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申请/专利权人：福建工程学院;福州鑫隆达土木工程检测有限公司

摘要：本发明涉及一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置及方法，包括预埋于上预制柱内用以连接上预制柱钢筋和下预制柱钢筋的灌浆套筒，所述灌浆套筒外壁粘贴两组压电陶瓷传感器，两组压电陶瓷传感器分别布设在灌浆套筒端头和中部位置，每组压电陶瓷传感器数量为两个并分布在灌浆套筒外壁相对的两侧，压电陶瓷传感器通过屏蔽导线与数据采集仪连接，所述数据采集仪与计算机通过屏蔽导线连接。本发明基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置原理简单，成本低，操作方便，所使用的压电陶瓷传感器受现场的制约小，对设备的环境要求低，能适用于现场的施工作业要求；不容易受到现场施工的影响；检测结果准确性高。

主权项：1.一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于：包括预埋于上预制柱内用以连接上预制柱钢筋和下预制柱钢筋的灌浆套筒，所述灌浆套筒外壁粘贴两组压电陶瓷传感器，两组压电陶瓷传感器分别布设在灌浆套筒端头和中部位置，每组压电陶瓷传感器数量为两个并分布在灌浆套筒外壁相对的两侧，压电陶瓷传感器通过屏蔽导线与数据采集仪连接，所述数据采集仪与计算机通过屏蔽导线连接；基于应力波法的套筒灌浆密实度检测方法：通过计算机上的LabView软件控制压电陶瓷传感器产生高频应力波，并采集应力波信号，对采集到的信号先进行小波包默认阈值去噪，再进行时域分析和频域分析，时域分析时通过小波包能量法，建立能量信号与灌浆密实度的关系，通过对比小波包能量值的差异来判定灌浆套筒的灌浆是否密实；频域分析则是将时域分析中采集到的信号经过傅里叶变换得到频域信号，进而建立频域信号变化和灌浆密实度的关系，对比频域信号上的特征参量来评估套筒灌浆的密实程度；时域分析采用的是小波包能量法，假设X为结构健康监测过程中作为传感器的压电陶瓷片测到的结构动力响应信号，当对其进行i层小波包分解时，末层会形成不同频带的2n个子信号，则原始信号X可以表示成以下关系式： （1）Xj可表示为：（2）式（2）中j为小波包分解树形结构中第i层的节点序号，m为采用数据点的数目；X经i层小波包分解后，节点[i,j]相应的子频带信号能量为 （3）由式（3）进而可以得到原始信号在第i层分解时小波包能量谱特征向量Ei （4）各个子信号的总能量为（5）经过分解后的小波包能量值与原始信号的能量值等价，通过对比小波包能量值的差异来判定套筒灌浆是否密实，从而达到对套筒损伤状况进行检测；针对数据采集仪上采集到的时域信号，进行快速傅里叶变换，转化成频域信号，对比频域信号上的特征参量Y，来评估套筒灌浆的密实程度，达到检测的目的，特征参量Y可以表示为以下关系式：（6）。

全文数据：基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置及方法技术领域本发明涉及一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置及方法。背景技术钢筋套筒灌浆连接技术目前在预制装配式建筑中运用最为广泛，主要运用在构件节点钢筋的连接。钢筋套筒灌浆连接接头是由专门加工的套筒、配套灌浆料和钢筋组装的组合体，在连接钢筋时通过注入快硬无收缩灌浆料，依靠材料之间的黏结咬合作用连接钢筋与套筒，套筒灌浆接头具有性能可靠、适用性广、安装简便等优点。钢筋节点的连接强度主要依靠套筒内灌浆料的饱满程度，但构件生产或安装过程中套筒中落入堵塞物、灌浆过程中注浆机持压时间不充分、封堵不及时、底部水平接缝不严密导致的连通腔局部漏浆以及灌浆结束后套筒中浆体存在的回流现象都有可能导致灌浆不饱满，进而影响到装配式建筑的整体受力性能和抗震性能。同时，目前缺乏有效的检测手段，验收没有足够的依据，只能根据灌浆套筒出浆孔的出浆顺畅度判定灌浆是否饱满，从而为结构的安全性埋下了隐患。因此急需一种合理的无损检测方法来判定套筒灌浆的饱满程度。近年来，结构健康监测技术已经在建筑业得到了广泛地应用，其中针对套筒灌浆饱满度的研究，国内外研发了X射线工业CT法、预埋钢丝拉拔法和X射线数字成像法等。