基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测装置及方法

技术领域

本发明涉及木结构建筑领域，特别是涉及基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测装置及方法。

背景技术

木结构采用生物质建筑材料，在正常服役过程中，易遭受白蚁侵蚀和环境湿度变化的影响，造成构件内部空洞和腐蚀，而内部空洞和腐蚀削弱了构件横截面的承载力，给结构带来极大的安全隐患。

目前，对于服役中的木构件内部空洞和腐蚀的检测尚停留在半无损检测阶段。工程中常使用的方法是微钻阻力仪法和皮罗钉法。这两种方法采用特制钻头或探针钻进木构件中，通过钻进过程中的阻力判断木构件内部是否存在空洞或腐蚀。因此，提供一种基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测装置及方法以对木结构内部空洞进行无损检测显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是提供基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测装置及方法，以解决现有技术中存在的技术问题，易于拆装，实用性及可靠性强，实现了对待测木结构内部空洞的无损检测，且有效提高了检测效率及检测结果的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测装置，包括：可穿戴式传感器、信号检测与分析装置，所述可穿戴式传感器与所述信号检测与分析装置电性连接；

所述可穿戴式传感器包括连接带，所述连接带可拆卸围裹于所述待测木结构外部；所述连接带上设有若干个柔性PZT传感单元，每条所述连接带上所述柔性PZT传感单元的数量大于等于二，其中，任一所述柔性PZT传感单元作为驱动器，其他任一所述柔性PZT传感单元作为接收器；所述连接带包括硬质保护区和非硬质保护区，所述硬质保护区的位置与所述柔性PZT传感单元的位置相对应，所述硬质保护区的尺寸大于所述柔性PZT传感单元的尺寸；所述柔性PZT传感单元上电性连接有引线，所述引线与所述信号检测与分析装置电性连接。

优选地，所述连接带为柔性织物带，所述柔性织物带两端采用搭扣连接。

优选地，所述柔性织物带包括依次层叠设置的上织物层、下织物层，所述上织物层、下织物层沿所述可穿戴式传感器的长度方向通长，所述下织物层与所述待测木结构相接触；所述柔性PZT传感单元设于所述上织物层、下织物层之间，所述硬质保护区设于所述上织物层和/或所述下织物层。

优选地，所述柔性PZT传感单元包括由上到下依次设置的上粘结层、柔性PZT单元、下粘结层、硬质粘结层，所述上粘结层与所述上织物层连接，所述硬质粘结层与所述下织物层连接。

优选地，所述硬质粘结层的硬度大于所述上粘结层和/或所述下粘结层的硬度。

优选地，所述柔性PZT单元采用熔融流延法制备的PvDF薄膜。

优选地，所述连接带两端分别设有第一连接体、第二连接体，所述第一连接体为凸体结构，所述第二连接体为凹槽结构，所述凸体结构与所述凹槽结构的尺寸相匹配，所述第一连接体、第二连接体搭扣连接。

优选地，所述硬质保护区的硬度大于所述非硬质保护区的硬度。

本发明还提供基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测方法，包括如下步骤：

将所述可穿戴式传感器围裹在所述待测木结构的待测位置，并将所述引线与所述信号检测与分析装置电性连接；

在所述驱动器上施加激励电信号，通过所述驱动器的逆压电效应在所述待测木结构中产生应力波；通过所述接收器接收穿过所述待测木结构横截面的应力波，并将接收到的应力波传输至所述信号检测与分析装置；

基于接收到的应力波，通过所述信号检测与分析装置检测待测木结构内部空洞；其中，所述信号检测与分析装置采用基于短时傅里叶变换的深度神经网络检测待测木结构内部空洞。

优选地，所述信号检测与分析装置检测待测木结构内部空洞的方法具体包括：

首先，对接收到的应力波进行短时傅里叶变换，得到应力波的频谱图；

其次，将经过短时傅里叶变换得到的频谱图输入到训练好的深度神经网络中，完成待测木结构内部空洞的检测。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明可穿戴式传感器采用柔性织物带以及柔性PZT传感单元，能够适用于不同横截面形状的待测木结构，具有截面适用性强的优势；

(2)本发明可穿戴式传感器柔性PZT传感单元设有硬质粘结层，且连接带上与柔性PZT传感单元相对应位置处设有硬质保护区，能够有效避免柔性PZT传感单元因曲率过大发生破坏，提高了可穿戴式传感器的可靠性；

