一种多功能智能传感器及基于其的建筑结构性态监测系统

技术领域

本发明涉及建筑结构监测技术领域，具体涉及一种多功能智能传感器及基于其的建筑结构性态监测系统。

背景技术

近年来，建筑结构的健康监测方法不断涌现，主要分为以下几类：基于筋材或者混凝土应变进行结构应变监测、通过图像方法进行结构整体监测、通过传感器进行结构振动状态监测等等。中国专利CN103669429A公开了一种基于FBG传感器的圆形实心混凝土桩桩身应变监测方法，采用的就是这些基于筋材或者混凝土应变进行结构应变监测，这些监测方法能为结构设计、施工和科研人员提供海量结构状态数据，进行结构设计优化、施工过程监测和科研人员对结构健康状态进行分析。但是结构在实际使用过程中，受活荷载和永久荷载共同作用，同时需要承受复杂的环境因素，如高温、高湿、高盐雾等，以及结构形式的多样性，如房屋、桥梁、道路、海工设施等。除此之外，现有建筑健康监测传感器的安装方法，是根据提前设计好的监测内容进行相应的定点布置，数目有限、定位精度要求高、偶然误差影响较大。而且经过调研发现，相关智能传感器或多或少均存在不同的问题。因此，急需一种能够覆盖上述结构形式和工况的多功能智能传感器进行结构健康监测。

发明内容

为了克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种多功能智能传感器及基于其的建筑结构性态监测系统，通过嵌入式方式实现建筑结构性态全方位监测，结合多功能智能传感器无线传输功能实现神经网络节点连接优化，通过无线传输功能进行信息传输和预警，监测效果更好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种多功能智能传感器，包括外壳、集成模块、主动传感器以及被动传感器；所述集成模块通过刚性支撑轴固定在所述外壳的内部，所述主动传感器设置在所述外壳与所述集成模块之间，所述被动传感器设置在所述外壳上。

进一步的，所述外壳的材质为陶瓷，能够实现与混凝土的接触，不会造成混凝土强度削弱。

进一步的，所述主动传感器包括压电陶瓷传感器，所述压电陶瓷传感器设置在所述刚性支撑轴与所述外壳的接触面之间，更好地进行监测。

进一步的，所述被动传感器包括加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、震动传感器以及辐射检测传感器，以实现自振周期、加速度、振幅、含水率、三轴压力、导波性能、各尺度开裂、荷载变化、气体渗流、液体渗流以及辐射检测等监测功能。

进一步的，所述外壳的形状为球形，在各个方向能够精确测量。

进一步的，所述外壳的直径为10～15mm，有很好的流动性，能够随着混凝土振捣流动到结构各处，从而达到分布的均匀性。

进一步的，所述外壳的抗压强度大于100MPa，具有较大的强度，在和混凝土一起搅拌的过程中不会被破坏，保证传感器的安全。

进一步的，传感器重量/体积＝2.4g/cm3，宏观密度与混凝土拌合物相似，能够保证传感器在搅拌过程中均匀分布于混凝土中。

进一步的，圆形陶瓷外壳没有电磁屏蔽效应，同时不会引起信号畸变，具有良好的信号传输能力，可以实现高效率空间传输。

本发明还提供了一种建筑结构性态监测系统，包括以上所述的多功能智能传感器，所述多功能智能传感器均匀分布在建筑结构中，所述多功能智能传感器之间通过无线信号进行传输。

进一步的，所述多功能传感器在建筑结构中的分布密度大于等于200个/m

进一步的，所述多功能智能传感器在建筑结构中通过类神经网络结构进行分布连接，所述类神经网络包括主连接、次连接、末梢连接以及与所述主连接连接的接收器和充电器，具体建立过程是，首先建立所述主连接贯穿主体构件，各个主体构件之间建立响应的所述次连接且与所述主连接通路连接，所述末梢连接与所述次连接连接，实现全部传感器连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过嵌入式方式实现建筑结构性态全方位监测，结合多功能智能传感器无线传输功能实现神经网络节点连接优化，通过无线传输功能进行信息传输和预警，监测效果更好；除此之外，本发明传感器布置，是采用一种新型类神经结构仿生学设计方法，采用无线方法将所有传感器进行无线连接，对某一个传感器具体位置要求不高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，还可以根据附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种多功能智能传感器的外部结构示意图；

图2为本发明的一种多功能智能传感器的内部结构示意图；

图3为本发明的一种多功能智能传感器在建筑结构性态监测系统中的分布结构示意图；

图4为本发明的一种建筑结构性态监测系统中的分布结构示意图；

图5为图4中A处的放大示意图。

其中：1、外壳；2、集成模块；3、主动传感器；4、被动传感器；5、刚性支撑轴；6、多功能智能传感器；7、主连接；8、次连接；9、末梢连接；10、主体构件；11、接收器和充电器。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例包括：

