基本信息
- 项目名称：
- 石基压电智能骨料
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品为压电陶瓷和大理石材料复合的智能骨料，可用于混凝土构件和结构，感知结构材料实际受力状况并用于评价结构的损伤。 本作品可用于量大面广的土木工程混凝土结构中，它具有感知结构受力和结构强度的双重功能，有很大的推广应用价值。
- 详细介绍：
- 1.0大理石基压电智能骨料 压电陶瓷（Lead Ziroconate Titanate ,PZT）材料由于具有响应速度快，线性关系好，能耗低，频率响应范围宽，造价低廉且易加工等优点，目前在结构健康监测领域已成为广泛研究和应用的材料之一。在此背景条件下，本发明基于建筑结构地震损伤机制研究需求，采用压电陶瓷材料研发了适用于混凝土建筑结构的埋入式压电智能骨料传感器，并且基于该智能骨料搭建了一整套压电测试系统。 我们提出了采用大理石材料作为机敏材料的基体。大理石基智能骨料可以替代混凝土里面的一颗粗骨料而不影响结构本身的性质，而且可根据实际选用的骨料材质选择相应的基体。 本发明中所用大理石材料的弹性模量为55GPa，与混凝土中粗骨料的弹性模量较为接近。图1-1为石基智能骨料，该骨料尺寸为 。 图 1-1 石基智能骨料 1.1大理石基智能骨料原理分析 石基智能骨料在制作过程中，采用环氧树脂胶作为封装压电陶瓷片以及粘结大理石基体的材料，封装之后在两基体之间会有一定厚度的封装层。在这个封装层中，由于其局部与压电陶瓷片复合，因此环氧树脂胶层各处的厚度并不相等。环氧树脂、压电陶瓷片、大理石基体各材料属性也不相同，这必将影响到力在智能骨料中的传递，继而影响功能体（压电陶瓷片）的真实受力。而杨晓明等人则忽略了环氧树脂封装层的影响，认为环氧树脂封装层可以均匀的将力传给压电陶瓷片。因此，本节将从理论出发，对压电智能骨料进行受力分析。图1-2表示石基压电智能骨料的传力原理图。 图 1-2 大理石基压电智能骨料原理图 在图1-2中，本文将环氧树脂封装层刚度看成是由三种属性材料刚度组成：封装层中，无压电陶瓷片处的环氧树脂层，其刚度设为 ；压电陶瓷片上下表面位置处的环氧树脂层，其刚度设为 ；封装层中的压电陶瓷片，其刚度设为 。本节中， 表示环氧树脂的弹性模量； 表示压电陶瓷的弹性模量； 表示压电智能骨料的截面面积； 表示压电陶瓷片的截面面积，则各材料的刚度为： 、 、 。假设石基智能骨料在垂直方向的受力为 ，则该力将由环氧树脂封装层来承担，然后将一部分力传递给压电陶瓷片。其中 为封装层中，无压电陶瓷片处的环氧树脂层承担的受力， 为压电陶瓷片上下表面位置处的环氧树脂层承担的受力，该力将完全传递给压电陶瓷片。其表达式如式（1-1）所示。 （1-1） 式中， 表示无压电陶瓷片处环氧树脂封装层变形量； 表示压电陶瓷片上下表面位置处的环氧树脂层的变形量； 表示封装层中，无压电陶瓷片处的环氧树脂层厚度； 表示压电陶瓷片上下表面位置处的环氧树脂层厚度。由于压电陶瓷片的弹性模量远大于环氧树脂的弹性模量，且根据变形协调条件，本文假设，压电陶瓷片的变形忽略不计，无压电陶瓷片处环氧树脂封装层变形量 等于压电陶瓷片上下表面位置处的环氧树脂层的变形量 。则压电陶瓷片分担的力与骨料承担的受力关系如式（1-2）所示。 （1-2） 假设， , ，则带入到式（1-2）中，则： 。如果，取压电陶瓷片的压电常数 ，电容 ,则压电智能骨料输出的灵敏度系数为： 1.2大理石基智能骨料制作流程 为了进一步简化制作流程，减少在制作过程中引入的缺陷，本节还是采用保定宏声公司的P-5H压电陶瓷片，并且只将一片压电陶瓷片复合到尺寸为25mm*25mm*25mm的立方体大理石基体中。