(3)本发明可穿戴式传感器采用搭扣连接，具有可拆卸、易连接的优势，且能够灵活应用于不同截面尺寸的待测木结构；

(4)本发明可穿戴式传感器通过柔性PZT传感单元的正、逆压电效应获取待测木结构中产生的应力波，将穿过待测木结构横截面的应力波进行短时傅里叶变换，得到应力波的频谱图，并通过深度神经网络对应力波的频谱图进行特征提取，实现了对待测木结构内部空洞的无损检测，且有效提高了检测效率及检测结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明可穿戴式传感器安装在待测木结构的结构示意图；

图2为本发明可穿戴式传感器结构示意图；

图3为本发明柔性PZT传感单元结构剖面图；

图4为本发明DNN结构示意图；

图中，1为待测木结构，2为可穿戴式传感器，11为硬质保护区，12为第一连接体，13为柔性PZT传感单元，14为引线，15为第二连接体，21为上织物层，22为上粘结层，23为柔性PZT单元，24为下粘结层，25为硬质粘结层，26为下织物层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-2所示，本实施例提供一种基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测装置，用于对待测木结构1进行内部空洞检测，包括：可穿戴式传感器2、信号检测与分析装置，所述可穿戴式传感器2与所述信号检测与分析装置电性连接；

所述可穿戴式传感器2包括连接带，所述连接带可拆卸围裹于所述待测木结构1外部；所述连接带上设有若干个柔性PZT传感单元13，每条所述连接带上所述柔性PZT(Piezoelectric Transducer，压电式换能器)传感单元13的数量大于等于二，其中，任一所述柔性PZT传感单元13作为驱动器，其他任一所述柔性PZT传感单元13作为接收器；所述连接带包括硬质保护区11和非硬质保护区，所述硬质保护区11的位置与所述柔性PZT传感单元13的位置相对应，所述硬质保护区11的尺寸大于所述柔性PZT传感单元13的尺寸；所述柔性PZT传感单元13上电性连接有引线14，所述引线14与所述信号检测与分析装置电性连接。

进一步地优化方案，所述连接带为柔性织物带，所述柔性织物带两端采用搭扣连接，穿戴方便，且通过柔性织物带可适用于不同横截面形状的待检测木构件。

进一步地优化方案，所述柔性织物带包括依次层叠设置的上织物层21、下织物层26，所述上织物层21、下织物层26沿所述可穿戴式传感器2的长度方向通长，所述下织物层26与所述待测木结构1相接触；所述柔性PZT传感单元13设于所述上织物层21、下织物层26之间，所述硬质保护区11设于所述上织物层21和/或所述下织物层26。

进一步地优化方案，所述柔性PZT传感单元13包括由上到下依次设置的上粘结层22、柔性PZT单元23、下粘结层24、硬质粘结层25，所述上粘结层22与所述上织物层21连接，所述硬质粘结层25与所述下织物层26连接，具体如图3所示；其中，所述柔性PZT单元23为主要的传感元件；所述上粘结层22、下粘结层24起粘接和绝缘的作用；所述硬质粘结层25的硬度略大于所述上粘结层22和/或所述下粘结层24的硬度，防止所述柔性PZT单元23因曲率过大发生破坏。本实施例中，硬质粘结层25的硬度采用抗弯刚度表示，硬质粘结层25的抗弯刚度相对于上粘结层22和/或所述下粘结层24高8～10个单位(N·m

进一步地优化方案，所述柔性PZT单元23采用熔融流延法制备的PvDF(Polyvinylidene Fluoride，聚偏二氟乙烯)薄膜，具有正、逆压电效应。

进一步地优化方案，所述连接带两端分别设有第一连接体12、第二连接体15，所述第一连接体12为凸体结构，所述第二连接体15为凹槽结构，所述凸体结构与所述凹槽结构的尺寸相匹配，所述连接带通过所述第一连接体12、所述第二连接体15搭扣连接，以实现可拆卸围裹在所述待测木结构1外部；另外，采用搭扣连接，还能根据待测木结构1的截面尺寸，选择合适的可穿戴式传感器2数量，并通过搭扣连接将多个可穿戴式传感器2连接在一起，以适用于更多尺寸的木构件的检测。