但是X射线工业CT法只适用于事前检测，同时对设备环境要求较高，只能在实验室屏蔽条件下进行；预埋钢丝拉拔法需要预先预埋，并且预埋的钢丝在检测前易受到施工现场扰动或破坏；X射线数字成像法只适合于事后检测，且只适用于单排布置、梅花形布置形式的套筒，并且该方法有辐射，现场需要安全保护措施。因此现有检测方法存在对设备环境要求高，检测费用高，检测结果易受现场施工干扰等缺点。发明内容有鉴于此，本发明的目的是提供一种成本低，受现场施工干扰小，准确性高的基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置。本发明采用以下方案实现：一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，包括预埋于上预制柱内用以连接上预制柱钢筋和下预制柱钢筋的灌浆套筒，所述灌浆套筒外壁粘贴两组压电陶瓷传感器，两组压电陶瓷传感器分别布设在灌浆套筒端头和中部位置，每组压电陶瓷传感器数量为两个并分布在灌浆套筒外壁相对的两侧，压电陶瓷传感器通过屏蔽导线与数据采集仪连接，所述数据采集仪与计算机通过屏蔽导线连接。进一步的，所述压电陶瓷传感器包括封装在环氧树脂中的压电陶瓷片，与压电陶瓷传感器相连接的屏蔽导线为单根两芯结构并且两线芯穿入环氧树脂并分别焊接于压电陶瓷片两侧面，所述压电陶瓷片的两侧面涂布有蜡层。本发明另一技术方案：一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测方法，采用如上所述的基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，通过计算机上的LabView软件控制压电陶瓷传感器产生高频应力波，并采集应力波信号，对采集到的信号先进行小波包默认阈值去噪，再进行时域分析和频域分析，时域分析时通过小波包能量法，建立能量信号与灌浆密实度的关系，通过对比小波包能量值的差异来判定灌浆套筒的灌浆是否密实；频域分析则是将时域分析中采集到的信号经过傅里叶变换得到频域信号，进而建立频域信号变化和灌浆密实度的关系，对比频域信号上的特征参量来评估套筒灌浆的密实程度。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置原理简单，成本低，操作方便，所使用的压电陶瓷传感器受现场的制约小，对设备的环境要求低，能适用于现场的施工作业要求；不会因为灌浆料回浆后，传感器核心元件上残留浆体的硬化可能会导致误判；不容易受到现场施工的影响；检测结果准确性高。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。附图说明图1是本发明实施例中灌浆套筒的安装示意图；图2是本发明实施例中封装成型的压电陶瓷传感器在灌浆套筒上的安装示意图；图3是本发明实施例中压电陶瓷片的封装结构示意图；图4是本发明实施例中压电陶瓷片与屏蔽导线焊接示意图；图5是本发明实施例工作原理图；图6是本发明实施例检测流程图；图7是本发明实施例密实度为100%的灌浆套筒端头原始信号数据；图8是本发明实施例密实度为100%的灌浆套筒中部原始信号数据；图9是本发明实施例密实度为50%的灌浆套筒端头原始信号数据；图10是本发明实施例密实度为50%的灌浆套筒中部原始信号数据；图11是本发明实施例密实度为100%的灌浆套筒端头频域信号数据；图12是本发明实施例密实度为100%的灌浆套筒中部频域信号数据；图13是本发明实施例密实度为50%的灌浆套筒端头频域信号数据；图14是本发明实施例密实度为50%的灌浆套筒中部频域信号数据；图中标号说明：100-上预制柱、110-上预制柱钢筋、200-下预制柱、210-下预制柱钢筋、300-灌浆套筒、400-压电陶瓷传感器、410-屏蔽导线、420-蜡层、430-压电陶瓷片、500-数据采集仪、600-计算机、700-环氧树脂。具体实施方式如图1~6所示，一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，包括预埋于上预制柱100内用以连接上预制柱钢筋110和下预制柱钢筋210的灌浆套筒300，所述灌浆套筒300外壁粘贴两组压电陶瓷传感器，两组压电陶瓷传感器分别布设在灌浆套筒端头和中部位置，每组压电陶瓷传感器数量为两个并分布在灌浆套筒300外壁相对的两侧，压电陶瓷传感器通过屏蔽导线410与数据采集仪连接，所述数据采集仪500与计算机600通过屏蔽导线连接，两种屏蔽导线均为RVV型屏蔽导线，可以有效减少采集信号中的噪声信号的影响。