CN101299032B - 结构裂缝仿生监测系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构裂缝仿生监测系统及其监测方法，包括牢固粘贴在待监测结构上的多根机敏线I和多根机敏线II组成的监测单元，相互绝缘的机敏线I和机敏线II交叉设置在待监测结构上构成平面坐标系的机敏神经网络，本发明依据动物肌肤对创伤的感知机理，通过信号处理装置对机敏线I和机敏线II发送和接收信号的分析能够准确确定裂缝产生的位置、形状、长度、时间和裂缝发展状况，能够对工程结构实施连续的、全方位的损伤状况监测，是使用方便简单、效率高、成本低、结果可靠的仿生监测传感系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线监测系统及其监测方法，特别涉及一种结构裂缝仿生监测系统及其监测方法。
背景技术
混凝土结构的病害和最终破坏均始于裂缝的发生和发展，关键区域裂缝状况成为直观判断混凝土结构健康状况的主要依据。为此，世界各国的专家学者对混凝土结构在使用过程中关键区域裂缝的产生和发展的监测方法作了大量的探索和研究。现有用于工程结构安全监测的传感技术有：a.将功能光导纤维植入或粘贴在结构上，通过测量光纤变形或断裂实时判断结构中的变形或断裂；b.将应变片、磁-弹性应变传感器、压电传感器、加速度传感器等埋入或粘贴在结构上实时测量结构局部位置的变形以分析其总体安全状态；c.利用电时域反射传感器实时测量结构中变形或断裂；d.利用雷达波、声波、应力波等扫描实时分析结构安全状态；e.利用全球定位系统(GPS)实时分析结构的位移和变形情况以判断其总体安全状态；f.通过空中或卫星照相长期监测结构的位移与变形判断其总体安全状态等等。现有结构安全监测技术可归结为在结构的理论关键点设置传感元件，通过有限点的监测来推断结构的安全状况。鉴于材料的原始缺陷、设计施工偏差、使用及环境劣化具有不可预期性，结构损伤发生的时间、部位难以预期，现有有限点的监测方法难以捕捉因结构损伤产生的初始病害，即使监测点显示了异常测试数据，也难以明确指出损伤的具体部位。现有的裂缝监测技术难以实现经济、实用、长期、在线、准确地监测裂缝的产生和发展。
因此，需要一种结构裂缝仿生监测系统，能够精确确定裂缝产生的部位、产生时间和裂缝开裂程度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构裂缝仿生监测系统及其监测方法，能够实现经济、实用、长期、在线、准确地监测结构关键区域裂缝的产生和发展状况，能够对工程结构实施连续的、全方位的损伤状况监测。
本发明的结构裂缝仿生监测系统，包括牢固粘贴在待监测结构上的多根机敏线I和多根机敏线II组成的监测单元，相互绝缘的机敏线I和机敏线II交叉设置在待监测结构上构成平面坐标系的机敏神经网络；
还包括信号处理装置，所述多根机敏线I信号输入端联接有总线I，信号输出端连接有多路信道开关I，总线I的信号输入端与信号处理装置信号输出端联接，多路信道开关I信号输出端与信号处理装置信号输入端联接；所述多根机敏线II信号输入端联接有总线II，信号输出端连接有多路信道开关II，总线II的信号输入端与信号处理装置信号输出端联接，多路信道开关II信号输出端与信号处理装置信号输入端联接。
进一步，所述机敏线I和机敏线II分别由两根以上不同直径并且互相绝缘的导线组成；
进一步，还包括上位处理器，所述信号处理装置信号输出端与上位处理器信号输入端联接；
进一步，所述机敏线I和机敏线II形成的平面坐标系网络为多个，分层沿待监测结构的厚度方向平行设置；所述机敏线I和机敏线II形成的平面坐标系网络为多个，在待监测结构的同一平面内分区设置；
进一步，所述多根机敏线I之间呈直线平行设置，多根机敏线II之间呈直线平行设置，所述机敏线I和机敏线II垂直交叉设置；
进一步，所述多根机敏线I之间呈直线平行设置，多根机敏线II之间呈直
进一步，所述多根机敏线I之间呈扇形发散设置，多根机敏线II之间在平面内呈圆弧平行设置。
本发明还公开了一种应用结构裂缝仿生监测系统的监测方法，包括以下步骤：
A、在计算机内根据相应监测单元建立网络坐标系；
