專利名稱：一種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對于建筑工程結(jié)構(gòu)來說，特別是大型建筑工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用何種有效的手段去監(jiān)測其運營中內(nèi)部的裂紋狀態(tài)，以評估其是否安全運營，是一個世界性的科技難題，也是一個迫切要求解決的現(xiàn)實問題。目前國際上發(fā)展的渦流儀、磁測試、X射線法試驗、聲發(fā)射、磁分子和磁漏、沖擊反射和回彈錘、微波吸收以及中子射線照相等技術(shù)，屬于有源檢測技術(shù)，檢測時，系統(tǒng)本身發(fā)射測試信號，信號作用于被測結(jié)構(gòu)并在結(jié)構(gòu)中傳輸，當(dāng)遇到裂紋等被測結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷時發(fā)生反射，通過分析這種反射信號判斷被測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋狀態(tài)。但由于信號受到被測結(jié)構(gòu)介質(zhì)的吸收和散射的影響，強度衰減，傳輸距離受到影響，因而上述技術(shù)只能檢測發(fā)生在接近檢測點附近的結(jié)構(gòu)的裂紋狀況，一般在以檢測點為中心半徑0. 2m，厚0. Im的范圍內(nèi)；且現(xiàn)有的檢測為靜態(tài)檢測，即在某特定時刻的一次性檢測，而不是連續(xù)跟蹤的動態(tài)檢測，即監(jiān)測，不能達(dá)到安全防護(hù)的效果。采用光纖測試技術(shù)，可用于動態(tài)監(jiān)測，而且測試范圍大，但由于組成光纖的材料一般脆性大，在測試中不能進(jìn)行大應(yīng)變的測量，同時光纖測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)成本高，因此光纖測試技術(shù)的實際應(yīng)用也受到很大的限制。近年，鐵電陶瓷，如鋯鈦酸鉛1 (TixZr1J O3 (記作PZT)作為傳感材料由于具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、頻響范圍寬、優(yōu)良的近似線性的本構(gòu)關(guān)系以及成本較低的特點而受到重視。但因其自身存在質(zhì)地脆，應(yīng)變量小，易損壞的力學(xué)問題不宜在工程中應(yīng)用。目前，已研制出將NiTi形狀記憶合金(記作NiTiSMA)以薄膜的形式沉積在PZT基體上下表面而制備出雙面沉積MTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料，這種復(fù)合材料具有較好的綜合力學(xué)性能，而且保持了 PZT的優(yōu)越的力-電傳感特性，如能將雙面沉積MTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料用于無源檢測裝置，應(yīng)用到建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)檢測，將會成為克服現(xiàn)有有源、無源檢測裝置缺陷的較理想的力-電轉(zhuǎn)換信號探頭。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提高探頭材料綜合力學(xué)性能，實現(xiàn)在較大檢測范圍對建筑工程結(jié)構(gòu)的裂紋狀態(tài)連續(xù)動態(tài)跟蹤監(jiān)測，提高對建筑工程結(jié)構(gòu)安全防護(hù)的效果。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括由兩側(cè)端部分別帶有連接引線的雙面沉積MTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料片構(gòu)成的探頭、用于荷電信號放大并轉(zhuǎn)換為探頭電壓信號的荷電放大器、濾除環(huán)境噪音的低通濾波器、完成探頭電壓信號A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡以及由內(nèi)置應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線繪制程序、數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)及其外部設(shè)備構(gòu)成的計算機(jī)系統(tǒng)，所述探頭的引線連至荷電放大器的信號輸入端，荷電放大器的信號輸出端連接低通濾波器的信號輸入端，低通濾波器的信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入端， 數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸出端連接計算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端。所述探頭的厚度為0. 1-0. 3mm、底面積為lO-lOOmm2。所述外部設(shè)備包括顯示器、鍵盤及打印機(jī)。