土木工程智能结构中传感器原理与应用

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:智能结构在当前各个领域中得到了广泛使用。文章针对土木工程的智能结构进行详细分析,研究传感器内部的不同结构和相应原理,从而提升土木工程智能结构的潜力以及实用价值。

  关键词:土木工程;智能结构;传感器原理;

1 引言

  传感器是常见的智能材料,广泛应用在土木工程建设中。随着我国土木工程技术的发展,相关人员需要积极重视智能材料结构中传感器原理的研究和传感器的利用,通过提升传感器的应用效果来促进我国经济的进步。

2 土木工程智能结构的基本功能

  近年来,智能材料结构在促进我国土木工程建设的发展中发挥了重要作用。有效检测了土木工程的运行状况,最大程度减少了工程事故的发生。土木工程中的功能材料结构具有优良功能,包括四个主要功能。

  (1)对土木工程结构的内部和外部载荷进行特定检查。

  (2)可以检测到智能物料结构对充电的特定响应。

  (3)可以及时检查结构的安全性。

  (4)它可以及时发现和解决问题。

3 土木工程智能结构中新型传感器原理与应用

  在土木工程智能结构中,新型传感器的应用广泛,主要包含以下应用。

  1)压电材料元件传感原理及应用

  压电材料是一种具有正、负压电效应的材料,该材料与电荷量成反比。当压电材料受到负载的影响时,压电材料会产生相互吸引的正电荷和负电荷,并且电荷密度与外部结合力密切相关。同时,压电材料本身就是一种传感元件,其电导率和灵敏度极佳。在土木工程结构的技术诊断和综合评估中,它起着重要作用。人们已经在压电陶瓷的基础上开发出了新的具有高频响应和出色韧性的压电复合材料(压电)复合材料,称为PCM。PCM压力结合母材设计,公布结构有压电正交各向异性检测器,可用于检测平面应用e结构的可变场和总表面积中任何方向的应变值场应力分布。

  2)土木工程中的光导纤维传感元件

  近年来,光纤被用于信息的传输。同时,凭借其自身强大的性能优势,光纤可在当今的中国得到了很大的发展和应用。同时,光纤的存在也会帮助土木工程实现相应功能,这是因为光纤本身的特性。

  (1)光纤本身是轻便且可携带的,并且对被测结构基本上没有影响。

  (2)光纤与其他传输工具的不同之处在于:它不受诸如极端天气之类的外部因素的影响。

  (3)频率带宽作为光纤的主要特色,在实际应用中可以实现远程通讯,同时可以尽量保持信息的完整性。同时,光纤在土木工程智能结构中的主要应用分为两个方面[1]。一方面,它在项目质量监督中起着重要作用。另一方面,在建筑系统和辅助设施的管理中也被广泛使用。然而,在土木工程智能结构中,光纤在混凝土中的应用测试时,必须将光纤与特定组件有效结合,从而才能确保其特定结构的完整性和正确的安装程序,以便准确评估整体结构并促进土木工程行业的不断发展与进步。在监视混凝土结构的过程中,必须在使用光纤之前将其与主体组件有效结合。传感器在混凝土结构中的应用,包括混凝土中固化期间的热应变和温度检测,结构的内部应变检测以及振动测量和裂纹检测。它提供建筑结构智能和内部状态,用于实时、在线无损检测。该方法有利于结构的安全监控和整体评价、维护,也有利于结构设计的准确评估。

  3)愈合凝胶原料的应用研究

  在设计过程中,将可愈合材料(聚丙烯纤维等)以一定比例加入混凝土结构中,如果建筑因地震或其他风险造成损坏时,可以快速修复建筑物的结构。当前,该解决方案是克服混凝土结构损坏的最佳方法,但是这种方法仍在探索中。随着该项技术的发展,其具有很大的应用空间。土木工程的智能结构有很大的发展潜力,但仍然存在许多问题和弊端。在智能土木工程结构中,除了改进智能传感技术外,还必须改进智能驱动技术。另外,加快处理和传输信息的速度以及智能集成技术的发展是土木结构未来的发展方向。

