阅读说明：本技术 用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统 (Piezoelectric ceramic self-generating and detecting system for detecting steel pipe concrete structure ) 是由 路国运 卜书文 左文建 杨旭 王轶喆 杨涵笑 杨俊涛 陈鹏程 杨会伟 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统和方法。包括压电元件、第一压电型超声换能器、功率放大电路、内部小型电源、第二压电型超声换能器、钢质密闭立方体；压电元件由压电陶瓷片、承载压电陶瓷片的钢片和用于固定钢片的支撑板组成；所述第一压电型超声换能器贴附于所测钢管混凝土外壁上,其余设备均置于钢质密闭立方体内,并预先埋置于钢管混凝土中所需进行测量的位置；位于钢质密闭立方体内的各部件通过电导线相连；所述的功率放大电路粘贴到钢质密闭立方体中与压电元件相对的一侧上；所述的第二压电型超声换能器粘贴到钢质密闭立方体内的下部。(The invention discloses a piezoelectric ceramic self-generating and detecting system and method for detecting a steel pipe concrete structure. The piezoelectric ultrasonic transducer comprises a piezoelectric element, a first piezoelectric ultrasonic transducer, a power amplification circuit, an internal small power supply, a second piezoelectric ultrasonic transducer and a steel closed cube; the piezoelectric element consists of a piezoelectric ceramic piece, a steel sheet bearing the piezoelectric ceramic piece and a support plate for fixing the steel sheet; the first piezoelectric ultrasonic transducer is attached to the outer wall of the measured concrete filled steel tube, and the rest equipment is arranged in the steel closed cube and is pre-embedded in the position, required to be measured, of the concrete filled steel tube; all the parts in the steel closed cube are connected through electric leads; the power amplifying circuit is adhered to one side of the steel closed cube, which is opposite to the piezoelectric element; and the second piezoelectric ultrasonic transducer is adhered to the lower part in the steel closed cube.)

用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统

技术领域

本发明涉及一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统和方法，具体设计一种结构体内部发射超声波进行检测的系统和方法，属于结构检测领域。

背景技术

现有的检测结构损伤的仪器中，超声波法是应用范围最广的无损检测方法之一。目前主流的应用原理为超声脉冲回波法，通过回波的振幅衰减及波形畸变反应内部缺陷，但超声脉冲回波法存在两个主要问题，一是波形复杂，发出的超声波会在结构体内部发生复杂的反射、散射等现象，使回弹的超声波无法充分反应结构内部；二是超声波的能量衰减严重，超声波在介质中传播时与介质摩擦产生相当大的热量耗散，致使回波法检测深度有限。

超声换能器可以实现声能-电能的转化，其中压电型换能器需要的材料较少，且价格便宜、声电转化效率高、适用于各种介质中的超声传播。

超声波在混凝土、水泥砂浆中传播会产生一定程度上的频率及幅值的衰减，且频率越高、传播距离越远，衰减程度越大。

当结构受到外部激励频率与自振频率相同或接近自振频率时，结构会产生一定振幅的周期性振动，其中振动幅值大小可由外部激励能量大小决定。

发明内容

本发明旨在提供一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统和方法，用于对固定位置结构进行检测，以及为结构的特定位置进行检测，提高超声检测的深度，降低对结构的损坏，降低深度检测的难度。

本发明克服了现有技术中存在的不足，提高了超声检测的深度，充分利用压电陶瓷的机械能向电能的转化能力，实现了从结构体内部发出超声波，进而实现对结构损伤的检测。钢片受超声激励振动，使压电陶瓷片周期性振动，产生电压。

本发明提供的压电陶瓷自发电-检测系统部分封装在钢质密闭立方体内，部分检测部件放置于所测钢管混凝土结构外部，保证自发电系统埋在钢管混凝土结构体内部时不会因受力产生较大变形而影响工作。

本发明提供了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，所述自发电-检测系统部分封装在钢质密闭立方体内，部分检测部件放置于所测钢管混凝土结构外部；该系统包括：压电元件、第一压电型超声换能器（50kHz）、功率放大电路、内部小型电源（5V）、第二压电型超声换能器(100kHz)、钢质密闭立方体。压电元件由压电陶瓷片、承载压电陶瓷片的钢片和用于固定钢片的支撑板组成。

所述检测系统中的第一压电型超声换能器（50kHz）贴附于所测钢管混凝土外壁上，其余设备均置于钢质密闭立方体内，并预先埋置于钢管混凝土中所需进行测量的位置。位于钢质密闭立方体内的各部件通过电导线相连；所述的功率放大电路粘贴到钢质密闭立方体中与压电元件相对的一侧上；所述的第二压电型超声换能器粘贴到钢质密闭立方体内的下部。

进一步地，所述的第一压电型超声换能器（50kHz），为钢片提供振动激励，并能接收频率在50kHz附近的超声波。

进一步地，所述的钢片，钢片的振动能够使胶粘于钢片上的压电陶瓷片共同振动，引起周期性变形。

进一步地，所述的钢片的一端为自由端，另一端与钢片约束端通过焊接形成刚性连接。

进一步地，所述的内部小型电源（5V），为功率放大电路提供电压。

进一步地，所述的功率放大电路，能将压电陶瓷产生的电压放大到满足压电型超声换能器（100kHz）发出超声波的阈值，功率放大电路与压电陶瓷之间通过电导线相连。

进一步地，所述的第二压电型超声换能器（100kHz），可以利用放大后的电压，产生压电型100kHz的超声波。

本发明提供了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测方法，利用上述系统进行检测，包括以下步骤：

