一种植入式压电传感器对混凝土锈蚀损伤识别的方法与流程

1.本发明属于混凝土结构健康监测相关技术领域，更具体地，涉及一种植入式压电传感器对混凝土锈蚀损伤识别的方法。


背景技术：

2.钢筋混凝土结构由于氯离子侵蚀，混凝土碳化等造成的钢筋的锈蚀损伤，而由于锈蚀初始损伤具有较强的隐蔽性。结构早期的微小锈蚀损伤若未及时发现，会引发结构的累计损伤，从而导致结构的突发性倒塌。及时准确地识别结构早期微弱和潜在的锈蚀损伤，是结构工程领域的难题；现有的钢筋锈蚀监测技术有视觉检验法，红外热像法，线性极化电阻法，以及交流阻抗谱法；这些技术的缺陷主要在于：比较依赖建立可靠的钢筋锈蚀模型，对于监测环境要求苛刻，监测信息单一，不能提供长期监测等缺点。
3.基于pzt的压电阻抗(emi)技术主要基于局部高频激励，利用pzt同时作为传感器和驱动器，对结构局部激励获取结构性能变化的信息，从而实现对钢筋锈蚀损伤的识别；其基本原理是利用高强粘结剂将pzt粘贴钢筋表面或植入混凝土内部，利用pzt正逆压电效应，通过压电阻抗仪施加电压对结构局部激振，获得与结构性能(质量，刚度，阻尼等)相关的监测信号，此信号作为结构健康衡量的基准，将来通过观察信号的改变来识别结构是否发生锈蚀。由于其高频特性，具有对结构初步锈蚀损伤敏感，且能探测且不能准确量化锈蚀损伤程度的优点；但该技术仍然局限于试验件，未有计入水对环境的影响。
4.而实际工况下，部分工程结构(码头的支撑柱)始终处于水面以下；且在工程结构的整个服役过程中，水位是不断变化的；emi技术通过测量导纳信号并通过判别导纳曲线的偏移实现结构损伤识别；试验表明，混凝土中钢筋在锈蚀的状态下的压电阻抗导纳信号与未锈蚀状态的不同，水位的影响会引起导纳曲线偏移，从而影响emi技术对结构损伤的识别的准确度；因此，排除水位变化对工程结构损伤识别的干扰，建立有效的锈蚀损伤识别方法有待解决。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种植入式压电传感器对混凝土锈蚀损伤识别的方法，通过采用包含频率及导纳的数据曲线变化对钢筋的锈蚀损伤进行识别，隔绝水对传感器导纳的影响，为混凝土结构中钢筋精确的锈蚀损伤识别排除干扰。
6.为实现上述目的，按照本发明，提供了一种植入式压电传感器对混凝土锈蚀损伤识别的方法，该识别方法包括下列步骤：
7.s1将压电传感器封装，然后将该压电传感器作为骨料放入待识别的混凝土中，对混凝土进行振捣，养护成型；
8.s2在所述混凝土服役前后分别向所述压电传感器中通入激发电压，所述压电传感器与所述待识别的混凝土产生谐振，然后分别采集该压电传感器中的导纳信号，以此获得所述混凝土服役前后的电导值；
9.s3利用所述混凝土服役前后的电导值计算mapd损伤指标，以此实现对混凝土锈蚀损伤的识别。
10.进一步优选地，在步骤s1中，所述将压电传感器封装按照下列步骤进行：
11.s11选取封装板，在该封装板上开设凹槽，将所述压电传感器置于该凹槽中，压电传感器和所述凹槽之间的间隙采用封装胶密封；
12.s12在放置有压电传感器的放置另一块封装板，将在两块封装板的间隙处采用封装胶密封，以此实现对压电传感器的封装。
13.进一步优选地，所述封装板的材料采用不易氧化和防水的材料。
14.进一步优选地，所述封装胶采用环氧树脂。
15.进一步优选地，所述压电传感器采用压电陶瓷pzt。
16.进一步优选地，所述激发电压的电压为0.2v～1v。
17.进一步优选地，所述mapd损伤指标按照下列关系式进行计算：
[0018][0019]
其中，表示损伤前测量点i的电导值，为相应测量点在损伤后的电导值，i是测点的编号，n是测点的总数量。
[0020]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0021]
1.本发明通过将压电传感器封装后植入式的放入混凝土中，在压电传感器中通入激发电压之后与混凝土产生谐振，利用该谐振采集压电传感器中的导纳信号，一方面实现实时检测混凝土钢筋的锈蚀程度，另一方面消除水对于pzt的影响，在海洋环境等长期水位不断变化的环境中，监测混凝土中钢筋锈蚀方面具有很好的实用性；
