一种新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置及方法

本发明属于土木工程无损检测，具体涉及一种新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置及方法。

背景技术：

1、体内预应力混凝土结构在工程中较常见，其中预应力的健康状态备受关注，主要包含损伤的检测和预应力大小的测量。

2、针对预应力混凝土结构的孔道内部缺陷监测，公开号为cn118169246a的中国发明专利技术利用点接触超声探头，同时将锚固区从外到内分区，利用反射波异常幅值判断锚固区拉索断丝和腐蚀损伤，但并未进行损伤定位。公开号为cn106855539a中国专利申请技术根据回波时间和群速度确定脱粘区域长度，但未实现定位。在实际中，预应力筋可能会同时存在灌浆空洞与锈蚀，如何联合监测两者损伤的程度，是个难题，目前也未见相关研究。

3、此外，目前的检测方法主要对预应力筋的预应力和损伤进行单独检测，无法做到同步检测，且对于预应力筋绝对应力的测量，电磁弹式绝对应力传感器具有较高精度；对于预应力筋损伤检测，超声导波法具有较高精度。

4、因此，我们需要发展针对新建体内预应力混凝土结构的检测速度快、工作性能好的集应力和损伤检测双功能为一体的传感器。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提供了一种新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置及方法，可解决结构内部预应力筋预应力检测精度不足、损伤检测困难的问题，实现了电磁弹式绝对应力传感器和磁致伸缩传感器的统一，使其具有应力检测和损伤检测的双功能，提高了检测效率。

2、一种新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置，包括预埋在混凝土结构内部的一体式监测传感器，该一体式监测传感器以套筒的形式包裹在预应力筋外围且沿预应力筋长度方向阵列布置，能够同时实现电磁弹式绝对应力传感器和磁致伸缩超声导波换能器的功能。

3、进一步地，所述一体式监测传感器包括套设在预应力筋上的线圈骨架、内层线圈、外层线圈以及磁电转换元件，其中内层线圈和外层线圈均绕制于线圈骨架上，所述磁电转换元件套设在线圈骨架上且处于内层线圈与外层线圈之间。

4、进一步地，所述磁电转换元件作为电磁弹式绝对应力传感器的部分，用于在直流脉冲作用下采集预应力筋的磁特征信号；所述外层线圈作为电磁弹式绝对应力传感器的励磁线圈，同时也是磁致伸缩超声导波换能器的偏置磁化线圈；所述内层线圈作为磁致伸缩超声导波换能器的部分用以激励和接收超声导波。

5、进一步地，所述一体式监测传感器为圆套筒状，内外层线圈均为螺线管线圈，并采用纯铜漆包线绕制在线圈骨架上，且事先针对检测时需要的超声导波频率和检测信号幅值设计线圈的匝数与层数。

6、进一步地，所述预应力与损伤联合监测装置还包括有上位机，其用于对各一体式监测传感器内层线圈接收到的超声导波的信号特征进行分析，从而对预应力筋损伤进行定位定量监测；同时根据各一体式监测传感器磁电转换元件采集到的磁特征信号以及预应力大小与磁特征信号之间的关系，计算出待测预应力筋不同位置处的预应力水平。

7、上述新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置的监测方法：在仅对一体式监测传感器中的外层线圈施加一次直流脉冲下，使一体式监测传感器同时实现电磁弹式绝对应力传感器和磁致伸缩超声导波换能器的功能，具体地：首先对外层线圈施加直流脉冲，当一体式监测传感器作为电磁弹式绝对应力传感器时，使用磁电转换元件采集待测预应力筋的磁特征信号，进而根据预应力大小与磁特征信号的关系曲线计算出待测预应力筋的预应力水平；在通直流脉冲期间内，对内层线圈施加猝发交流信号，使一体式监测传感器作为磁致伸缩超声导波换能器，即内层线圈利用磁致伸缩效应在待测预应力筋中激励出超声导波，通过对比不同传感器之间的透射波信号以及无损情况下的对应信号，实现对待测预应力筋损伤的定位定量监测。