同组的两个压电陶瓷传感器其中一个作为接收端，另一个作为反射端分别与数据采集仪500连接，两组压电陶瓷传感器分别布设在灌浆套筒端头和中部位置，并且在环向上错开90°。该基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置的检测原理：（1）通过在灌浆套筒的外表面粘贴压电陶瓷传感器获取压电信号并建立压电信号与套筒灌浆密实度的关系；（2）灌浆套筒内灌浆料在套筒端头和中部的位置往往材性不同，需在端头和中部分别放置压电陶瓷传感器；（3）采用小波包默认阈值去噪方法对数据采集仪采集到的信号进行降噪处理，方能提取出具有灵敏度较高的信号特征参量；（4）采用时域分析和频域分析方法，提出判别灌浆密实度的指标。数据采集仪500采用NI公司的NIUSB-6363数据采集仪，通过计算机上的LabView软件编写程序，对信号进行控制和采集，选用的激励信号采用的正弦扫频信号，电压幅值10V，周期1s，为减少噪音信号对目标信号的干扰，考虑到噪音频率主要集中在低频范围，故采样信号的频率为10kHz~200kHz；对采集到的信号先进行小波包默认阈值去噪，通过MATLAB程序自带的函数进行去噪，再进行时域分析和频域分析，时域分析时通过小波包能量法，建立能量信号与灌浆密实度的关系，频域分析则是将时域分析中采集到的信号经过傅里叶变换得到频域信号图，进而建立频域信号变化和灌浆密实度的关系。时域分析采用的是小波包能量法，假设X为结构健康监测过程中作为传感器的压电陶瓷片测到的结构动力响应信号，当对其进行i层小波包分解时，末层会形成不同频带的2n个子信号，则原始信号X可以表示成以下关系式：（1）Xj可表示为：（2）式（2）中j为小波包分解树形结构中第i层的节点序号，m为采用数据点的数目。X经i层小波包分解后，节点[i,j]相应的子频带信号能量为（3）由式（3）进而可以得到原始信号在第i层分解时小波包能量谱特征向量Ei（4）各个子信号的总能量为（6）经过分解后的小波包能量值与原始信号的能量值等价，通过对比小波包能量值的差异来判定套筒灌浆是否密实，从而达到对套筒损伤状况进行检测。针对数据采集仪500上采集到的时域信号，进行快速傅里叶变换，转化成频域信号，对比频域信号上的特征参量Y，来评估套筒灌浆的密实程度，达到检测的目的，特征参量Y可以表示为以下关系式：（6）在本实施例中，所述压电陶瓷传感器包括封装在环氧树脂700中的压电陶瓷片400，与压电陶瓷传感器相连接的屏蔽导线为单根两芯结构并且两线芯穿入环氧树脂700并分别焊接于压电陶瓷片400两侧面，焊接时间不宜过长，并且焊接点小而平整，避免温度超过压电陶瓷片的居里温度点而使压电陶瓷片丧失压电性能；所述压电陶瓷片400的两侧面涂布有蜡层420，防止环氧树脂硬化而使压电陶瓷片破坏；压电陶瓷片具体选用锆钛酸铅压电陶瓷，选择的是PZT-4型压电陶瓷片，兼具发射和接收两种的功能，并且信号范围广、适应性强；电陶瓷传感器利用环氧树脂AB胶粘贴在灌浆套筒上，灌浆套筒上用以粘贴压电陶瓷片400的部位用打磨机打磨至光滑，然后用酒精进行清洗。封装结构的制作过程是：先利用纸板围合成框形的模具，模具的其中一侧壁开设有供屏蔽导线穿出的通孔，模具内壁贴上透明胶，可以使脱模更简单；在模具内壁刷上一层环氧树脂脱模剂；然后将屏蔽导线经通孔穿入模具中，屏蔽导线的两线芯分别焊接于压电陶瓷片的两侧面，接着在压电陶瓷片的两侧面涂布蜡层420，随后在模具中浇注环氧树脂将压电陶瓷片埋在浇注的环氧树脂中，环氧树脂采用的配比为1:1的环氧树脂AB胶，待环氧树脂硬化后，去除模具并打磨。压电陶瓷PiezoelectricCeramics，简称PZT：是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应，压电陶瓷除具有压电性外，还具有介电性、弹性等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。应力波：应力波是应力和应变扰动的传播形式。在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。当应力与应变呈线性关系时，介质中传播的是弹性波；呈非线性关系时，为塑性波和冲击波。为检验利用本发明基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置进行灌浆密实度检测的有效性和准确性，现在以实际测得数据进行分析。如图7~10所示，是灌浆密实度为100%和50%的灌浆套筒试件端头和中部的原始信号数据。