具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本实施例提供了一种工程结构健康监测装置，包括多个阻抗传感器，所述多个阻抗传感器串联组合，所述多个阻抗传感器的谐振峰分布在工程结构的检测频带范围内且谐振峰不重叠。

本发明提供的这种工程结构健康监测装置，与常规的单一阻抗传感器相比，串联式的阻抗传感器能大幅拓宽传感器的检测范围。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种工程结构健康监测装置，所述阻抗传感器包括压电陶瓷和磁钢，所述多个阻抗传感器内的磁钢厚度不同。

阻抗传感器的谐振峰的位置由阻抗传感器的尺寸决定，因此，通过不同尺寸的磁钢可以实现阻抗传感器的不同谐振峰。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种工程结构健康监测装置，所述工程结构包括钢结构、螺栓和管道。

当用于检测钢结构厚度时，厚度在2-5mm范围内，频带范围为40-90kHz，因此将该检测频带范围内的不同谐振峰的阻抗传感器进行串联，可以极大地拓宽阻抗的检测范围，快速准确找到损伤位置。

螺栓荷载检测，频带范围在10-100kHz。同理可以快速检测出哪个螺栓出现松动，避免工程事故发生。

实施例4：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种工程结构健康监测装置，所述压电陶瓷为钛酸钡类、锆钛酸铅类或铌镁酸铅类。

压电陶瓷主要有三大类：钛酸钡类(BaTiO₃)，原材料有二氧化钛、碳酸钡、碳酸锶等；锆钛酸铅类(PbZrTiO₃)，原材料有二氧化钛、氧化锆、氧化铅、、碳酸锶、氧化铌、氧化镧等；铌镁酸铅类(PbNbMgO₃)，原材料有氧化铌、氧化镁、氧化铅、碳酸锶、氧化镧。

材质和尺寸都对谐振峰的位置有影响，因此，材质也是需要考虑的一个重要参数。

实施例5：

本实施例提供了一种工程结构健康监测方法，包括以下步骤：

步骤1）根据监测对象，制备谐振峰不同的多个阻抗传感器进行串联组成工程结构健康监测装置；

步骤2）将阻抗传感器安装在监测对象表面，用阻抗分析仪连接串联的阻抗传感器的正负极，施加扫频激励进行压电阻抗测量，扫频范围与监测对象的检测频带范围一致；

步骤3）当某个或某几个阻抗传感器的谐振峰发生频移或峰值变化，则判断阻抗传感器安装的位置出现损伤。

本方法的原理如下：

利用阻抗传感器的压电陶瓷与被测结构可以相互耦合，将结构的机械阻抗耦合到压电陶瓷自身的电阻抗中，压电陶瓷电阻抗变化可以间接反映了由损伤导致的结构机械阻抗变化。

本方法通过一次测量，同时获取串联式阻抗传感器阵列中每个阻抗传感器的阻抗特性，为阻抗快速检测提供了可靠的方法和技术。

实施例6：

在实施例5的基础上，本实施例提供了一种工程结构健康监测方法，步骤1）的具体过程如下：

（1）根据监测对象，选定检测频带范围，在检测频带范围内确定多个谐振峰；

如：钢结构厚度检测，厚度在2-5mm范围内，频带范围为40-90kHz；螺栓荷载检测，频带范围在10-100kHz。

（2）建立阻抗有限元计算模型，针对每一个谐振峰数值模拟不同尺寸、不同材质的阻抗特性，选择响应度高的尺寸和材质制备各阻抗传感器；

（3）将各阻抗传感器通过导线及接线夹进行串接。

利用有限元数值模拟不同尺寸阻抗传感器的阻抗特征，通过将不同尺寸的阻抗传感器进行串联组合，极大地拓宽阻抗的检测范围。

阻抗传感器的数量与要求的检测精度相关，比如工程结构的检测范围为30-70kHz，考虑检测精度的话，可以选择30 kHz、40 kHz、50 kHz、60 kHz和70 kHz5个频率的阻抗传感器进行组合。检测精度要求越高，在保证谐振峰重叠不严重的情况下，越多阻抗传感器越好。

实施例7：

在实施例6的基础上，本实施例提供了一种工程结构健康监测方法，步骤（2）具体过程如下：首先有限元软件根据监测对象的尺寸和材质对监测对象进行几何建模，然后网格划分，之后分别根据不同阻抗传感器的尺寸、材质进行阻抗传感器建模，并模拟安装在监测对象表面同一位置，再施加约束和荷载，最后数值模拟得到不同尺寸、不同材质的阻抗特性，选择响应度高的尺寸和材质制备各阻抗传感器。