8、进一步地，当待测预应力筋存在锈蚀损伤时且损伤处位于两个相邻一体式监测传感器a和b之间，一体式监测传感器a的内层线圈发出的部分超声导波能量在损伤处发生反射，从而减小从损伤处透射的超声导波能量，锈蚀越严重，透射的超声导波能量越小，结合反射波信号到达时间以及待测预应力筋中超声导波传递的群速度，从而对待测预应力筋锈蚀损伤进行定位监测；同时利用一体式监测传感器b的内层线圈接收获取透射波信号的峰值，并与无损情况下的透射波信号峰值进行比较获得锈蚀程度系数，从而对待测预应力筋锈蚀损伤进行定量监测。

9、进一步地，当待测预应力筋产生灌浆空洞时且空洞处位于两个相邻一体式监测传感器a和b之间，一体式监测传感器a内层线圈发出的超声导波会在空洞产生的界面发生反射，结合反射波信号到达时间以及待测预应力筋中超声导波传递的群速度，从而对待测预应力筋灌浆空洞进行定位监测；同时空洞会减小散射到周围混凝土中的超声导波能量，增加透射至一体式监测传感器b的超声导波能量，利用一体式监测传感器b内层线圈接收获取透射波信号的峰值，并与无损情况下的透射波信号峰值进行比较获得灌浆密实程度系数，从而对待测预应力筋灌浆密实度进行定量监测。

10、进一步地，在产生灌浆空洞的区域，待测预应力筋处于非锚固状态，会增加超声导波传递的群速度，通过一体式监测传感器b内层线圈收到透射波信号的到达时间t1，结合锚固与自由状态下待测预应力筋中超声导波传递的群速度，从而对待测预应力筋灌浆空洞长度进行监测，具体计算表达式如下：

11、t1＝la/va+lfm/vf，l＝la+lfm

12、其中：lfm为灌浆空洞长度，la为空洞损伤情况下待测预应力筋锚固段的长度，l为一体式监测传感器a和b之间的长度，va为锚固状态下待测预应力筋中超声导波传递群速度，vf为自由状态下待测预应力筋中超声导波传递群速度。

13、基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

14、1.本发明提出的一体式监测传感器可同时监测预应力水平和锈蚀、灌浆空洞损伤，解决了目前领域内的技术难题。

15、2.本发明提出的一体式监测传感器可在仅施加一次直流脉冲的时间内，同时实现电磁弹传感器和辞职伸缩传感器的双功能，检测时间大大缩短，同时降低传感器能耗。

16、3.本发明通过预埋的方式，将传感器预埋至预应力混凝土结构内部，传感器位置固定，无需反复移动，可实现长期监测。

17、4.本发明通过阵列布置传感器的方式，可检测预应力混凝土内部位于预应力筋不同位置处的预应力水平，进而反应结构整体的预应力服役状态。

18、5.本发明通过阵列布置传感器的方式，解决了超声导波在锚固构件中能量衰减快，检测距离有限的问题。

19、6.本发明监测方法流程简单，操作方便，成本较低，可应用于不同规格的预应力混凝土结构，适用性强，有利于推广应用。

技术特征：

1.一种新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置，其特征在于：包括预埋在混凝土结构内部的一体式监测传感器，该一体式监测传感器以套筒的形式包裹在预应力筋外围且沿预应力筋长度方向阵列布置，能够同时实现电磁弹式绝对应力传感器和磁致伸缩超声导波换能器的功能。

2.根据权利要求1所述的新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置，其特征在于：所述一体式监测传感器包括套设在预应力筋上的线圈骨架、内层线圈、外层线圈以及磁电转换元件，其中内层线圈和外层线圈均绕制于线圈骨架上，所述磁电转换元件套设在线圈骨架上且处于内层线圈与外层线圈之间。

3.根据权利要求2所述的新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置，其特征在于：所述磁电转换元件作为电磁弹式绝对应力传感器的部分，用于在直流脉冲作用下采集预应力筋的磁特征信号；所述外层线圈作为电磁弹式绝对应力传感器的励磁线圈，同时也是磁致伸缩超声导波换能器的偏置磁化线圈；所述内层线圈作为磁致伸缩超声导波换能器的部分用以激励和接收超声导波。