实施例一：

如图1-2所示，一种多功能智能传感器，包括外壳1、集成模块2、主动传感器3以及被动传感器4；集成模块2通过刚性支撑轴5固定在外壳1的内部，主动传感器3设置在外壳1与集成模块2之间，被动传感器4设置在外壳1上。

在本实施例中，外壳1的材质为陶瓷，能够实现与混凝土的接触，不会造成混凝土强度削弱。

在本实施例中，主动传感器3包括压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器设置在刚性支撑轴5与外壳1的接触面之间，更好地进行监测。

在本实施例中，被动传感器4包括常用的加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、震动传感器以及辐射检测传感器，以实现自振周期、加速度、振幅、含水率、三轴压力、导波性能、各尺度开裂、荷载变化、气体渗流、液体渗流以及辐射检测等监测功能。

在本实施例中，外壳1的形状为球形，在各个方向能够精确测量。

在本实施例中，外壳1的直径为10～15mm，有很好的流动性，能够随着混凝土振捣流动到结构各处，从而达到分布的均匀性。

在本实施例中，外壳1的抗压强度大于100MPa，具有较大的强度，在和混凝土一起搅拌的过程中不会被破坏，保证传感器的安全。

在本实施例中，传感器重量/体积＝2.4g/cm3，宏观密度与混凝土拌合物相似，能够保证传感器在搅拌过程中均匀分布于混凝土中。

在本实施例中，圆形陶瓷外壳1没有电磁屏蔽效应，同时不会引起信号畸变，具有良好的信号传输能力，可以实现高效率空间传输。

在本实施例中，其中的集成模块2里面包括了常用的储能模块以及计算模块。

实施例二：

一种建筑结构性态监测系统，属于实施例一中的多功能智能传感器6的应用，多功能智能传感器6均匀分布在建筑结构中，多功能智能传感器6之间通过无线信号进行传输。

在本实施例中，多功能智能传感器6在建筑结构中的分布密度大于等于200个/m3，保证传感器空间距离不会过大。

在本实施例中，多功能智能传感器6在建筑结构中通过类神经网络结构进行分布连接。

其中的多功能智能传感器6的定位功能实现方式如下：

首先进行重力方向判断：对比重力方向和传感器初始采集方向，得到传感器中性轴与重力方向夹角；

然后进行方位角判断，以得到各个传感器方位角：采用空间坐标转换雅克比矩阵调整三轴测量数据，将测量数据进行坐标系变换，得到基于统一坐标系的数据结果；

最后进行传感器相互位置判断，根据振动传导进行相互距离计算，结合建筑结构三维BIM模型进行修正(建筑结构在各个位置的导波速度可能不同)，进而得到所有传感器在三维空间的位置，将所有传感器空间位置进行记录，形成传感器空间位置网络；

每个传感器都有身份识别码，方便信号处理和类神经网络建立。

多功能智能传感器6在建筑结构中的空间网络建立之后，可以在建筑物任意位置进行无线信息传导，确定采集点位置后，就近传感器进行信息交换，通过建立的类神经信息无线传输网络实现全部传感器信息采集；

如图3-5所示，类神经无线传输网络包括：主连接7、次连接8、末梢连接9以及与主连接7连接的接收器和充电器11，具体建立过程是，首先建立贯穿主体构件10的主连接7，然后各个构件建立响应的次连接8与主连接7通路连接，最后确定末梢连接9，实现全部传感器连接；

该系统能够适用于现浇混凝土结构和预制装配式结构中，在现浇混凝土结构中，传感器能够整体传输，施工缝两侧的传感器能够实现良好的连接，在预制装配式结构中，不同部件之间通过相邻传感器无线通讯，同样能够实现良好通讯；

传感器结构可通过无线磁场进行充电，充电装置对就近传感器进行充电，同时该传感器发射磁场，对其周边传感器进行充电，依次往复，最终实现结构所有传感器充电；

充电能量具有方向性，通过相控阵原理，调整多个传感器电磁场传导方向，使得能量在沿构件方向传播，使得能量波峰在待充电传感器处重叠，以提高充电效率；

传感器采用多种储能方式，包括：电容储能、电池储能等，提高传感器工作状态下供电稳定性；

类神经网络可以实时判断传输效率，如果出现部分传感器损坏，能够及时调整传输路径；

类神经网络传感器系统可以根据需求输出相应建筑指标，如：建筑自振周期、各层加速度、各层振幅、建筑全场含水率、建筑全场应力应变状态、建筑各位置处开裂情况、结构荷载变化、结构内部气体和液体渗流。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。