有限元软件可以是ansys 或comsol，由于有限元是一种数值计算，必须离散化才能进行计算，网格划分有多种方法，如自由网格划分、映射网格划分和扫略网格划分及混合网格划分。对于不同的几何模型，采用不同的网格划分方法。网格划分属于现有技术，在本方法中只是应用网格划分建立有限元模型，不属于改进点。

本实施例以检测跨越管道为例，1、几何建模：根据管道的内径、外径及材质通过ansys进行几何建模（如图1所示）；2、划分网格（如图2所示）；3、根据阻抗传感器的尺寸及材质对其进行建模，然后施加荷载（如图3所示）；4、求解结果，即阻抗传感器响应图（如图4所示）。其中，图1、图2和图3中管道顶部的方形为阻抗传感器。

实施例8：

在实施例6的基础上，本实施例提供了一种工程结构健康监测方法，将各阻抗传感器通过导线及接线夹进行串接后，利用阻抗分析仪分析其阻抗特征，并与步骤（1）中的检测频带范围进行对比，如各谐振峰均在检测频带范围内，则完成程结构健康监测装置制备，如某个或某几个谐振峰不在检测频带范围内，则重复步骤（2），改变尺寸及材质进行优化，直至各谐振峰均在检测频带范围内。

本实施例选定的检测频带范围为30kHz-80kHz，在此范围区间设计出现4个谐振峰，分别为35kHz、45kHz、65kHz和75kHz。根据实施例7提供的方法，得到了4个阻抗传感器分别对应的材料及尺寸，加工得到阻抗传感器一1、阻抗传感器二2、阻抗传感器三3和阻抗传感器四4，通过导线5串联后组成工程结构健康监测装置，如图5所示。同时测试了工程结构健康监测装置的阻抗特性，如图6所示，该装置满足设计需求。

实施例9：

本实施例以两钢板螺栓连接的结构为监测对象，对本发明做进一步详细说明。

钢板尺寸为1000mm × 182mm ×5mm，用4个螺栓进行连接，相邻两螺栓中心的相距255 mm。制作出的4个阻抗传感器使用相同的压电陶瓷片，不同厚度的磁钢，以获得不同的阻抗响应谐振频率。为方便表示，4个阻抗传感器分别记为Sensor1，Sensor2，Sensor3，Sensor4，对应着所使用的磁钢厚度依次为2mm， 3mm，4mm，5mm，直径均为20mm。阻抗传感器所使用的压电陶瓷片为锆钛酸铅类PZT5h，尺寸为长10mm、宽10mm，厚0.5mm。

将制作的4个阻抗传感器贴于4个螺栓螺母的外侧表面，并进行串联连接，即一个Sensor的正极连接下一个Sensor的负极，形成一个单输入多输出系统。用扭矩扳手将4个螺栓扭至全紧，用阻抗分析仪连接串联阻抗传感器的正负极，施加扫频激励进行压电阻抗测量，扫频范围选择30kHz~90kHz，步距50Hz。

测量的数据经线缆连接传至PC进行存储和分析。同样的，断开接线夹分别单独测量4个阻抗传感器的阻抗响应，将单个阻抗传感器测量的结果与串联结果进行对比。测量结果如图7所示，串联的阻抗响应出现4个谐振峰（记为P1，P2，P3，P4），峰值频率依次为38 kHz（P1），55 kHz（P2），66.5kHz（P3），76.5 kHz（P4），峰值幅度较单个Sensor增大。可以发现，P1，P2，P3和P4分别对应着Sensor1，Sensor2，Sensor3和Sensor4的谐振峰频率（从单个阻抗传感器分开测量结果看）。因此可以通过阻抗传感器的安装位置来判断损伤出现的位置。

螺栓松紧测试实验验证：

在螺栓全紧的基础上，松动Sensor1处的螺栓，其他螺栓状态保持不变，扭矩从90N • m 依次减小到6 0 N • m、30 N • m、0 N • m，共4种螺栓预紧情况，用阻抗分析仪测量串联压电传感器的阻抗响应，测量结果如图8所示。由图可知，随着预紧力的减小，Sensor1的阻抗峰（P1）频率向左移动，原因是Sensor1处的螺栓松动导致其局部刚度减小，进而谐振频率减小，松动程度越大，损伤越大，峰值频率越低。而其他三个螺栓没有松动，故谐振峰（P2~P4）对应的频率几乎不变。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。