基于压电换能器的玻璃幕墙松动检测装置和方法
阅读说明：本技术 基于压电换能器的玻璃幕墙松动检测装置和方法 (Glass curtain wall looseness detection device and method based on piezoelectric transducer ) 是由 徐佳文 张鑫 严如强 唐志文 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多片压电换能器的玻璃幕墙松动检测装置和方法,所述监测装置包括：包括激励产生模块、若干压电换能器和数据采集系统。其中一片或者多片压电换能器作为驱动器使用,另外一片或者多片压电换能器作为传感器使用,数据采集系统解耦两者的电压信号得到电压相应曲线,并依据输出电压响应曲线找到被测结构的固有频率,以此判断被测玻璃幕墙是否松动。本发明使用压电换能器,通过主动激励传感的方式获取被测结构振动特征,并通过压电换能器将其转换为电压信号,获得结构固有频率,并且对结构松动状况做出判断,具有结构简单、准确率高、灵活度高、适应性强、安全性强等优点。(The invention discloses a device and a method for detecting looseness of a glass curtain wall based on a plurality of piezoelectric transducers, wherein the monitoring device comprises: the device comprises an excitation generation module, a plurality of piezoelectric transducers and a data acquisition system. One or more piezoelectric transducers are used as a driver, the other one or more piezoelectric transducers are used as sensors, the data acquisition system decouples voltage signals of the two transducers to obtain a voltage corresponding curve, and finds out the natural frequency of the tested structure according to the output voltage response curve, so as to judge whether the tested glass curtain wall is loosened. The invention uses the piezoelectric transducer to obtain the vibration characteristics of the structure to be detected by an active excitation sensing mode, converts the vibration characteristics into voltage signals by the piezoelectric transducer to obtain the inherent frequency of the structure, judges the loosening condition of the structure, and has the advantages of simple structure, high accuracy, high flexibility, strong adaptability, strong safety and the like.)
技术领域
本发明涉及一种建筑结构健康监测装置和方法，尤其涉及一种基于压电换能器的玻璃幕墙松动检测装置和方法。
背景技术
玻璃幕墙由于美观新颖被广泛应用在城市高楼建筑中，例如中央电视台总部大楼等，成为现代城市建筑的一个标志之一。但是由于生产、运输、安装过程中的失误和长期自然环境中自然力和热应力的作用，玻璃内部都有可能产生裂纹，发生玻璃的“自爆”事故，并且随着玻璃幕墙的长期使用和自然环境的影响，玻璃幕墙内结构胶易老化和失效，致使玻璃幕墙松动，造成玻璃幕墙坠落等事故。以上问题都是十分严重的安全隐患，一旦发生将造成难以估计的后果。因此，建立有效的对玻璃幕墙健康监测系统，对玻璃幕墙的健康状态以及剩余寿命进行合理的分析和预测十分重要，对短期内大概率损坏的部分及时更换，降低玻璃幕墙损坏概率，提高玻璃幕墙的安全性。采用单片压电片测量的方式中，所测量信号耦合了机械结构信号及压电片的电容信号，在压电换能器体积较小或者采用高分子压电换能器的情况下，机械信号易淹没在电容信号当中且难以解耦。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于压电换能器的玻璃幕墙松动检测装置和方法，提高玻璃幕墙固有频率检测的精确度，实现结构早期故障的识别和帮助提高使用寿命预测准确率。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于压电换能器的玻璃幕墙松动检测装置，包括激励信号产生模块，用于产生激励信号；压电换能器(3)，所述压电换能器(3)不少于两片，固接于幕墙玻璃(1)上，其中一片或多片压电换能器作为驱动器接收所述激励信号，另外的一片或多片压电换能器作为传感器；数据采集系统，用于采集和处理各压电换能器的输出信号，通过解耦得到玻璃幕墙阻抗特征曲线，分析得到玻璃幕墙的固有频率。其中，所述压电换能器采用压电陶瓷、高分子压电薄膜或者单晶压电换能器，利用粘合剂、紧固螺栓或者磁铁固接于幕墙玻璃表面；所述压电换能器相互平行、呈阵列或者分散固接于幕墙玻璃上。
