有很大的不同，他是一
種動(dòng)態(tài)噪音干擾的影響，如橋梁受重載汽車通過時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)噪音信號；隧道或地鐵當(dāng)機(jī)
車通過時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)(產(chǎn)生噪音信號的位置是變化的、信號的強(qiáng)弱也是變化的)噪音信號；
人員活動(dòng)比較密集的商場、酒店，由于人員分布不均、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)干擾信號。 研究表明在集中應(yīng)力作用下，任何材料的破壞都是從弱面或瑕疵開始，從微觀的
破壞，逐漸發(fā)展為明顯的破壞，以致發(fā)生塌陷事故；這種混凝土材料在集中應(yīng)力作用下發(fā)
生的微觀破壞對研究工程穩(wěn)定性的專家而言十分重要，研發(fā)的儀器、儀表對早期的微觀破
壞發(fā)現(xiàn)的越早、準(zhǔn)確性越高，該儀器、儀表的使用價(jià)值就越大，越能有效的避免重大惡性事
故的發(fā)生；因此，研發(fā)該類儀器、儀表，一直是國內(nèi)外科研人員奮斗的目標(biāo)；但是，如何獲取
混凝土材料在應(yīng)力作用下早期發(fā)生破壞釋放出的十分微弱的微震信號，并濾除動(dòng)態(tài)干擾信
號， 一直是困擾著國內(nèi)、外研究者的一大難題。 本實(shí)用新型巧妙地將監(jiān)測礦井大面積冒頂事故發(fā)生破壞的監(jiān)測原理，運(yùn)用到混凝 土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的監(jiān)測中，并針對混凝土材料受應(yīng)力作用發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波信號 (微震信號)主頻范圍、且受動(dòng)態(tài)環(huán)境噪音干擾的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng) 態(tài)穩(wěn)定性的裝置。 本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的由微震信號傳感元件安裝座(D、微震信號傳感元件 (2)和多通道微震信號采集、分析主機(jī)(3)組成，微震信號傳感元件安裝底座(1)粘接在混 凝土材料工程上，用屏蔽電纜線將傳感元件(2)與多通道微震信號采集、分析主機(jī)(3)相 連；所說的多通道微震信號采集、分析主機(jī)(3)，由濾波電路(5)、有效微震信號的放大、整 形電路(6)，有效信號檢測、比較器(7)，單片微機(jī)(8)，多通道高速數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換(9)和 實(shí)時(shí)分析混凝土材料構(gòu)件穩(wěn)定性的分析、處理軟件組成。所說微震信號的傳感元件(2)的 主頻范圍為420Hz 980Hz。所說的濾波電路(5)中，含有對微震傳感元件接收的信號進(jìn)行 放大的前置放大器(15)，允許頻率^ 420Hz的微震信號通過而濾除< 420Hz的信號的高通 濾波器(16)，求動(dòng)態(tài)噪音信號平均值的電路(17)，確定動(dòng)態(tài)噪音信號的參數(shù)并修改當(dāng)前動(dòng) 態(tài)噪音信號比較基準(zhǔn)的基準(zhǔn)電路(18)，噪音信號比較、濾波電路(19)。 1.本實(shí)用新型幾個(gè)主要部件的作用是 1)微震信號安裝座——選擇微震信號的采集點(diǎn)，安裝微震信號傳感元件 2)微震信號傳感元件——接收微震信號，當(dāng)混凝土材料破壞時(shí)，微震信號主頻 420Hz 980Hz范圍內(nèi)的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?由于元件對該范圍內(nèi)信號的敏感性及跟隨性 較好，因此，得到最高效的轉(zhuǎn)換；對于超出該范圍的信號由于元件特性決定，敏感性及跟隨特性較差，得到最大限度的衰減)。 3)微震信號采集分析主機(jī)——接收微震信號傳感元件的微震波電信號，經(jīng)過放 大、整形、帶通濾波(僅允許主頻在420Hz 980Hz微震信號通過)、高速數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)、實(shí) 時(shí)分析、判斷、顯示報(bào)警及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)送。 