本實用新型的有益效果是應(yīng)用本實用新型提供的的建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測系統(tǒng)，直接將雙面沉積MTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料片用作探頭，根據(jù)對反映雙面沉積 NiTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料的力-電轉(zhuǎn)換特性的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線特征峰結(jié)構(gòu)特征的分析，動態(tài)地評判建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋狀態(tài)，一方面雙面沉積MTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料通過NiTiSMA和PZT的優(yōu)勢互補，不僅具有優(yōu)越的綜合力學(xué)性能，而且更有利于發(fā)揮PZT的力-電轉(zhuǎn)換特性；可以克服環(huán)境信號的干擾，而且信號分析簡單明確；用于無源檢測裝置， 無須發(fā)射測試信號，避免了因信號衰減影響測試范圍，使用時，只須將由雙面沉積MTiSMA 薄膜的PZT復(fù)合材料片貼附在建筑工程結(jié)構(gòu)表面，引線連至監(jiān)測系統(tǒng)，即可實現(xiàn)較大區(qū)域范圍的大型建筑工程結(jié)構(gòu)的裂紋狀態(tài)的連續(xù)動態(tài)跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測范圍可達(dá)到以探頭底面中心為原點直徑!，厚0. ^!的區(qū)域范圍，顯著高于現(xiàn)有技術(shù)中的以探頭底面中心為原點直徑 0.&1，厚0. Im的區(qū)域范圍。提高對建筑工程結(jié)構(gòu)安全防護(hù)的效果。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比光纖系統(tǒng)簡單，且成本低，宜于推廣。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料片探頭在工程建筑結(jié)構(gòu)上粘接示意圖。圖3是采用本實用新型對建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測的方法的流程圖。圖如是實施例1建筑鋼筋混凝土梁無裂紋狀態(tài)測得的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線。圖4b是實施例1探頭工作第70天時的反映其力-電轉(zhuǎn)換特性的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線。圖fe是實施例2建筑鋼筋混凝土梁無裂紋狀態(tài)測得的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線。圖恥是實施例2探頭工作第130天時的反映其力-電轉(zhuǎn)換特性的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線。圖中1探頭，11 NiTiSMA薄膜，12 PZT基體，2荷電放大器，3低通濾波器，4數(shù)據(jù)采集卡，5計算機(jī)系統(tǒng)，51顯示器，52鍵盤，53打印機(jī)，54計算機(jī)，61梁面，62支柱。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型詳細(xì)說明。
具體實施方式
實施例1本實用新型提供出一種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。圖1示出了上述監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；其特征在于包括由兩側(cè)端部分別帶有連接引線13的雙面沉積NiTiSMA薄膜 11的PZT12復(fù)合材料片構(gòu)成的探頭1、用于荷電信號放大并轉(zhuǎn)換為探頭電壓信號的荷電放大器2、濾除環(huán)境噪音的低通濾波器3、完成探頭電壓信號A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡4、以及由內(nèi)置應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線繪制程序、數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)M及其外部設(shè)備構(gòu)成的計算機(jī)系統(tǒng)5， 外部設(shè)備包括顯示器51、鍵盤52及打印機(jī)53。上述探頭1的引線13連至荷電放大器2的信號輸入端，荷電放大器2的信號輸出端連接低通濾波器3的信號輸入端，低通濾波器3的信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡4的數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)采集卡4的數(shù)據(jù)輸出端連接計算機(jī)M的數(shù)據(jù)輸入端。上述荷電放大器采用了市售SD-15B型電荷放大器；低通濾波器采用切比雪夫低通濾波器，其通帶最大衰減2db， 阻帶最大衰減為60dB;數(shù)據(jù)采集卡采用了 AMPCI-9110數(shù)據(jù)采集卡，計算機(jī)采用了聯(lián)想啟天 W730E計算機(jī)，應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線繪制程序是采用Visual B 6. 0編制的常規(guī)分析繪圖軟件。下面，具體闡述采用本實用新型提供的建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的操作過程。圖3示出了采用本實用新型對建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測的方法的流程圖。如圖2所示，本實施例中，建筑工程結(jié)構(gòu)是由兩支柱62支撐梁面61構(gòu)成的建筑鋼筋混凝土梁，梁面61尺寸為長2. 6m，寬2. lm，厚0. Sm。本例中探頭1采用一長方形的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料片，該復(fù)合材料是在PZT基體12上下表面以薄膜形式沉積NiTi形狀記憶合金(NiTiSMA)而制備出雙面沉積NiTiSMA薄膜11的PZT復(fù)合材料， 其尺寸為底面積=長IOmmX寬5mm= 50mm2、厚度0.3mm。在實際應(yīng)用中，探頭1的形狀可為方形、圓形、橢圓形或其他任何規(guī)則或不規(guī)則的多邊形。