该原始信号经过去噪后进行时域分析，利用小波包总能量法分析得到的结果表1所示。表1表明灌浆密实度为50%的灌浆套筒试件测得的信号是密实度为100%的2.24倍左右，说明该指标可行。对去噪后的信号进行频域分析，利用快速傅立叶变换，结果如图11~14所示。经过关系式（6）得到的结果表2所示。表2表明灌浆密实度为50%的灌浆套筒试件测得的信号是密实度为100%的1.3倍左右，同样表明该指标可应用于套筒灌浆密实度检测的要求。一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测方法，采用如上所述的基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，通过计算机上的LabView软件控制压电陶瓷传感器产生高频应力波，并采集应力波信号，激励信号采用的正弦扫频信号，电压幅值10V，周期1s，为减少噪音信号对目标信号的干扰，考虑到噪音频率主要集中在低频范围，故采样信号的频率为10kHz~200kHz；对采集到的信号先进行小波包默认阈值去噪，对采集到的信号先进行小波包默认阈值去噪，通过MATLAB程序自带的函数进行去噪，再进行时域分析和频域分析，时域分析时通过小波包能量法，建立能量信号与灌浆密实度的关系，通过对比小波包能量值的差异来判定灌浆套筒的灌浆是否密实；频域分析则是将时域分析中采集到的信号经过傅里叶变换得到频域信号，进而建立频域信号变化和灌浆密实度的关系，对比频域信号上的特征参量来评估套筒灌浆的密实程度。利用本发明检测方法具有以下优势：检测原理简单，操作方便，与X射线工业CT法和X射线数字成像法相比，所使用的压电陶瓷片受现场的制约小，采用外贴式压电陶瓷片作为传感器不会因为灌浆料回浆后，传感器核心元件上残留浆体的硬化可能会导致误判；与预埋钢丝拉拔法相比，采用封装式压电传感器不容易受到现场施工的影响。与现有方法相比，本发明拟采用压电陶瓷片技术，基于应力波法原理的灌浆套筒密实度检测方法更简单、经济和准确，这种检测方法可达到以下几个目标：（1）采用的损伤指标灵敏度高，能为灌浆套筒的灌浆密实度的压电信号规律进一步研究提供较精确的数据；（2）对设备的环境要求低，能适用于现场的施工作业要求；（3）理论简单、算法易实现。上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接例如使用螺栓或螺钉连接，也可以理解为：不可拆卸的固定连接例如铆接、焊接，当然，互相固定连接也可以为一体式结构例如使用铸造工艺一体成形制造出来所取代明显无法采用一体成形工艺除外。另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

权利要求：1.一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于：包括预埋于上预制柱内用以连接上预制柱钢筋和下预制柱钢筋的灌浆套筒，所述灌浆套筒外壁粘贴两组压电陶瓷传感器，两组压电陶瓷传感器分别布设在灌浆套筒端头和中部位置，每组压电陶瓷传感器数量为两个并分布在灌浆套筒外壁相对的两侧，压电陶瓷传感器通过屏蔽导线与数据采集仪连接，所述数据采集仪与计算机通过屏蔽导线连接。2.根据权利要求1所述的基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于：所述压电陶瓷传感器包括封装在环氧树脂中的压电陶瓷片，与压电陶瓷传感器相连接的屏蔽导线为单根两芯结构并且两线芯穿入环氧树脂并分别焊接于压电陶瓷片两侧面，所述压电陶瓷片的两侧面涂布有蜡层。3.一种基于应力波法的套筒灌浆密实度检测方法，采用如权利要求1所述的基于应力波法的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于：通过计算机上的LabView软件控制压电陶瓷传感器产生高频应力波，并采集应力波信号，对采集到的信号先进行小波包默认阈值去噪，再进行时域分析和频域分析，时域分析时通过小波包能量法，建立能量信号与灌浆密实度的关系，通过对比小波包能量值的差异来判定灌浆套筒的灌浆是否密实；频域分析则是将时域分析中采集到的信号经过傅里叶变换得到频域信号，进而建立频域信号变化和灌浆密实度的关系，对比频域信号上的特征参量来评估套筒灌浆的密实程度。

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