B、计算机定时向现场监测系统发出检测指令，现场监测系统顺序向各监测单元机敏线发送电信号；监测单元的多根机敏线I和多根机敏线II接收电信号并反馈至计算机，如果构成机敏线I或机敏线II的导线不连通，计算机通过网络坐标系记录断线坐标数值和时间；
C、计算机根据断裂机敏线I和机敏线II的数据，在坐标系中计算裂缝的位置和形状。
进一步，该方法可对裂缝的发展状态进行监测，包括：
D、计算机根据机敏线I和机敏线II中断裂的导线的直径与裂缝宽度的对应关系，计算裂缝宽度，并将裂缝宽度储存至计算机；计算机根据机敏线I和机敏线II中新增断裂的导线的位置和数量，计算已有裂缝的延伸发展和新裂缝的产生状况；
E、计算机将裂缝宽度和长度值与前次裂缝宽度和长度值进行比较，如果裂缝的长度或宽度值扩大，则在坐标系网络中表示裂缝发展状态；
进一步，计算机内储存有裂缝宽度和长度阀值，与计算机连接有预警装置，步骤E中，将裂缝宽度和长度值与计算机中宽度和长度阀值进行比较，如果裂缝的宽度或长度值超过阀值，自动报警并输出检测报告。
本发明的有益效果是：本发明的结构裂缝仿生监测系统，本发明依据动物肌肤对创伤的感知机理，采用在待监测结构上粘贴交叉设置机敏线网络，构成平面坐标系结构，通过信号处理装置对机敏线I和机敏线II发送和接收信号的分析能够准确确定裂缝产生的位置、形状、长度、时间和裂缝发展状况，能够对工程结构实施连续的、全方位的损伤状况监测，是使用方便简单、效率高、成本低、结果可靠的仿生监测传感系统；机敏线可根据用户要求由不同直径的导线组成，试验研究证明不同直径的导线断裂时对应着不同宽度的裂缝，故该系统可监测出用户关注的不同宽度的裂缝；机敏线网络结构可根据不同待监测结构区域的裂缝特征，分别采用机敏线垂直交叉网络、倾斜交叉网络或近似极坐标网络布置，原则是避免导线与可能出现的裂缝平行，以适应不同受力特征结构的裂缝监测；采用在同一待监测区域内分区设置单元网络，可以同时监测同一结构上的多条裂缝；在同一结构厚度方向分层设置多个，可以构成空间坐标系，能够监测结构任何部位的裂缝情况。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明实施例一结构示意图；
图2为本发明实施例二结构示意图；
图3为本发明实施例三结构示意图；
图4为本发明分区布置示意图；
图5为本发明应用结构裂缝仿生监测系统的监测方法流程图。
具体实施方式
以下实施例中待监测结构8为混凝土路面结构。
实施例一
图1为本发明实施例一结构示意图，如图所示：本发明的结构裂缝仿生监测系统，包括粘贴设置在待监测混凝土结构8表面上的多根平行的机敏线I1和多根平行机敏线II2组成的监测单元，机敏线I1和机敏线II2分别由三根不同直径并且互相平行的导线组成，可监测所关注的三种不同宽度的裂缝，相交导线之间互相绝缘，不同裂缝宽度对与之相交的导线产生不同的拉力，不同直径的导线可以承受不同的拉断力，根据不同直径导线的断裂情况，可以监测裂纹的宽度情况；机敏线I1和机敏线II2垂直交叉设置，相邻机敏线I1之间和相邻机敏线II2之间的距离为10cm，根据不同面积的待监测混凝土结构8，距离可以在3-25cm之间进行选择，待监测结构尺寸小取小值，待监测结构尺寸大取大值；机敏线I1和机敏线II2在待监测混凝土结构8表面上形成平面坐标系网络10，多根机敏线I1之间、多根机敏线II2之间以及机敏线I1和机敏线II2之间绝缘；
还包括信号处理装置4和上位处理器5，多根机敏线I1信号输入端联接有总线I9，信号输出端连接有多路信道开关I6，总线I9的信号输入端与信号处理装置4信号输出端联接，多路信道开关I6信号输出端与信号处理装置4信号输入端联接；多根机敏线II2信号输入端联接有总线II3，信号输出端连接有多路信道开关II7，总线II3的信号输入端与信号处理装置4信号输出端联接，多路信道开关II7信号输出端与信号处理装置4信号输入端联接；信号处理装置4信号输出端与上位处理器5信号输入端联接；信号处理装置4根据中断信号传递的纵横两向传感线材的坐标位置，分析判定结构损伤裂纹发生的位置、范围和程度；并将损伤情况报告给上位处理器5，上位处理器5对结构安全状况进行判断，提出处理意见。
实施例二