由于采用了分立元件作为驱动器和传感器，所述数据采集系统包含信号调理模块和信号分析模块，所述信号调理模块用于将采集到的响应信号Vp以及激励信号Vs进行解耦处理，输出解耦后的两路数字信号给信号分析模块进行分析。
所述信号调理模块将采集到的响应信号Vp通过前置放大器放大后分别输入两片平衡调制解调器中，同时所述信号调理模块将采集到的激励信号分为两路，一路作为参考信号输入至其中一片平衡调制解调器中，另一路经过移相器输入至另一片平衡调制解调器中，两片平衡调制解调器的输出通过低通滤波器，得到直流幅值Vo1、Vo2，即为所述的解耦后的两路数字信号，则待测玻璃幕墙的响应信号幅值Vo为
基于上述方案的一种典型的玻璃幕墙松动检测装置是，所述压电换能器采用两片压电换能器，两片压电换能器固接于幕墙玻璃表面，其中一片压电换能器作为驱动器接收所述激励信号，另一片压电换能器作为传感器。
本发明还提出一种应用于前述检测装置的玻璃幕墙松动检测方法，包括以下步骤：
(1)所述数据采集系统采集不同激励信号频率下各个压电换能器的输出信号，通过解耦得到玻璃幕墙结构阻抗响应信号，从而计算出玻璃幕墙的阻抗特性曲线；
(2)根据作为传感器的压电换能器的响应信号表达式，求得玻璃幕墙固有频率，所述响应信号表达式为：
式中，M，C，K，k121，k122分别是系统的质量、阻尼、刚度、第一片压电换能器的机电耦合系数矩阵、第二片压电换能器的机电耦合系数矩阵，Kc＝1/Cp，Cp是压电换能器的电容，Ve是激励电压，ω是激励信号频率，i表示虚部；所述玻璃幕墙的固有频率为所测阻抗特性曲线的峰值所对应的频率；
(3)用所述检测装置测量位于健康状态下的玻璃幕墙的固有频率作为参照，分析被测玻璃幕墙的安全状态。
有益效果：相对于现有技术，本发明的优点如下：提出一种基于压电换能器的玻璃幕墙松动检测方法和装置，进而与健康状况下玻璃幕墙的固有频率相对比，判断被测玻璃幕墙是否松动。对比传统玻璃幕墙固有频率测量方法，传统方法需要人为敲击力锤，为被测结构提供激励，对于位于高空的玻璃幕墙，该测量方法存在较大的安全问题。传统无人机巡检方法，难以及时有效发现问题。提出的压电换能器测量装置不需要人为施加激励，只需要从玻璃处引出导线，将测量电路置于安全的位置，如较低的地方，就可以实现玻璃幕墙测量。此外，使用阻抗法测量结构固有频率的方法对被测结构细小变化敏感，可以对玻璃幕墙固有频率更加精确测量，实现结构早期故障的识别和帮助提高使用寿命预测准确率。使用双压电换能器测量结构使得PVDF高分子压电薄膜可以作为驱动器应用到结构阻抗测量中。PZT压电陶瓷易碎且不能弯曲，PVDF高分子压电薄膜柔软可弯曲，适用于多种形状不规则和曲面玻璃表面。双压电换能器测量结构输出响应信号不包含直流偏置，固有频率峰值更加明显，并且便于进一步对信号放大等信号处理过程。
附图说明
图1是本发明所述的双压电换能器玻璃幕墙松动检测装置的流程框图；
图2是本发明所述的双压电换能器玻璃幕墙松动检测装置的结构框图；
图3是信号调理结构框图；
图4是前置放大电路图；
图5是带通滤波电路图；
图6是互相关锁相放大电路图；
图7是低通滤波电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
参见图1，是利用双压电换能器的玻璃幕墙松动检测装置，包括两个压电换能器及数据采集系统。两片高分子压电薄膜利用环氧树脂平行粘贴于幕墙玻璃1表面，首先对压电换能器32输出的响应信号无损放大，输出的放大信号和压电换能器31接受的激励信号经过锁相放大电路输出两路直流信号，信号分析模块采集直流信号并利用阻抗法分析得到所测玻璃幕墙1的固有频率。
一片压电换能器31作为驱动器使用，接收激励信号，另外一片压电换能器32作为传感器使用，双压电片同时使用，解耦并输出结构阻抗响应信号。数据采集系统采用仪用放大器对测量的模拟信号的进行无损放大，并使用数字信号处理方式或者模拟电路实现激励信号与响应信号的互相关锁相放大，充分抑制测量信号中的噪音并且提取出与激励信号直接相关的振动特性。信号分析系统根据被测结构响应频率曲线，找到被测玻璃幕墙1的固有频率，并且与健康状态下的结构固有频率对比，得到被测结构是否松动以及依据玻璃幕墙安全等级频率区间，对玻璃幕墙使用寿命进行预测。
本实施例中，两片高分子压电薄膜31和32粘贴在被测结构幕墙玻璃1表面，高分子压电薄膜31对结构施加激励，由于逆压电效应，对压电材料施加交变激励电场，压电材料随电场变化发生机械形变。当施加在高分子压电薄膜31上的激励信号为扫频正弦信号，高分子压电薄膜31随激励信号的变化发生形变，其形变程度与激励信号电压成正比，压电换能器形变带动被测结构以同频率振动，振动幅度与压电陶瓷形变程度成正比。