4.根据权利要求3所述的新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置，其特征在于：所述一体式监测传感器为圆套筒状，内外层线圈均为螺线管线圈，并采用纯铜漆包线绕制在线圈骨架上，且事先针对检测时需要的超声导波频率和检测信号幅值设计线圈的匝数与层数。

5.根据权利要求3所述的新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置，其特征在于：该联合监测装置还包括有上位机，其用于对各一体式监测传感器内层线圈接收到的超声导波的信号特征进行分析，从而对预应力筋损伤进行定位定量监测；同时根据各一体式监测传感器磁电转换元件采集到的磁特征信号以及预应力大小与磁特征信号之间的关系，计算出待测预应力筋不同位置处的预应力水平。

6.一种如权利要求1～5任一权利要求所述新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置的监测方法，其特征在于：在仅对一体式监测传感器中的外层线圈施加一次直流脉冲下，使一体式监测传感器同时实现电磁弹式绝对应力传感器和磁致伸缩超声导波换能器的功能，具体地：首先对外层线圈施加直流脉冲，当一体式监测传感器作为电磁弹式绝对应力传感器时，使用磁电转换元件采集待测预应力筋的磁特征信号，进而根据预应力大小与磁特征信号的关系曲线计算出待测预应力筋的预应力水平；在通直流脉冲期间内，对内层线圈施加猝发交流信号，使一体式监测传感器作为磁致伸缩超声导波换能器，即内层线圈利用磁致伸缩效应在待测预应力筋中激励出超声导波，通过对比不同传感器之间的透射波信号以及无损情况下的对应信号，实现对待测预应力筋损伤的定位定量监测。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：当待测预应力筋存在锈蚀损伤时且损伤处位于两个相邻一体式监测传感器a和b之间，一体式监测传感器a的内层线圈发出的部分超声导波能量在损伤处发生反射，从而减小从损伤处透射的超声导波能量，锈蚀越严重，透射的超声导波能量越小，结合反射波信号到达时间以及待测预应力筋中超声导波传递的群速度，从而对待测预应力筋锈蚀损伤进行定位监测；同时利用一体式监测传感器b的内层线圈接收获取透射波信号的峰值，并与无损情况下的透射波信号峰值进行比较获得锈蚀程度系数，从而对待测预应力筋锈蚀损伤进行定量监测。

8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：当待测预应力筋产生灌浆空洞时且空洞处位于两个相邻一体式监测传感器a和b之间，一体式监测传感器a内层线圈发出的超声导波会在空洞产生的界面发生反射，结合反射波信号到达时间以及待测预应力筋中超声导波传递的群速度，从而对待测预应力筋灌浆空洞进行定位监测；同时空洞会减小散射到周围混凝土中的超声导波能量，增加透射至一体式监测传感器b的超声导波能量，利用一体式监测传感器b内层线圈接收获取透射波信号的峰值，并与无损情况下的透射波信号峰值进行比较获得灌浆密实程度系数，从而对待测预应力筋灌浆密实度进行定量监测。

9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于：在产生灌浆空洞的区域，待测预应力筋处于非锚固状态，会增加超声导波传递的群速度，通过一体式监测传感器b内层线圈收到透射波信号的到达时间t1，结合锚固与自由状态下待测预应力筋中超声导波传递的群速度，从而对待测预应力筋灌浆空洞长度进行监测，具体计算表达式如下：

技术总结本发明公开了一种新建结构预应力与孔道缺陷一体化监测装置及方法，装置包括预埋在混凝土结构内部的一体式监测传感器，该一体式监测传感器以套筒的形式包裹在预应力筋外围且沿预应力筋长度方向阵列布置，能够同时实现电磁弹式绝对应力传感器和磁致伸缩超声导波换能器的功能；传感器中的外层线圈可同时作为电磁弹式绝对应力传感器的励磁线圈和磁致伸缩超声导波换能器的偏置磁化线圈，磁电转换元件用于采集待测预应力筋的磁特征信号，内层线圈用于激励和接收超声导波，可对比不同传感器之间的反射、透射信号，实现损伤定位与定量。本发明可同时测量构件内部多种损伤、应力等信息，具有操作方便、长期监测、监测精度高等特点。技术研发人员：段元锋,陈俊维,魏巍,章红梅受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6