图2为本发明实施例二结构示意图，如图所示：本发明的结构裂缝仿生监测系统，包括粘贴设置在待监测混凝土结构8表面上的多根平行的机敏线I1和多根平行机敏线II2组成的监测单元，机敏线I1和机敏线II2分别由三根不同直径并且互相平行的导线组成，可监测所关注的三种不同宽度的裂缝，相交导线之间互相绝缘，不同裂缝宽度对与之相交的导线产生不同的拉力，不同直径的导线可以承受不同的拉断力，根据不同直径导线的断裂情况，可以监测裂纹的宽度情况；机敏线I1和机敏线II2倾斜交叉设置，倾斜设置可以适应易发生横向或纵向裂缝，而垂直交叉布置网络无法判断的情况；相邻机敏线I1之间和相邻机敏线II2之间的距离为10cm，根据不同面积的待监测混凝土结构8，距离可以在3-25cm之间进行选择，待监测结构尺寸小取小值，待监测结构尺寸大取大值；机敏线I1和机敏线II2在待监测混凝土结构8表面上形成平面坐标系网络10，多根机敏线I1之间、多根机敏线II2之间以及机敏线I1和机敏线II2之间绝缘；
还包括信号处理装置4和上位处理器5，多根机敏线I1信号输入端联接有总线I9，信号输出端连接有多路信道开关I6，总线I9的信号输入端与信号处理装置4信号输出端联接，多路信道开关I6信号输出端与信号处理装置4信号输入端联接；多根机敏线II2信号输入端联接有总线II3，信号输出端连接有多路信道开关II7，总线II3的信号输入端与信号处理装置4信号输出端联接，多路信道开关II7信号输出端与信号处理装置4信号输入端联接；信号处理装置4信号输出端与上位处理器5信号输入端联接；信号处理装置4根据中断信号传递的纵横两向传感线材的坐标位置，分析判定结构损伤裂纹发生的位置、范围和程度；并将损伤情况报告给上位处理器5，上位处理器5对结构安全状况进行判断，提出处理意见。
实施例三
图3为本发明实施例三结构示意图，如图所示：本发明的结构裂缝仿生监测系统，包括粘贴设置在待监测混凝土结构8表面上的多根平行的机敏线I1和多根平行机敏线II2组成的监测单元，机敏线I1和机敏线II2分别由三根不同直径并且互相平行的导线组成，可监测所关注的三种不同宽度的裂缝，相交导线之间互相绝缘，不同裂缝宽度对与之相交的导线产生不同的拉力，不同直径的导线可以承受不同的拉断力，根据不同直径导线的断裂情况，可以监测裂纹的宽度情况；机敏线I1和机敏线II2交叉设置，多根机敏线I1之间呈扇形发散设置，多根机敏线II2之间在平面内呈圆弧平行设置，形成极坐标形式的网络，可以适应不同待监测混凝土结构8产生不规则裂缝，而倾斜设置和垂直交叉布置网络无法判断的情况；相邻机敏线I1之间和相邻机敏线II2之间的距离为10cm，根据不同面积的待监测混凝土结构8，距离可以在3-25cm之间进行选择，待监测结构尺寸小取小值，待监测结构尺寸大取大值；机敏线I1和机敏线II2在待监测混凝土结构8表面上形成极坐标系网络10，多根机敏线I1之间、多根机敏线II2之间以及机敏线I1和机敏线II2之间绝缘；
还包括信号处理装置4和上位处理器5，多根机敏线I1信号输入端联接有总线I9，信号输出端连接有多路信道开关I6，总线I9的信号输入端与信号处理装置4信号输出端联接，多路信道开关I6信号输出端与信号处理装置4信号输入端联接；多根机敏线II2信号输入端联接有总线II3，信号输出端连接有多路信道开关II7，总线II3的信号输入端与信号处理装置4信号输出端联接，多路信道开关II7信号输出端与信号处理装置4信号输入端联接；信号处理装置4信号输出端与上位处理器5信号输入端联接；信号处理装置4根据中断信号传递的纵横两向传感线材的坐标位置，分析判定结构损伤裂纹发生的位置、范围和程度；并将损伤情况报告给上位处理器5，上位处理器5对结构安全状况进行判断，提出处理意见。
图4为本发明分区布置示意图，如图所示：机敏线I1和机敏线II2形成的平面坐标系网络10为四个，同时分层沿待监测结构8的厚度方向平行设置，形成空间坐标系；在待监测结构8的同一平面内分区布置多个机敏线I1和机敏线II2形成的平面坐标系网络10，可以同时监测同一结构上的多个裂缝和监测结构任何部位的裂缝情况。
本发明的监测方法实施例，计算机内储存有待监测结构8的裂缝宽度和长度阀值，与计算机连接有预警装置，如图6所示，包括以下步骤：