由于粘结材料不仅需要具有防水功能，而且还要起到压电陶瓷与大理石基体之间的应力传递的过渡作用；试验中，为了减少应力传递的误差，粘结层的厚度应当越薄越好，这就要求该粘结材料具有较高的流动性。综合考虑各种因素，本文选用环氧树脂胶作为封装材料。该材料硬化后具有很高的强度和很高的防水性，硬化前具有较高的流动性，因此能够满足强度相容要求，同时它也能保证压电陶瓷片避免混凝土内部的高湿高碱性环境对其的腐蚀损害。 石基压电智能骨料的具体做法是： （1）使用丙酮将压电陶瓷片的表面清洁干净，以确保压电片具有良好的电荷传输能力，静置以待其自然干燥后进行导线的焊接，为了保证焊接点尽可能的小和平整，焊接中，使用了少量的焊锡膏助焊，以提高焊接质量，同时，为减小环境噪声对信号采集的不利影响，本文选用带屏蔽线的电缆作导线。 （2）使用环氧树脂作为防水层对焊接好的压电陶瓷片进行封装，在保证其密封性的前提下，应使防水层尽可能薄。 （3）将环氧树脂搅拌均匀后作为粘结剂涂在大理石基体上（图2-37表示大理石基体），然后将表面涂过环氧树脂的压电陶瓷片置于两块大理石基体块中间，复合成为一个整体，静置待粘结剂达到一定强度后，即制作完成了压电陶瓷智能骨料，如图2-38所示的大理石基压电智能骨料。 图1-3大理石基体 1.3大理石基压电智能骨料的基本性能测试 大理石基压电陶瓷智能骨料制作完成以后，如图2-38所示，在数字式电液侍服试验机（MTS）上对其进行频率独立性，线性度等基本性能测试。图2-39表示该试验的测试系统。 图1-4大理石基压电陶瓷传感器 图1-5大理石基压电传感器性能测试实验装置 1.4大理石基压电智能骨料的频率独立性测试 频率独立性是衡量压电陶瓷智能骨料动态响应的重要指标之一。考虑到土木工程结构的频率范围主要集中在0.1Hz-40Hz之间，常用的频率范围在0.1Hz-10Hz。因此，本实验采用频率分别为：0.05Hz，0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz，2 Hz，5 Hz的扫频正弦波来进行加载测试。测试时，预压2kN,应力水平为3.2MPa，每种频率循环加载五个周期。图1-6表示MTS输出的加载曲线。 图1-6 模拟扫描加载曲线 由图1-7、1-8可以看出，大理石基压电陶瓷智能骨料的的频率下限为0.5 Hz。当输入荷载的频率大于0.5 Hz时，智能骨料输出的电压信号的幅值不随荷载频率的增加而发生变化，表现出很好的频率独立性；当输入荷载的频率小于0.5Hz时，输出电压信号的幅值随着频率的增长而增长。出现这种现象的原因可能是由于电荷放大器不能提供比压电陶瓷传感器内阻更大的阻抗值，使得在低频荷载作用下压电陶瓷传感器的电荷不能很好的保持，从而导致输出幅值较小。 图1-7压电陶瓷传感器在模拟扫频信号加载条件下的输入输出信号曲线 图1-8压电陶瓷传感器在模拟扫频信号加载条件下的输入输出信号曲线 通过对图1-6、1-7中MTS输入的荷载信号曲线与智能骨料输出的信号曲线进行对比分析，可以得出智能骨料输出信号的幅值以及相位随模拟扫频荷载作用变化的关系，如图1-9所示。从图中可以看出，在低频0.05Hz，0.1 Hz，0.2 Hz动荷载作用下，其输出幅值小于其他频率动荷载作用下的输出幅值，出现这种情况的原因可能是由于电荷放大器不能提供比智能骨料内阻更大的阻值，使得在低频荷载作用下压电智能骨料产生的电荷不能很好地保持，因而，输出幅值较小。从图中压电智能骨料在模拟扫频加载条件下相位差的变化曲线中可以看出，随着荷载频率的增加，相位差逐渐减小，当荷载频率达到0.5Hz时，相位差接近于零，当荷载频率达到10Hz时，相位差几乎为零。