參見圖1 圖3，系統(tǒng)設(shè)置及具體操作步驟如下(1).首先將由兩側(cè)端部分別帶有連接引線13的雙面沉積NiTiSMA薄膜11的PZT 復(fù)合材料片構(gòu)成的探頭1固定貼附在被檢測的建筑鋼筋混凝土梁梁面61的下表面中心，通過粘接貼附即可，使其直接感受建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部在環(huán)境載荷力作用下由裂紋狀態(tài)變化產(chǎn)生的應(yīng)力信號，并通過自身的力-電轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換為荷電信號。雙面沉積MTiSMA薄膜的PZT 復(fù)合材料屬于自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式的傳感材料，該材料受力后，通過自身的力-電轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換為荷電信號，然后，將荷電信號傳輸?shù)胶呻姺糯笃?，荷電放大器的功能是將輸入的荷電信號轉(zhuǎn)換為可處理的成比例輸出電壓信號，用作分析系統(tǒng)的輸入變量，此時荷電信號經(jīng)放大并轉(zhuǎn)換為探頭電壓信號，再輸入到低通濾波器3，經(jīng)低通濾波將頻率> IOOOHz的環(huán)境噪音去除，再將探頭電壓信號輸入到數(shù)據(jù)采集卡4，數(shù)據(jù)采集卡的作用是將探頭電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即完成A/D轉(zhuǎn)換，并將信號存入計算機(jī)系統(tǒng)5的數(shù)據(jù)庫中，通過執(zhí)行應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線繪制程序，對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制出對應(yīng)某一時間的反映探頭的力-電轉(zhuǎn)換特性的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線，同時通過顯示器51顯示或通過打印機(jī)53打印輸出。該關(guān)系曲線直接反映出建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋狀態(tài)變化情況。(2).以用步驟(1)的探頭和方法測得的建筑工程結(jié)構(gòu)在完好無裂紋狀態(tài)的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線為基準(zhǔn)曲線，將隨時由步驟(1)中獲得的所述應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線與基準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，根據(jù)應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線結(jié)構(gòu)特征的相對變化，判斷建筑工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋狀態(tài)若特征峰位置移動且數(shù)量增多，說明建筑工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在裂紋；如果特征峰位置、數(shù)量無變化，則說明在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)無裂紋。圖如是對建筑鋼筋混凝土梁在剛投入使用結(jié)構(gòu)完好無裂紋狀態(tài)測得的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線，圖中，在頻率2. 42566Hz、11. 98652Hz位置分別有特征峰，特征峰為表征建筑鋼筋混凝土梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)的曲線峰。當(dāng)梁結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂紋時，應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線上的特征峰存在狀態(tài)(數(shù)量與位置)對應(yīng)產(chǎn)生變化。圖4b示出，在探頭工作70天時，對建筑鋼筋混凝土梁梁面61測得的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線。由此圖可以看出，應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線上的特征峰的數(shù)量與位置相對于圖如產(chǎn)生了變化在頻率2. 42566Hz、11. 98652Hz位置不存在特征峰，而在其他位置則出現(xiàn)多個特征峰，如3. 74874Hz、12. 19128Hz及22. 05141Hz 位置，即應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線的特征峰的位置發(fā)生移動，且數(shù)量增加，曲線結(jié)構(gòu)明顯有別于無裂紋狀態(tài)的曲線結(jié)構(gòu)。分析結(jié)論圖4b表示建筑鋼筋混凝土梁內(nèi)有裂紋。經(jīng)對梁體結(jié)構(gòu)采用超聲波法測試并結(jié)合實際勘察，在梁面61以探頭底面中心為原點的直徑1. 8-2m、厚0. 32-0. 4m區(qū)域的2個位置出現(xiàn)裂紋。實施例2，本實施例與實施例1的系統(tǒng)、監(jiān)測方法、工作原理均相同.不同點在于建筑鋼筋混凝土梁的梁面61尺寸為長2. 8m,寬2. 2m,厚0. 8m。探頭1采用的長方形雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料片的尺寸為底面積 =長 IOmmX 寬 IOmm = 100mm2、厚度 0. 