使用時(shí)，根據(jù)混凝土工程的條件，在可能的應(yīng)力集中點(diǎn)(如高層建筑物——承載 大梁的中部、橋梁——跨度大梁的中部、隧道——每隔一定的間距)，用水泥安裝底座固結(jié) 在安裝位置，將微震信號傳感元件安裝在底座上；用電纜將傳感元件與微震信號采集分析 主機(jī)相連。 2.環(huán)境噪音信號的濾除 在長期的研究中，發(fā)明人對機(jī)車通過隧道及載重汽車通過橋梁、隧道時(shí)產(chǎn)生的噪 音信號進(jìn)行了頻譜、波形特征的分析，發(fā)現(xiàn)這些噪音信號符合機(jī)械噪音信號特征，即具有 固有頻率(運(yùn)行速率所決定的)，主要為低頻信號，信號主頻在70Hz 360Hz范圍內(nèi)；噪音 信號的波形正半周與負(fù)半周有明顯的對稱性。 大型商場，人員密集活動(dòng)產(chǎn)生的噪音信號，頻率更低(不超過10Hz)，信號強(qiáng)度較弱。 根據(jù)上述諸多特點(diǎn)，利用對混凝土材料破壞過程中釋放的微震信號的主頻范圍的 研究成果，研發(fā)了跟隨、轉(zhuǎn)換主頻在420Hz 980Hz范圍內(nèi)微震信號傳感、接收元件；利用對 機(jī)車或載重汽車在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪音信號的研究成果，開發(fā)了相應(yīng)的硬件濾波電路和 多通道數(shù)據(jù)高速采樣電路。基本達(dá)到了濾除機(jī)車或載重汽車產(chǎn)生的環(huán)境噪音信號、識別出 混凝土微小斷裂釋放的震動(dòng)波信號的目的。最大限度地提高對混凝土破壞時(shí)產(chǎn)生的微震信 號的敏感度和強(qiáng)度，最大限度地衰減環(huán)境噪音信號的影響。 3.該實(shí)用新型的優(yōu)越性 本實(shí)用新型，針對各種類別的混凝土材料工程和構(gòu)件發(fā)生破壞時(shí)，產(chǎn)生的微震信 號的頻譜特征，研發(fā)了適合混凝土材料，接收主頻在420Hz 980Hz范圍內(nèi)微震信號的傳感 元件；針對機(jī)車和載重汽車等動(dòng)態(tài)載荷在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音信號的頻譜和波形特征研 發(fā)了相應(yīng)的硬件濾波電路，解決了識別、并濾除噪音信號的問題；針對混凝土材料發(fā)生微小 斷裂時(shí)釋放的微震信號特點(diǎn)，利用波形及該類材料破壞時(shí)的信號主頻范圍，開發(fā)了適合主 頻420Hz 980Hz范圍內(nèi)微震信號帶通濾波電路和多通道數(shù)據(jù)高速采樣電路；基本解決了 動(dòng)態(tài)載荷運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音信號分離問題，達(dá)到了識別及實(shí)時(shí)采集混凝土材料破壞時(shí) 釋放的微震波信號的目的。 其優(yōu)點(diǎn)在于其一，建立在實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土材料受集中應(yīng)力作用發(fā)生破壞而產(chǎn)生 的彈性應(yīng)力波上，本實(shí)用新型重點(diǎn)監(jiān)測的是混凝土材料的破壞過程，特別是前期微觀破壞 以及發(fā)展、變化過程，而不是最終的破壞結(jié)果；因此，該實(shí)用新型更適合對隧道、橋梁、地下 車站、水壩、高樓大廈等建筑物受集中應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對可 能引發(fā)的惡性事故進(jìn)行早期的評價(jià)和預(yù)報(bào)； 其二，彈性應(yīng)力波通過混凝土材料進(jìn)行傳播，僅在混凝土工程可能的應(yīng)力集中點(diǎn) 貼裝傳感元件(相當(dāng)于給監(jiān)測工程安裝了 l組監(jiān)測聽診器)，安裝、使用、拆卸十分方便，不 會對原工程的完整性結(jié)構(gòu)、整體運(yùn)行產(chǎn)生任何影響，可以在新、老工程的任何階段安裝、實(shí) 施。
5[0027] 其三，傳感器為多傳感元件組合，具有就地顯示、報(bào)警功能； 本實(shí)用新型適用于橋梁、隧道、地下車站、水壩等混凝土材料工程的穩(wěn)定性監(jiān)測。 通過一套微震信號的識別、采集、動(dòng)態(tài)噪音信號濾波，能將混凝土材料斷裂時(shí)釋放聲波信號 的識別率提高到80%以上，居世界領(lǐng)先水平。