这说明当输入荷载的频率大于0.5Hz时，该智能骨料的响应同输入荷载基本同步，不存在滞后现象。 图1-9 压电智能骨料输出信号的幅值和相位随荷载变化的关系 1.5大理石基压电陶瓷骨料的线性测试 本文主要采用液压伺服万能试验机（MTS-810，MTS公司）对大理石基压电陶瓷智能骨料施加简谐荷载，整个测试系统如图1-10所示，电荷放大器选用秦皇岛横科公司开发的HK9301电荷放大器，原理见图1-11所示。 图1-10 实验测试系统 图1-11 电荷放大器内部原理图 试验中，本文主要是对大理石基压电陶瓷智能骨料的输出电压与荷载幅值间的关系进行校准。本实验共使用了三个压电智能骨料，编号分别为：SA1、SA2、SA3。在施加动荷载之前，首先对智能骨料施加27MPa的预压应力，持荷30分钟，以使压电陶瓷片能够充分的极化，同时也可以使封装材料内部的空隙等缺陷闭合，以利于压应力在智能骨料中的传递和均匀分布。本实验采用扫幅加载模式，以保证输入荷载的幅值与智能骨料输出电压幅值间的关系。由于一般混凝土建筑物结构的基本频率大约为3Hz,在此条件下，地震荷载作用将被建筑结构放大到最大程度，因此智能骨料在此频率条件下的标定显得尤为重要。因此，在简谐波加载过程中，本文将施加荷载的频率固定不变，始终保持在3Hz,施加荷载的幅值从3MPa变化到40MPa。在抗压强度测试试验中，施加在骨料上的最大应力达到了47MPa，说明该骨料能够达到一般混凝土的抗压强度水平。图1-12表示MTS输入的简谐荷载曲线和压电智能骨料输出的电压信号曲线。 图1-12 对SA1施加的简谐荷载和电压输出曲线 从图1-12可以看出，当输入荷载为简谐荷载时，大理石基压电智能骨料输出的电压信号也为简谐信号；对应于各级荷载的加载曲线，智能骨料的输出也呈现出良好的线性增长关系。 图1-13表示大理石基压电陶瓷智能骨料SA1、SA2、SA3在幅值扫描荷载下输出的电压信号幅值同输入荷载幅值间的关系曲线。从图中可以看出，虽然各压电智能骨料实验拟合直线的斜率并不相同，但是各骨料的输出电压幅值与输入荷载幅值之间存在明显的线性关系；同时，从图中可以看出，当应力达到40MPa时，传感器仍然是有效的，这也说明当一般混凝土被压碎时，大理石基压电陶瓷智能骨料依然可以正常工作，而没有被压碎。 图1-13 输入荷载与输出电压信号间的关系曲 本文中将智能骨料在幅值扫描荷载下输出的电压信号幅值同输入的荷载幅值间的关系曲线的斜率定义为骨料的灵敏度，以计算施加在智能骨料上的荷载的变化值。经过对实验数据的分析，本文得出SA1、SA2、SA3智能骨料的灵敏度分别为：0.163v/MPa,0.146v/MPa,0.137v/MPa。从上述数值中可以看出，三枚智能骨料尽管基体和功能体型号一样，但是各骨料的灵敏度却各不相同。骨料SA1的灵敏度最大，骨料SA3的灵敏度最小，最大值比最小值大了近百分之十九。出现这种情况的原因可能是：封装压电陶瓷片的大理石基体是人工切割制作的，表面并不平整，经用环氧树脂与压电陶瓷片复合在一起后，由于环氧树脂涂抹不均匀等最终导致大理石基压电陶瓷智能骨料荷载方向的上下表面、压电陶瓷片与大理石基上下表面并不严格平行，进而导致功能体局部受力不同；同时基体材料上下表面面积也不完全相等，从而使传力面积也不相等，传力路径也相应发生变化，最终导致骨料的灵敏度有所差别。表1-1表示各压电智能骨料的输入荷载与输出电压间的线性关系函数。 表1-1输入荷载与输出电压间的线性关系 种类 Y=kx+b R2 SA1 0.163x-0.6037 0.9964 SA2 0.1459x-0.4474 0.9966 SA3 0.137x-0.4802 0.9924 从表1-1中可以看出，各压电智能骨料的灵敏度最小的为0.137V/MPa，最大的为0.163V/MPa，通过线性拟合，SA1、SA2、SA3压电智能骨料有极好的线性相关度，最大的达到了99.66%，最小的也达到了99.24%。 