[0022]
2.本发明中在对压电传感器进行封装时，采用的材料一方面不对压电传感器的性能产生影响，另一方面也要保证压电传感器与外界的隔离，避免外界环境中的水进入；
[0023]
3.本发明中通过采集传感器的导纳信号，利用该导纳信号构建mapd指标计算关系式，利用该mapd指标可以构造一个mapd和锈蚀率之间的函数关系式，以此反映钢筋的锈蚀程度，测量精度高，方法便捷。
附图说明
[0024]
图1是按照本发明的优选实施例所构建的压电传感器封装结构示意图；
[0025]
图2是按照本发明的优选实施例所构建的压电传感器封装剖面图；
[0026]
图3是按照本发明的优选实施例所构建的铝块pzt的导纳曲线图；
[0027]
图4是按照本发明的优选实施例所构建的铝块pzt的导纳曲线局部放大图；
[0028]
图5是按照本发明的优选实施例所构建的钢筋锈蚀的简易接线示意图；
[0029]
图6是按照本发明的优选实施例所构建的铝块pzt损伤前后mapd指标和锈蚀率的对比图；
[0030]
图7是铝块pzt损伤前后mapd指标和锈蚀率相应的拟合曲线对比图；
[0031]
图8是按照本发明的优选实施例所构建的所构造的锈蚀率与mapd之间的函数关系
式。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]
一种植入式压电传感器对混凝土锈蚀损伤识别的方法，用防水性较好的铝块包裹住pzt作为植入式骨料监测钢筋的锈蚀。具体包括如下步骤：
[0034]
(1)如图1和2所示，压电陶瓷pzt先用导线焊接好，放入提前加工好的铝块中的凹槽去，中间用环氧树脂密封好，然后盖上另一铝块。再用环氧树脂把铝块上下层交界处密封好。待环氧树脂干透，就可以得到所需的植入式压电传感器。
[0035]
(2)将所制作好的压电传感器作为骨料放入到混凝土中，对混凝土进行振捣，养护成型。
[0036]
(3)用agilent 4294a阻抗仪采集锈蚀前后的导纳信号。
[0037]
(4)根据步骤(3)获得的导纳值，获取mapd损伤指标；
[0038]
其中，mapd(mean absolute percentage deviation)是对结构在不同状态下测量的信号的绝对比例偏差根据该统计指标可衡量导纳信号变化前后pzt(piezoelectric ceramics，压电陶瓷)传感器电信号的变化程度，根据下式获取：
[0039][0040]
其中，表示损伤前测量点i的电导值，为相应测量点在损伤后的电导值。其中，i＝1，2，3，
…
，n。
[0041]
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
[0042]
如图5所示，实施例中，试件是一块立方体混凝土试块，试块尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，正中间插入一根10mm钢筋，引出，作为阳极；不锈钢钢板做阴极。采用如图4所示的半浸泡通电锈蚀方法，通过外加电流加速钢筋锈蚀。通过控制通电时间，控制锈蚀的程度。利用agilent 4294a阻抗仪采集不同锈蚀率下的导纳信号。
[0043]
采用本发明提供的植入式压电传感器对混凝土锈蚀损伤识别方法，对立方体试块接线通电锈蚀。如图3和图4所所示，是铝块pzt的导纳曲线图以及局部放大图。
[0044]
从图4可以看出铝块pzt导纳曲线随着锈蚀的增加逐渐变大呈现逐渐向左的趋势，尤其是在导纳曲线峰值处更为明显。
[0045]
从图6和图7可以看出随着锈蚀率的增加，mapd呈现逐渐变大的趋势，由此可以看出本发明采用的植入式压电传感器监测锈蚀是有效的。排除了水对于pzt准确识别锈蚀的影响。
[0046]
从图8计算出mapd与锈蚀率之间函数关系式为y＝0.482293x-2.72704且两组数据的相关系数为0.957371563。即mapd与锈蚀率之间的相关性很大。
[0047]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。