圖1.本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2.本實(shí)用新型電氣原理示意圖； 圖3本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)載荷干擾噪音信號濾波硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖 圖1-1為本實(shí)用新型在隧道工程中的安裝平面示意圖；圖1-2本實(shí)用新型在隧道
工程安裝圖1-1的A-A剖面示意圖；1微震信號傳感元件安裝座，2微震信號傳感元件，3多
通道微震信號采集、分析主機(jī)(可接8個(gè)微震傳感元件，8個(gè)傳感元件按照一定的間距布置)。 圖2為本實(shí)用新型電氣原理示意圖；4將低頻微震信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?濾除動(dòng)態(tài) 載荷噪音信號電路(僅允許主頻在420Hz 980Hz微震信號通過)；6有效微震信號的放大、 整形電路；7有效信號檢測、比較器電路；8單片微機(jī)；9多通道高速數(shù)據(jù)采集(A/D轉(zhuǎn)換)； 10LED顯示；11聲光報(bào)警；12遙控調(diào)校；13EEPR0M數(shù)據(jù)存貯器；14實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳送。 圖3本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)載荷干擾噪音信號濾波硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖；15前置放大 器；16高通濾波器；17求動(dòng)態(tài)噪音信號平均值電路；18當(dāng)前動(dòng)態(tài)噪音信號基準(zhǔn)電路；19動(dòng) 態(tài)噪音信號比較、濾波；20混凝土隧道。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖敘述一個(gè)本實(shí)用新型在混凝土隧道工程使用的實(shí)施例。
圖1顯示了本實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu) 使用時(shí)，根據(jù)隧道的斷面的大小和長度，在被監(jiān)測隧道20中每隔一定間距，用水 泥在巷道壁上粘接一塊鋼板，鋼板上焊接有元件安裝底座l，在底座中安裝微震信號傳感元 件2，將微震信號傳感元件2與多通道微震信號采集、分析主機(jī)3相連。 本實(shí)施例，通過在隧道壁上粘接微震信號安裝底座l，選擇微震信號的采集點(diǎn)，傳 導(dǎo)微震信號至微震傳感元件2 ;微震傳感元件2僅將主頻在420Hz 980Hz微震信號轉(zhuǎn)變 為電信號(傳感元件僅對在主頻范圍的信號有良好轉(zhuǎn)換跟隨性)，因此，在這一級，基本濾 除了動(dòng)態(tài)載荷噪音信號； 圖2是本實(shí)用新型電氣原理示意圖。通過微震信號傳感元件將微震信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡?信號4，根據(jù)機(jī)械信號特點(diǎn)濾除噪音信號電路5，針對機(jī)械噪音信號的頻譜和波形特征，濾 除420Hz以下動(dòng)態(tài)噪音干擾信號，僅允許主頻在420Hz 980Hz頻段范圍內(nèi)的微震信號通 過，進(jìn)一步濾除了干擾噪音信號；濾除后的信號經(jīng)過放大、整形電路6處理；有效信號檢測、 比較器7，當(dāng)檢測到有有效信號時(shí)，向單片微機(jī)8發(fā)出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集申請，由單片微機(jī)啟動(dòng) 多通道高速數(shù)據(jù)采集9(A/D轉(zhuǎn)換)，對檢測到有有效信號的通道，以50000Hz/S的速率，進(jìn) 行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，單片微機(jī)8統(tǒng)計(jì)在單位時(shí)間(分鐘、小時(shí)、日)內(nèi)的微震信號，根據(jù)數(shù)學(xué)模 型進(jìn)行分析、判斷處理；送原始數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)分析結(jié)果到LED顯示IO進(jìn)行顯示，通過聲光報(bào)警 11進(jìn)行就地報(bào)警，并將處理、分析結(jié)果存入EEPROM數(shù)據(jù)存貯器13。 通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳送14，將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。遙控調(diào)校12，