1.6外电场对大理石基压电智能骨料的影响 压电智能骨料作为一种传感器，外界电场对其性能的影响也是其必须考虑的因素。由于目前混凝土结构种类多样，所处电磁环境复杂，因此，要想使压电智能骨料从结构中输出的监测信号真实可信，压电智能骨料的抗电磁干扰能力也是其一项重要的技术指标。 为了验证外界电场对压电智能骨料的影响程度，本文在干燥的实验室中特意用一件经摩擦后带电的化学纤维布料靠近大理石基压电智能骨料，以此来制造骨料周边的电场。为了与实验结果进行对比，本文特设计了一个用铜盒封装屏蔽的压电陶瓷传感器，一同进行实验。实验结果如图1-14、1-15所示，1-14为实验示意图，1-15表示各种骨料在相同的电场条件下，传感器输出的电压信号曲线，红线表示大理石基压电智能骨料的反应信号曲线，蓝色的为经过屏蔽处理的压电陶瓷传感器输出的信号曲线。 图1-14外界电场对传感器的影响实验 图1-15外界电场对传感器的影响（红——没有做屏蔽的传感器） 由图1-15中各传感器输出的电压信号曲线可以看出，当把带电布料靠近传感器时，未做屏蔽的压电智能骨料对外界电场的反应比较敏感，输出明显的信号曲线，在外电场作用下，智能骨料产生的电压大概为0.015伏左右；经过屏蔽处理的压电陶瓷传感器输出信号基本上没有变化。由于经摩擦后的带电纤维布制造的电场强度不会很大，但是智能骨料却产生了0.015伏左右的电压变化。因此，外加电场对压电智能骨料有一定的影响。当骨料在混凝土结构中进行内部应力测量时，必须对智能骨料中的压电陶瓷片进行屏蔽处理，以尽量减小外加电场对智能骨料的干扰。 1.7不同预压力对压电智能骨料灵敏度的影响 (1)荷载工况设计 为研究初始应力对压电陶瓷片（PZT）智能骨料的压电常数的影响，本论文设计了五种工况（见表1-2）来对其进行测试。每种工况的初始荷载水平分别为3KN、6KN、9KN、12KN和15KN，对应骨料内部应力水平分别为：4.80MPa、9.60MPa、14.40MPa、19.20MPa、24.0MPa。所施加荷载为余弦荷载，荷载频率为3Hz,每级荷载水平循环次数为5次，荷载幅值分别为0.2~1.4KN，相邻级别应力幅值的增量为0.2KN，每级荷载持荷10分钟，采样率为100Hz。图1-16为五种工况的加载曲线示意图，图1-17表示初始荷载为3KN条件下的加载曲线，图1-18表示在五种工况条件下，压电智能骨料输出的电压信号曲线。 表1-2 不同预加载实验设计工况 工况 初始荷载(KN) 荷载设计曲线（KN） 1 3 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 谷值 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 2 6 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 谷值 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 3 9 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0 10.2 10.4 谷值 8.8 8.6 8.4 8.2 8.0 7.8 7.6 4 12 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 12.2 12.4 12.6 12.8 