  4)电阻应变丝传感元件

  电阻应变线检测元件的原理主要是在复合材料中添加电阻应变线,在材料发生特定变形后更改电阻器原始电阻的过程。电力在智能材料结构中的应用耐应力电线具有以下优点[3]。

  (1)电阻应变线本身的性能相对稳定,同时,电阻应变丝不受其他各种因素的影响。

  (2)在将电阻应变线应用于智能材料结构的过程中,不必担心对原料结构的影响。

  (3)因为电阻应变线的内部结构比较成熟,可以实现与计算机等兼容的功能。电阻应变线埋入复合结构后,当结构变形时,电阻应变线的电阻值改变。根据受力分析,将抗应变线埋入复合结构中,用胶水构成一个传感器网络阵列,性能相对稳定,可以根据需要确定形状和面积。应用模式识别或人工神经网络技术,可以测量结构的内部磁场应变。

  使用电阻应变线测量智能材料结构的应变主要优点是:

  (1)性能稳定,易于根据结构材料进行开发,仅受应变影响的合适导线;

  (2)对基质材料的强度几乎没有影响;

  (3)配套的仪器非常成熟,易于连接到计算机,与其他设备兼容。

  5)碳纤维传感原理及应用

  碳纤维是主要由碳分子组成的长链,是在特定温度和条件下聚合物纤维的组合。燃烧后,最终结果是碳纤维。碳纤维依靠其自身的耐高温性、重量轻和其他优点,在1960年代广泛使用[4]。碳纤维没有其他传感器材料,优点之一是其内部电阻随接触压力变化而变化。正是这一功能,使碳纤维能够支撑土木工程施工中使用的传感器。通过实践研究,纤维含量适当的混合和复杂制造工艺的结合,会由于外部因素改变水泥的电性能。然后,将碳纤维添加到水泥中,创建用于测量智能的传感器。东京大学的柳田平树教授发展了一种材料。这种材料是由两种类型的纤维(碳纤维和玻璃纤维)制成,将纤维捆扎在一起,然后再以树脂以棒状固化。该结构的特征如下:可以看到减少、恶化的程度;玻璃纤维非常结实,可以用作混凝土增强材料来增强混凝土的承载能力。这种智能材料特别适合海上或地下建筑等人们很难接近的建筑物体[5]。

  6)电脉冲时域反射

  电脉冲时域反射仪缩写为ETDR。ETDR第一个应用是查找电力系统传输线中的故障点。使用由表面传输线阻抗不连续引起的反射波到达时间和波形用于确定这些不连续点的位置和类型。其原理与一维弹性杆反射波故障诊断方法相同。由Daudin等人在土木工程领域引入并采用,美国的同轴传输线和ETDR技术会影响大坝的水压和岩石运动。基于此原理的位置监控,可用于智能建筑现有或嵌入式传输线结构,可提供在线损坏控制。该方法的优点有两个方面。

  (1)传感器具有连续开放的结构,可以对其进行监控。两根传输线之间的区域较宽,特别适合监视材料参数的变化。

  (2)具有强大的功能,可通过脉冲反射来定位和识别损坏[6]。

4 结语

  综上所述,土木工程智能材料结构传感器在未来具有广泛的前景,这不仅是因为土木工程传感器在工程中的有效应用,更因为传感器本身的性能优势。当前,我国社会经济发展不平衡,很多技术并没有得到完善的开发,因此传感器的使用还需要进一步优化。传感器使用包括压电材料元件传感原理及应用、土木工程中的光导纤维传感元件、形状记忆合金传感元件、电阻应变丝传感元件、碳纤维传感原理及应用以及电脉冲时域反射。社会各界通过分子研究取得了更大的进步和成果,将会促进经济的发展。

参考文献

  [1]邱航.基于无线传感网络的结构健康监测客户端系统研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2010.

  [2]张敬花.新型光纤Bragg光栅低频加速度传感器的设计和实验研究[D].西安:西北大学,2011.

  [3]侍月华.压电阻抗法在结构损伤检测中的应用[D].济南:济南大学,2014.

  [4] 李娅.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].工业C,2016(50):31.

  [5]孔祥龙.基于FPGA的高速光纤光栅解调技术与实验研究[D].山东:山东大学,2019.

  [6] 邹惠涵.土木工程智能结构的应用[J].建筑工程技术与设计,2018(7):1810.

作者:张强 单位:中铁十六局集团第一工程有限公司

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