6為檢測多通道微震信號采集分析主機(jī)3設(shè)置初始參數(shù)。 圖3本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)載荷干擾噪音信號濾波硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖。前置放大器15 對微震傳感元件接收的信號進(jìn)行放大；高通濾波器16允許頻率^ 420Hz的微震信號通過， 而濾除< 420Hz的信號；求動(dòng)態(tài)噪音信號平均值電路17，確定動(dòng)態(tài)噪音信號的參數(shù)，并修改 當(dāng)前動(dòng)態(tài)噪音信號基準(zhǔn)電路18的比較基準(zhǔn)；噪音信號比較、濾波19，通過比較進(jìn)一步濾除 動(dòng)態(tài)噪音信號，允許信號振幅不對稱，振幅大小不等的微震信號通過。
權(quán)利要求一種實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的裝置，其特征在于由微震信號傳感元件安裝座(1)、微震信號傳感元件(2)和多通道微震信號采集、分析主機(jī)(3)組成，微震信號傳感元件安裝底座(1)粘接在混凝土材料工程上，用屏蔽電纜線將傳感元件(2)與多通道微震信號采集、分析主機(jī)(3)相連；所說的多通道微震信號采集、分析主機(jī)(3)，由濾波電路(5)、有效微震信號的放大、整形電路(6)，有效信號檢測、比較器(7)，單片微機(jī)(8)，多通道高速數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換(9)和實(shí)時(shí)分析混凝土材料構(gòu)件穩(wěn)定性的分析、處理軟件組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的裝置，其特征在于 所說微震信號的傳感元件(2)的主頻范圍為420Hz 980Hz。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的裝置，其特征在于 所說的濾波電路(5)中，含有對微震傳感元件接收的信號進(jìn)行放大的前置放大器(15)，允 許頻率^ 420Hz的微震信號通過而濾除< 420Hz的信號的高通濾波器(16)，求動(dòng)態(tài)噪音信 號平均值的電路(17)，確定動(dòng)態(tài)噪音信號的參數(shù)并修改當(dāng)前動(dòng)態(tài)噪音信號比較基準(zhǔn)的基準(zhǔn) 電路(18)，噪音信號比較、濾波電路(19)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的裝置，主要由微震信號傳感元件安裝座、微震信號傳感元件和多通道微震信號采集、分析主機(jī)組成。多通道微震信號采集、分析主機(jī)中，設(shè)有濾波電路、多通道數(shù)據(jù)高速采樣電路和實(shí)時(shí)分析混凝土材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析、處理軟件。本實(shí)用新型適用對以混凝土為主要材料的隧道、橋梁、地下車站、水壩、高樓大廈等建筑物的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對可能引發(fā)的惡性事故進(jìn)行早期的評價(jià)和預(yù)報(bào)；通過一套動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的噪音信號的識別、比較、濾除及采集有效信號的技術(shù)，將混凝土材料斷裂時(shí)釋放微震信號的識別率提高到80％以上，很好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的目的。
文檔編號G01N29/34GK201503423SQ20092003181
公開日2010年6月9日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者蘇燹 申請人:西安西科測控設(shè)備有限責(zé)任公司