13.0 13.2 13.4 谷值 11.8 11.6 11.4 11.2 11.0 10.8 10.6 5 15 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 15.2 15.4 15.6 15.8 16.0 16.2 16.4 谷值 14.8 14.6 14.4 14.2 14.0 13.8 13.6 图1-16 各工况加载曲线示意图 图1-17 3KN预加载条件下的加载曲线（图1-16中加载曲线中局部放大图） 图1-18 压电智能骨料输出电压曲线 (2)试验结果分析 采用MTS加载系统对本文设计的压电智能骨料进行加载试验，如图1-19所示。压电智能骨料数目3个，命名分别为SA1、SA2和SA3，设计参数完全相同。图1-18为压电智能骨料SA1 在工况1条件下输出的电压随时间变化曲线，该工况初始荷载水平为3KN，加载级数为5级，最大应力水平为7.04MPa。通过对其荷载电压变化曲线的分析可知，该智能骨料的输出电压可以很好地反映结构上荷载的变化，图1-20表示SA1在3KN预压荷载条件下的力-电关系曲线。图1-21为SA1智能骨料在各个初始应力及荷载级别下的力——电关系，经试验可知，SA2和SA3在各个初始应力及荷载级别下的力——电关系基本上也相同。由此可知各个智能骨料都具有良好的力电线性和重复性，在工作应力范围内，压电常数不受初始应力水平影响。 图 1-19 智能骨料加载装置 图1-20 SA1在3KN预压荷载条件下的力—电关系曲线 图1-21 SA1在各个初始应力及荷载级别下的力—电关系 表1-3为压电智能骨料的灵敏度。通过表1-3可以看出本文设计的石基压电智能骨料在不同的初始应力条件下的灵敏度有所不同，随着初始应力的增大，各压电智能骨料的灵敏度有随之逐渐减小的趋势。通过对实验结果的分析可知，随着预压荷载从3KN变化到12KN，SA1的灵敏度系数变化大约为1.5%, SA2的灵敏度系数变化大约为3.1%, SA3的灵敏度系数变化了大约为3.2%。从工程角度考虑，这些变化可以忽略，因此，本文假设，在不同的初始应力条件下，相同型号的压电智能骨料的灵敏度相同。同时，各压电智能骨料的灵敏度基本保持不变，这也说明本文所采用的压电陶瓷片与石材复合的工艺是稳定可靠的。 表1-3 各压电智能骨料在不同初始应力下的灵敏度 预加载水平（KN） 预加载应力（MPa） SA1 SA2 SA3 3 4.8 1.000 1.000 1.000 6 9.6 0.995 0.996 0.997 9 14.4 0.992 0.992 0.990 12 19.2 0.985 0.980 0.986 15 24.0 0.972 0.969 0.968 图 1-22表示，在不同的初始应力条件下，SA1、SA2和SA3的灵敏度随着初始应力的变化曲线。从图中可以看出，在相同的初始应力条件下，SA1、SA2和SA3的灵敏度基本上相同；随着初始应力的增大，各骨料的灵敏度都有减小的趋势，但变化不大。 图1-22 各压电智能骨料灵敏度随初始应力的变化曲线 本节中，通过实验验证了不同的预压力对压电智能骨料的影响。实验结果表明3个智能骨料在各个初始应力及荷载级别下的力—电关系曲线都具有良好的线性和重复性，在工作应力范围内，虽然各骨料的灵敏度随着应力的增大而有减小的趋势，但是变化并不大，因此，本文假设压电智能骨料的压电常数不受初始应力水平的影响。因此，对于初始要承受一定荷载的嵌入式传感器而言，选用压电陶瓷片作为功能体是一个可行的选择。 