进一步地优化方案，所述硬质保护区11的硬度略大于所述非硬质保护区的硬度；本实施例中，所述硬质保护区11的编织密度大于所述非硬质保护区的编织密度，其作用是在所述可穿戴式传感器2用于直径较小的圆柱形木结构检测时，保护所述柔性PZT传感单元13不因曲率过大而发生破坏。本实施例中，柔性织物带的硬度采用抗弯刚度表示，硬质保护区11的抗弯刚度相对于非硬质保护区高8～10个单位(N·m

进一步地优化方案，所述信号检测与分析装置采用型号为SC-HY-PZT-2.0的多功能压电信号检测与分析系统。

本实施例中还提供一种基于可穿戴式传感器的木结构内部空洞检测方法，包括如下步骤：

将所述可穿戴式传感器围裹在所述待测木结构的待测位置，并将所述引线与所述信号检测与分析装置电性连接；

在所述驱动器上施加激励电信号，通过所述驱动器的逆压电效应在所述待测木结构中产生应力波；通过所述接收器接收穿过所述待测木结构横截面的应力波，并将接收到的应力波传输至所述信号检测与分析装置；

基于接收到的应力波，通过所述信号检测与分析装置检测待测木结构内部空洞；其中，所述信号检测与分析装置采用基于短时傅里叶变换(STFT)的深度神经网络(DNN)检测待测木结构内部空洞，具体包括：

首先，对接收到的应力波进行短时傅里叶变换，得到应力波的频谱图；其中，STFT的计算公式如下：

F(mΔt,f)＝∑x(n)g(n-mΔt)e

其中，j为复数单位，g(n)为窗函数，ω为角频率，f为频率，n为离散时间点，m为时间，x(n)为所述监测设备接收到的应力波信号，Δt是窗函数每次移动的距离。

其次，将经过STFT变换得到的频谱图输入到训练好的DNN中，检测待测木结构内部空洞。

DNN对于基于图像特征的分类与识别具有识别效率快，识别精度高的优势。本实施例中，DNN设计为8层，具体结构如图4所示，包括依次连接的5个卷积层和3个全连接层，所述DNN从输入层到输出层之间依次连接有第一卷积层、第二卷积层、第三卷积层、第四卷积层、第五卷积层、第一全连接层、第二全连接层、第三全连接层；第一卷积层输入的特征图像大小为227×227×3，有96个卷积核，卷积核大小为11×11，步长为4，第一卷积层后连接有ReLU激活层和最大池化层，第一卷积层输出的特征图像大小为27×27×96；第二卷积层输入的特征图像大小为27×27×96，有256个卷积核，卷积核尺寸为5×5，步长为1，第二卷积层后连接有ReLU激活层和最大池化层，第二卷积层输出的特征图像大小为13×13×256；第三卷积层和第四卷积层输入的特征图像大小为13×13×256，有384个卷积核，卷积核大小为3×3，步长为1，第三卷积层和第四卷积层后均连接有ReLU激活层，第四卷积层输出的特征图像大小为13×13×384；第五卷积层输入的特征图像大小为13×13×384，有256个卷积核，卷积核尺寸为3×3，步长为1，第五卷积层后连接有ReLU激活层和最大池化层，第五卷积层输出的特征图像大小为6×6×256；第一全连接层和第二全连接层均包括4096个神经元，且第一全连接层和第二全连接层后均连接有Dropout随机失活层；第三全连接层的神经元数与空洞的损伤程度类别数(即输出层)相等，输出层中p

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明可穿戴式传感器采用柔性织物带以及柔性PZT传感单元，能够适用于不同横截面形状的待测木结构，具有截面适用性强的优势；

(2)本发明可穿戴式传感器柔性PZT传感单元设有硬质粘结层，且连接带上与柔性PZT传感单元相对应位置处设有硬质保护区，能够有效避免柔性PZT传感单元因曲率过大发生破坏，提高了可穿戴式传感器的可靠性；

(3)本发明可穿戴式传感器采用搭扣连接，具有可拆卸、易连接的优势，且能够灵活应用于不同截面尺寸的待测木结构；

(4)本发明可穿戴式传感器通过柔性PZT传感单元的正、逆压电效应获取待测木结构中产生的应力波，将穿过待测木结构横截面的应力波进行短时傅里叶变换，得到应力波的频谱图，并通过深度神经网络对应力波的频谱图进行特征提取，实现了对待测木结构内部空洞的无损检测，且有效提高了检测效率及检测结果的准确性。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。