1mm。圖fe是對建筑鋼筋混凝土梁在剛投入使用結(jié)構(gòu)完好無裂紋狀態(tài)測得的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線，圖中，在頻率1. 44909Hz,5. 04032Hz、ll. 75025Hz、12. 38029Hz位置分別有特征峰。圖恥示出了在探頭工作130天時對建筑鋼筋混凝土梁梁面61測得的應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線，由此圖可以看出，應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線上的特征峰的數(shù)量與位置相對于圖如產(chǎn)生了變化在頻率1. 44909Hz,5. 04032Hz、11. 75025Hz、12. 38029Hz位置不存在特征峰，而在其他位置出現(xiàn)多個特征峰，如在頻率3. 29196Hz,5. 76487Hz、12. 64806Hz,13. 38836Hz、 28. 58808Hz位置，即應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線的特征峰的位置發(fā)生移動，且數(shù)量增加，曲線結(jié)構(gòu)明顯有別于無裂紋狀態(tài)的曲線結(jié)構(gòu)。分析結(jié)論圖恥表示建筑鋼筋混凝土梁內(nèi)有裂紋。經(jīng)對梁體結(jié)構(gòu)采用超聲波法測試并結(jié)合實際勘察，在梁面61以探頭底面中心為原點的直徑1. 7-1. 9m、厚0. 2-0. 3m區(qū)域的1個位置，及以探頭底面中心為原點的直徑 1. 2-1. 4m、厚0. 35-0. 39m區(qū)域的2個位置出現(xiàn)裂紋。綜上所述，應(yīng)用本實用新型提供的的建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)較大區(qū)域范圍的大型建筑工程結(jié)構(gòu)的裂紋狀態(tài)的連續(xù)動態(tài)跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測范圍可達(dá)到以探頭底面中心為原點直徑an，厚ο. ^!的區(qū)域范圍，顯著高于現(xiàn)有技術(shù)中的以探頭底面中心為原點直徑0. 2m，厚0. Im的區(qū)域范圍。提高對建筑工程結(jié)構(gòu)安全防護(hù)的效果。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比光纖系統(tǒng)簡單，且成本低，宜于推廣。以上內(nèi)容并非對本實用新型的結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件形狀及材料作任何形式上的限制。凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括由兩側(cè)端部分別帶有連接引線的雙面沉積MTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料片構(gòu)成的探頭、用于荷電信號放大并轉(zhuǎn)換為探頭電壓信號的荷電放大器、濾除環(huán)境噪音的低通濾波器、完成探頭電壓信號A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡以及由內(nèi)置數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)及其外部設(shè)備構(gòu)成的計算機(jī)系統(tǒng)，所述探頭的引線連至荷電放大器的信號輸入端，荷電放大器的信號輸出端連接低通濾波器的信號輸入端，低通濾波器的信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸出端連接計算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述探頭的厚度為0. 1-0. 3mm、底面積為10-100mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述外部設(shè)備包括顯示器、鍵盤及打印機(jī)。
專利摘要本實用新型涉及一種建筑工程結(jié)構(gòu)裂紋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是包括由兩側(cè)端部分別帶有連接引線的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT復(fù)合材料片構(gòu)成的探頭、用于荷電信號放大并轉(zhuǎn)換為探頭電壓信號的荷電放大器、濾除環(huán)境噪音的低通濾波器、完成探頭電壓信號A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡及內(nèi)置應(yīng)變-頻率關(guān)系曲線繪制程序、數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)及外部設(shè)備構(gòu)成的計算機(jī)系統(tǒng)，探頭引線連至荷電放大器信號輸入端，荷電放大器信號輸出端連接低通濾波器信號輸入端，低通濾波器的信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸出端連接計算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端。本實用新型的優(yōu)點是探頭綜合力學(xué)性能高，檢測范圍增大，連續(xù)動態(tài)跟蹤檢測，結(jié)構(gòu)簡單成本低。
文檔編號G01N27/00GK202216930SQ20112027259
公開日2012年5月9日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者高曉云 申請人:天津城市建設(shè)學(xué)院