被测结构发生振动，粘贴在被测结构上的高分子压电薄膜32感知被测结构的振动，并通过正压电效应输出电压信号，输出响应电压大小与被测结构振动幅度成正比。
从压电换能器的本构方程出发，利用假设模态的方法，对压电-结构耦合的系统建立力学模型，同时利用有限元仿真软件对系统建立有限元模型，得到动力学方程：
其中M，C，K，k121，k122分别是系统的质量、阻尼、刚度、第一片压电换能器的机电耦合系数矩阵，第二片压电换能器的机电耦合系数矩阵，Cp为压电换能器的电容，并且Kc＝1/Cp，Ve是激励电压，q、Q1和Q2分别是系统机械响应矩阵和两片换能器响应电荷，ω是激励信号频率，i表示虚部。在两片压电换能器大小一致，并且贴在一起的情况下，所测得的电压信号是
V(ω)完全表示系统的动力学响应，响应信号没有直流偏置，可以进行直接放大并且分析。
当被支撑框架2及粘贴幕墙玻璃1的结构胶松动、老化和失效时，玻璃幕墙1的固态结构发生改变，具体的体现在结构振动特性改变，根据公式(3)，即M，C，K，k122，k121，Cp等参数发生改变，V(ω)变化曲线也会发生相应改变，结构固有频率发生偏移。利用数据采集系统对被测结构施加激励信号。与此同时，数据采集系统对经信号处理电路处理后的响应信号分析，依据结构的阻抗特征曲线得到被测玻璃幕墙1的固有频率。用该系统测量位于健康状态下的玻璃幕墙的固有频率作为参照，分析被测玻璃幕墙1是否发生松动以及目前的安全状态。
激励信号为正弦扫频交流信号，激励信号幅值不变，频率随时间等步长发生变化，频率范围由被测结构的材料特性决定。
所述数据采集系统包含仪用放大器和互相关锁相放大电路，需要根据实际情况对仪用放大器放大倍数调节和对互相关锁相放大电路低通滤波参数调节，满足采样系统采样精度和幅度要求。
如图3所示，为信号调理模块框图，响应信号Vp经前置放大电路无损放大后分别输入两片高精度平衡调节器AD630中得到Vp1、Vp2，激励信号Vs经过移相90度后得到Vs2，其中：
Vp＝Asin(ωt+α)+n(t)
Vp1＝Vp2＝kVp
Vs＝Bsin(ωt+β)
Vs1＝Vs
Vs2＝Bcos(ωt+β) (4)
A、B为信号幅值，激励信号幅值B是已知的，α、β均为信号相位，n(t)为噪声信号，k为放大倍数。
Vs1、Vs2分别作为参考信号输入两片高精度平衡调节器AD630中，在互相关锁相放大电路中，参考信号与响应信号进行乘法运算，将于其频谱迁移到直流处，之后经过低通滤波得到：
Vo1＝mAB cos(ω′)
Vo2＝mAB sin(ω′) (5)
其中m为系数，Vo1、Vo2输入数据采集系统求得
如图4所示，为前置放大电路图，使用高精度仪用放大器INA128直接放大响应信号，通过改变调节电阻阻值调节电压放大倍数，电压放大倍数根据实际电路采样精度和幅度要求调节。
如图5所示，为带通滤波电路图，放大后的响应信号从端子P5输入，滤波电路使用TL082双运算放大器搭建四阶有源滤波器，可以更好的去除信号中过高频或低频输入的信号成分干扰。
如图6所示，为一路AD630互相关放大模块电路图，另外一路结构与此相同，响应信号由SMA接口P1输入，SMA接口P6输入参考信号，信号经过AD630解调电路将与激励信号有关的同频信号迁移至直流处，输出信号接入低通滤波器得到直流幅值信息。
如图7所示，为低通滤波电路图。用低噪声双运算放大器TL082搭建低通滤波器，用于滤除互相关放大电路输出信号中的高频信号，得到包含被测响应信号幅值信息的Vo1、Vo2。
信号调制系统输出两路信号Vo1、Vo2，根据公式(6)，求得在扫频范围内的被测结构阻抗信息随频率变化曲线Vo(ω)，分析曲线上峰值点的位置，得到被测玻璃幕墙1的固有频率。
当被支撑框架2及粘贴幕墙玻璃1的结构胶松动、老化和失效时，玻璃幕墙1的固态结构发生改变，具体的体现在结构振动特性改变，结构固有频率发生偏移。利用数据采集系统对被测结构施加激励信号。与此同时，数据采集系统对经信号处理电路处理后的响应信号分析，依据结构的阻抗特征曲线得到被测玻璃幕墙1的固有频率。用该系统测量位于健康状态下的玻璃幕墙的固有频率作为参照，分析被测玻璃幕墙1是否发生松动以及目前的安全状态。
本实施例利用被测结构的机械阻抗特性曲线获得结构固有频率，进而分析结构的健康状况，该结构使用时操作简单、便捷，并且灵敏度高，安全性高，实用性强，对结构影响小，适用于多种材料结构的测量。
本实施例中的压电换能器可以采用压电陶瓷、高分子压电薄膜或者单晶压电换能器，利用粘合剂、紧固螺栓或者磁铁固接于幕墙玻璃1表面，优选可拆卸的磁铁连接。
本实施例还可以推广至多个(大于或等于三个)压电换能器的情形。在多个压电换能器中，一部分压电换能器作为驱动器接收激励信号，另一部分压电换能器作为传感器，数据采集系统采集各个压电换能器的输出信号，采用现有的信号处理方法如平均、误差消除等算法对多路输出信号进行处理来提高测量精度，通过解耦得到结构阻抗的响应信号。多个压电换能器的排列可以采用相互平行、呈阵列或者分散的形式固接于幕墙玻璃上。
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