1.8不同预压时间对压电智能骨料灵敏度的影响 在上一节中，我们通过实验验证了不同的预压力对压电智能骨料灵敏度的影响，实验结果表明，在压电智能骨料的工作应力范围内，其压电常数变化幅度不大，可以认为其不受初始应力水平的影响，这为压电智能骨料埋入到混凝土结构的不同位置处以及不同的应力环境中，仍能有效的对结构内部应力进行准确的监测提供了保证。但是，由于将压电智能骨料埋入到结构中以后，不同的预加应力在骨料上持荷相当长一段时间，甚至伴随骨料整个生命周期。因此，在长期的预压条件下，压电智能骨料的灵敏度以及压电常数是否会发生变化将直接影响着该压电智能骨料所监测结果的准确性。 在本节中，将对几组相同型号的压电智能骨料进行预压实验测试，以检验在相同的荷载水平下，不同的预压时间对骨料压电常数的影响。 1．9预压时间对灵敏度的影响测试实验 在此次试验中，压电智能骨料数目3个，命名分别为SA21、SA22和SA23，设计参数完全相同。图1-23为在设计工况条件下MTS输入的荷载随时间的变化曲线。该工况所施加荷载为余弦荷载，初始荷载水平都定为3KN，荷载频率为3Hz,在每级荷载水平循环次数为5次，荷载幅值分别为0.2~1.4KN，相邻级别应力幅值的增量为0.2KN，每级荷载分别持荷0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、15.0、30.0分钟，采样率为100Hz 。图1-24表示在设计工况条件下，压电智能骨料输出的电压信号曲线。 图1-23 MTS加载曲线 图1-24 压电智能骨料输出的电压信号曲线 表1-4为压电智能骨料SA21、SA22在相同的预应力、不同的持荷时间下的灵敏度。通过表1-4可以看出本文设计的石基压电智能骨料在相同的初始应力、不同的持荷时间条件下的灵敏度有所不同，随着持荷时间的增大，各压电智能骨料的灵敏度有随之逐渐减小的趋势。通过对实验结果的分析可知，在相同的预加载条件下，随着持荷时间从0.5min变化到30min，SA21的灵敏度系数变化大约为5.0%, SA22的灵敏度系数变化大约为6.0%,并且随着持荷时间的延长，压电智能骨料的灵敏度系数变化越来越慢，最终趋向于一个恒定值。从工程角度考虑，这些变化可以忽略，因此，本文假设，在不同的持荷时间条件下，当持荷时间大于十五分钟以后，相同型号的压电智能骨料的灵敏度相同，保持不变。 表1-4 各压电智能骨料在不同持荷时间下的灵敏度 加载水平 (KN) 持荷时间 （min) SA21 (V/KN) SA22 (V/KN) 9 0.5 1.1097 1.082 1 1.0852 1.0546 2 1.0699 1.0368 5 1.0617 1.0263 10 1.0647 1.0281 15 1.0553 1.0188 30 1.0542 1.0164 图 1-25表示，在相同的预载水平，不同的持荷时间条件下，SA21和SA22的灵敏度随着持荷时间的变化趋势。从图中可以看出，在相同的初始应力，不同的持荷时间条件下，SA21、SA22灵敏度基本上相同；随着持荷时间的增大，各骨料的灵敏度都有减小的趋势，但变化不大，并且在持荷十五分钟以后，各骨料的灵敏度趋向于一个恒定值，不再发生较大的变化。 图1-25 各压电智能骨料灵敏度随持荷时间的变化曲线