（1）将压电元件、功率放大电路与第二压电型超声换能器通过电导线相连，并放置于钢质密闭立方体内，当压电元件支撑板与钢质密闭立方体焊接固定后，将钢质密闭立方体密封。下面将该密封系统称为压电陶瓷自发电-检测系统。

（2）在钢管混凝土浇筑成型前，将压电陶瓷自发电-检测系统放置于日后所需进行检测的关键位置，埋置于钢管混凝土中，待混凝土硬化成型后即可固定钢质密闭立方体的位置。

（3）钢管混凝土结构成型后，当需要进行检测时，检测人员手持第一压电型超声换能器紧贴于埋置了压电陶瓷自发电-检测系统的钢管混凝土外部，距压电陶瓷自发电-检测系统不可超过1m；

（4）各检测设备均置于目标位置后，检测人员开启第一压电型超声换能器，向压电陶瓷自发电-检测系统发出频率为50kHz的超声波，并可同时接收到压电陶瓷自发电-检测系统所反馈出的超声信号。

（5）收集到目标信号，检测人员收回手持第一压电型超声换能器。

（6）对比检测人员手持50kHz超声换能器的发出超声信号和接收超声信号，即可实现对钢管混凝土关键部位的检测。

本发明的有益效果：

本发明的检测系统通过压电陶瓷的变形发电，达到了无需外部供电的目的；同时在结构体内部利用压电型超声换能器，实现超声波在结构体内部发出指定频率的超声波来实现测量目的，降低了超声回弹法中超声波的能量耗散，提高了检测深度。

附图说明

图1为本发明功能实现流程示意图。

图2为压电元件示意图。

图3为功率放大电路示意图。

图4为检测设备在钢管混凝土中的应用示意图。

图5为检测设备内部各部件连接示意图。

图中：1为压电元件，2为功率放大电路，3为第二压电型超声换能器，4为第一压电型超声换能器，5为钢质密闭立方体，101为压电陶瓷片，102为钢片，103为支撑板。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~5所示，一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测系统，所述自发电-检测系统部分封装在钢质密闭立方体内，部分检测部件放置于所测钢管混凝土结构外部；该系统包括：压电元件、第一压电型超声换能器4（50kHz）、功率放大电路2、内部小型电源（5V）、第二压电型超声换能器3(100kHz)、钢质密闭立方体。压电元件由压电陶瓷片101、承载压电陶瓷片的钢片102和用于固定钢片的支撑板103组成。

所述检测系统中的第一压电型超声换能器（50kHz）贴附于所测钢管混凝土外壁上，其余设备均置于钢质密闭立方体内，并预先埋置于钢管混凝土中所需进行测量的位置。位于钢质密闭立方体内的各部件通过电导线相连；所述的功率放大电路粘贴到钢质密闭立方体中与压电元件相对的一侧上；所述的第二压电型超声换能器粘贴到钢质密闭立方体内的下部。

进一步地，所述的第一压电型超声换能器（50kHz），为钢片提供振动激励，并能接收频率在50kHz附近的超声波。

进一步地，所述的钢片，钢片的振动能够使粘贴于钢片上的压电陶瓷片共同振动，引起周期性变形。

进一步地，所述的钢片的一端为自由端，另一端与钢片约束端通过焊接形成刚性连接。

进一步地，所述的功率放大电路的小型电源（5V），为功率放大提供所需电压。

进一步地，所述的功率放大电路，能将压电陶瓷产生的电压放大到满足压电型超声换能器（100kHz）发出超声波的阈值，功率放大电路与压电陶瓷之间通过电导线相连。

进一步地，所述的第二压电型超声换能器（100kHz），可以利用放大后的电压，产生压电型100kHz的超声波。

本发明提供了一种用于钢管混凝土结构检测的压电陶瓷自发电-检测方法，利用上述系统进行检测，包括以下步骤：

（1）将压电元件、功率放大电路与第二压电型超声换能器通过电导线相连，并放置于钢质密闭立方体内，当压电元件支撑板与钢质密闭立方体焊接固定后，将钢质密闭立方体密封。下面将该密封系统称为压电陶瓷自发电-检测系统。

（2）在钢管混凝土浇筑成型前，将压电陶瓷自发电-检测系统放置于日后所需进行检测的关键位置，埋置于钢管混凝土中，待混凝土硬化成型后即可固定钢质密闭立方体的位置。

（3）钢管混凝土结构成型后，当需要进行检测时，检测人员手持第一压电型超声换能器紧贴于埋置了压电陶瓷自发电-检测系统的钢管混凝土外部，距压电陶瓷自发电-检测系统不可超过1m；

（4）各检测设备均置于目标位置后，检测人员开启第一压电型超声换能器，向压电陶瓷自发电-检测系统发出频率为50kHz的超声波，并可同时接收到压电陶瓷自发电-检测系统所反馈出的超声信号。

（5）收集到目标信号，检测人员收回手持第一压电型超声换能器。

（6）对比检测人员手持50kHz超声换能器的发出超声信号和接收超声信号，即可实现对钢管混凝土关键部位的检测。