A、在计算机内根据相应监测单元建立网络坐标系；
B、计算机定时向现场监测系统发出检测指令，现场监测系统顺序向各监测单元机敏线发送电信号；监测单元的多根机敏线I1和多根机敏线II2接收电信号并反馈至计算机，如果构成机敏线I1或机敏线II2的导线不连通，计算机通过网络坐标系记录断线坐标数值和时间；如果机敏线全部连通，则向计算机回传状态信号并进入下一个检测周期；
C、计算机根据断裂机敏线I1和机敏线II2的数据，在坐标系中计算裂缝的位置和形状。
D、计算机根据机敏线I1和机敏线II2中断裂的导线的直径与裂缝宽度的对应关系，计算裂缝宽度，并将裂缝宽度储存至计算机；计算机根据机敏线I1和机敏线II2中新增断裂的导线的位置和数量，计算已有裂缝的延伸发展和新裂缝的产生状况。
E、计算机将裂缝宽度和长度值与前次裂缝宽度和长度值进行比较，如果裂缝的长度或宽度值扩大，则在坐标系网络中表示裂缝发展状态，将裂缝宽度和长度值与计算机中宽度和长度阀值进行比较，如果裂缝的宽度或长度值超过阀值，自动报警并输出检测报告；如果没有变化，则向计算机回传状态信号并进入下一个检测周期。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种结构裂缝仿生监测系统，其特征在于：包括牢固粘贴在待监测结构(8)上的多根机敏线Ⅰ(1)和多根机敏线Ⅱ(2)组成的监测单元，相互绝缘的机敏线Ⅰ(1)和机敏线Ⅱ(2)交叉设置在待监测结构(8)上构成平面坐标系的机敏神经网络；
还包括信号处理装置(4)，所述多根机敏线Ⅰ(1)信号输入端联接有总线Ⅰ(9)，信号输出端连接有多路信道开关Ⅰ(6)，总线Ⅰ(9)的信号输入端与信号处理装置(4)信号输出端联接，多路信道开关Ⅰ(6)信号输出端与信号处理装置(4)信号输入端联接；所述多根机敏线Ⅱ(2)信号输入端联接有总线Ⅱ(3)，信号输出端连接有多路信道开关Ⅱ(7)，总线Ⅱ(3)的信号输入端与信号处理装置(4)信号输出端联接，多路信道开关Ⅱ(7)信号输出端与信号处理装置(4)信号输入端联接；
所述多根机敏线Ⅰ(1)之间呈扇形发散设置，多根机敏线Ⅱ(2)之间在平面内呈圆弧平行设置。
2.根据权利要求1所述的结构裂缝仿生监测系统，其特征在于：所述机敏线Ⅰ(1)和机敏线Ⅱ(2)分别由两根以上不同直径并且表面绝缘的导线组成。
3.根据权利要求2所述的结构裂缝仿生监测系统，其特征在于：还包括上位处理器(5)，所述信号处理装置(4)信号输出端与上位处理器(5)信号输入端联接。
4.根据权利要求3所述的结构裂缝仿生监测系统，其特征在于：所述机敏线Ⅰ(1)和机敏线Ⅱ(2)形成的平面坐标系网络(10)为多个，分层沿待监测结构(8)的厚度方向平行设置；所述机敏线Ⅰ(1)和机敏线Ⅱ(2)形成的平面坐标系网络(10)为多个，在待监测结构(8)的同一平面内分区设置。
5.一种结构裂缝仿生监测系统的监测分析方法，包括以下步骤：
A、在计算机内根据相应监测单元建立网络坐标系；
B、计算机定时向现场监测系统发出检测指令，现场监测系统顺序向各监测单元机敏线发送电信号；监测单元的多根机敏线Ⅰ(1)和多根机敏线Ⅱ(2)接收电信号并反馈至计算机，如果构成机敏线Ⅰ(1)或机敏线Ⅱ(2)的导线不连通，计算机通过网络坐标系记录断线坐标数值和时间；
C、计算机根据断裂机敏线Ⅰ(1)和机敏线Ⅱ(2)的数据，在坐标系中计算裂缝的位置和形状；
D、计算机根据机敏线Ⅰ(1)和机敏线Ⅱ(2)中断裂的导线的直径与裂缝宽度的对应关系，计算裂缝宽度，并将裂缝宽度储存至计算机；计算机根据机敏线Ⅰ(1)和机敏线Ⅱ(2)中新增断裂的导线的位置和数量，计算已有裂缝的延伸发展和新裂缝的产生状况；
E、计算机将裂缝宽度和长度值与前次裂缝宽度和长度值进行比较，如果裂缝的长度或宽度值扩大，则在坐标系网络中表示裂缝发展状态。
6.根据权利要求5所述结构裂缝仿生监测系统的监测方法，其特征在于：计算机内储存有裂缝宽度和长度阀值，与计算机连接有预警装置，步骤E中，将裂缝宽度和长度值与计算机中宽度和长度阀值进行比较，如果裂缝的宽度或长度值超过阀值，自动报警并输出检测报告。
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