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设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1．本科技发明的设计思路 压电陶瓷（Lead Ziroconate Titanate ,PZT）材料由于具有响应速度快，线性关系好，能耗低，频率响应范围宽，造价低廉且易加工等优点，目前在结构健康监测领域已成为广泛研究和应用的材料之一。在此背景条件下，本发明基于建筑结构地震损伤机制研究需求，采用压电陶瓷材料研发了适用于混凝土建筑结构的埋入式压电智能骨料传感器，并且基于该智能骨料搭建了一整套压电测试系统。 我们提出了采用大理石材料作为机敏材料的基体。大理石基智能骨料可以替代混凝土里面的一颗粗骨料而不影响结构本身的性质，而且可根据实际选用的骨料材质选择相应的基体。 2．本科技发明的创新点 1、根据自身需要，基于自身条件，开发出大理石基压电陶瓷智能骨料，并且结合实验条件开发出一整套压电测试传感系统。2.在地震损伤过程中可以利用该压电智能骨料采用被动监测方式获取结构各关键位置的应力时程。3.监测系统在平时及地震过程中处于被动监测模式，耗能少。4.本智能骨料采用大理石进行封装，能够当做一般粗骨料埋入混凝土结构中，并对结构影响不大，不会造成薄弱连接界面，易于在实际工程结构中应用。
科学性、先进性
- 近年来多次发生的近场强地震造成了建筑结构与基础设施严重的破坏，许多新的震害现象还无法从现有的理论中得到很好的解释对工程结构进行强震观测是了解结构损伤机理的重要手段，因为强震反应资料一旦取得，就相当于进行了一次原型结构试验。由于建筑结构结构庞大复杂，基于加速度的整体监测信息难以反映结构局部损伤机制，只有结合局部损伤信息，才能够有效分析结构从材料、构件到结构 系统等不同尺度下的损伤破坏动力学行为，揭示结构破坏的动力损伤演化机理。 由于钢筋混凝土建筑结构体量巨大、结构地震损伤位置不确定性以及地震发生的不确定性等原因，要求地震损伤监测传感器具有耐久、分布式测量、动态测量、性能可靠和价格低廉等特点。尽管目前国内外对于土木工程健康监测研究很多，尚无有效的地震损伤监测手段。本发明在埋入到结构中以后，你能够较为准确的测量出钢混结构在地震荷载作用下的内部应力情况，它对揭示结构破坏的动力损伤演化机理具有重要意义。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月于大连理工大学教务处关于大学生创新试验项目验收报告
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 希望委托厂家生产推广
作品可展示的形式
- 实物展示，现场操作
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：该作品只要在混凝土浇筑时，将其埋入到混凝土结构中，根据具体的需要，适当调整其在结构中的位置；当对结构进行检测时，将其与数据采集设备、电荷放大器连接即可以进行数据采集。 该发明特点和优势是：1.与结构相容性好；2.可对结构进行全程监测；3.灵敏度搞；4.价格低廉。 他可以用于量大面广的土木工程混凝土结构当中，具有感知结构受力和加强结构强度的双重功能，有很大的推广应用价值
同类课题研究水平概述
- 基于智能骨料的研究在国外以Song等为代表，他将经过防水封装后的压电陶瓷片采用与所监测结构配比一致的混凝土进行封装，待混凝土固结养护好以后即可放入钢筋笼中，然后浇筑混凝土。但是此种封装方法可能会由于混凝土固结以后产生收缩，使粗骨料对压电陶瓷片造成一定的应力集中。杨晓明等人将压电陶瓷和两个水泥块通过水泥干粉与环氧树脂的混合物相粘结，完成封装。在其博士论文中，他对该传感器进行了基本性能测试，实验结果表明，该水泥块基压电传感器在低频范围内具有很好的频率独立性，线性度良好，输出信号不存在滞后现象，适合用于混凝土结构的被动监测。但是，此种封装方式由于骨料表面过于光滑，当将其埋入到结构中以后，在骨料与混凝土的连接处可能会形成薄弱界面，同时，该骨料的抗压强度明显要低于混凝土中粗骨料的强度，因而可能会对埋入结构的原有性能造成影响。
